聚合物纳米复合材料的阻燃性基于分层的磷酸铝.docx

基于分层的磷酸铝聚合物纳米复合材料的阻燃性林等马凯特大学硕士论文(2009 -)论文,论文和专业项目王宁1982 -马凯特大学引用王,宁1982 -基于分层的磷酸铝聚合物纳米复合材料的阻燃性和计算磷酸胺成-Zirconium夹层的研究和模型的吸附有机污染物”(2011)。硕士论文(2009)。120年论文。基于层状磷酸铝聚合物纳米复合材料的阻燃性和计算的研究夹层的胺-ZIRCONIUM磷酸盐和有机污染物的吸附模型2011年 林等马凯特大学,层状金属材料,如分层金属氢氧化物、羟基双盐,和分层的金属磷酸盐可以用于应用于阻燃、离子交换剂、去除污染物。优化材料的这些应用需要了解他们的物理和化学性质一个部分:基于磷钾铝石聚合物纳米复合材料的阻燃性磷钾铝石与可调层间间距准备和修改了十二烷基硫酸钠(AL-SDS)。层状材料被用作研究聚合物的阻燃添加剂,包括聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和聚乙烯醇(PVA)、磷钾铝石的色散x射线衍射的特征。磷钾铝石和聚合物复合材料的热稳定性是由热重量分析评估,获得的结果表明：,磷钾铝石的存在改善了聚合物复合材料的热稳定性。开始退化的温度和中间点温度载荷增加了磷钾铝石的PS、PP和PVA。了解聚合物/磷铁铝钾石复合材料的降解机制允许我们探索这种层状材料的潜在作用在增强聚合物阻燃。前言层状金属材料是一个包含几层堆叠层间二维纳米或微米级固体的金属材料。虽然有很多这样的金属化合物,只有选择例如层状双氢氧化物(LDHs),分层的金属磷酸盐和分层双盐,检测应用如催化、药物交付,阴离子分离、防火性、和环境水净化。这些材料是包含他们的应用,因为的 。他们的目标结构的属性可以利用设计参数优化选择在应用中的有效性。这项工作的目标是合成和表征层状金属磷酸盐与特定的金属阳离子(铝和锆)和探索这些化合物在高分子阻燃或污染物的去除水溶液的应用。在第一章中, 调查了磷钾铝石制备和表征,和修改的钠十二烷基硫酸盐,。聚合物复合材料的阻燃和热稳定性与这些材料添加剂。与LDHs和其他分层材料相比,聚合物与磷钾铝石显示增强阻燃极性和非极性聚合物。在第2章,密度泛函理论B3LYP / 6 - 311 g *)计算结合先前的实验结果描述了夹层的胺-zirconium磷酸(-ZrP)和吸附的4-chlorophenol磷酸胺-闰-zirconium水溶液。夹层之间的不同可能的能量交互磷酸盐、胺和氯酚测定为了提供一个解释co-intercalated安排的胺和氯酚。目录第一章 介绍.1。1聚合物/层状纳米复合材料的结构和性能. 1.1。1阳离子粘土.1.1。2阴离子粘土.1.1。3基于磷阻燃剂.1.1。4准备和聚合物/层状材料复合材料的形态.1.1.5.聚合物/层状纳米复合材料的阻燃. 1.1.6方法评估聚合物/粘土复合材料的易燃性.1.1.7.动机研究. 第二章实验.2。1材料.2。2层状磷酸铝做准备.2。3修改磷钾铝石.2.4制备聚合物/磷钾铝石复合材料.第三章结果与讨论.a部分的制备和表征层状磷酸铝对色散的影响和阻燃聚合物 引言扩大使用聚合物在各种各样的应用程序导致了持续改进的热力和机械性能需求承受越来越严格的条件。降低聚合物的点燃和燃烧效率是一个需要考虑的关键因素,因为大部分火灾荷载的房屋、商业环境和交通由聚合物/塑料材料组成。因此,很明显,阻燃剂是重要的聚合物规划的一部分传统阻燃剂是磷系无卤阻燃剂，化合物经济可以提高聚合物的阻燃不侮辱他们的物理性质,如力量。然而,有毒物种,如二恶英和呋喃halogen-containing燃烧期间生成的复合材料,可能会导致严重的环境污染。7 - 9日因此,开发无卤、低烟,高和环保阻燃复合材料近年来变得越来越重要。无机氢氧化物,如氢氧化铝和氢氧化镁是使用最广泛的无机阻燃剂目前由于其无毒和环保特性。10 - 14然而,高水平的加载(30重量% -60 wt %)是必需的,导致额外的成本,加工困难和自然史的减少阻燃剂与非常小的颗粒大小似乎传统配方具有显著的优势。纳米层状金属材料,如粘土和层状双氢氧化物(LDHs)测试潜在的阻燃剂,可以改善阻燃性,同时提高物理性能(如抗拉强度、断裂伸长率)。17日至19日在分层材料/聚合物系统中,并发改进通常实现跨多个属性,如可燃性和生物降解能力的行为。20、21这些改进的聚合物纳米复合材料通常来源于聚合物性质的变化在附近的添加剂和强烈依赖于聚合物添加剂的分散体。1。1聚合物/层状纳米复合材料的结构和性能的调控分层材料的掺入聚合物在1960年初的首次报道,虽然这方面的认真调查始于1990年代。两个应用程序引用的里程碑感兴趣的复兴在1990:(a)丰田研究小组开发了PA-6-clay大规模工业应用的纳米复合材料;25和(b)Vaia等人发现,混合分层材料与聚合物在熔融状态提供了一个通用的和环保的方法合成纳米复合材料。26这个新类的材料正在成为全球越来越浓的兴趣,因为相对少量的这些材料的加入增强了聚合物的大部分属性,如机械、热稳定性、火焰retardancy.27MMT),阳离子粘土;28 - 30日(b)层状双氢氧化物(LDHs),有时被称为hydrotalcite-like阴离子粘土。31-34最近,合成层状金属磷酸盐的nanofillers正在成为一个新类聚合物。例如,35-zirconium磷酸盐被用来制备聚合物纳米复合材料具有良好的力学性能。36、37的弱相互作用-ZrP nanoplatelets,夹层或剥落nanolayers的聚合物基体可以实现通过原位聚合和溶液methods.38;39岁1.1.1阳离子粘土阳离子粘土也叫蒙脱石粘土,40-42家庭称为2:1层状硅酸盐的层状硅酸盐材料。例子包括蒙脱石、fluorohectorite锂蒙脱石、皂石、高岭石和magadiite。最广泛用于聚合物纳米复合材料是蒙脱石(MMT)。多频段微型收发器的一般公式是(Na,Ca)(铝、镁)6(Si4O10)3(OH)6n水,并且至今的结构由两个硅氧四面体的堆叠层融合到一个edge-shared八面体片含有金属阳离子,如Al3 +或Mg2 +,羟基和氧组。42层厚度大约是1纳米,长度可能会有所不同从30纳米到几个微米,宽高比(长度/厚度)大于1000。相邻层由常规的范德瓦耳斯差距,称为夹层或美术馆。替换的四面体Si(IV)米(3)(如Al3 +)大多数阳离子粘土显示一系列有用的属性包括表面酸度和阳离子扩散使他们一个有用的药品作为基础材料,催化剂、离子交换剂、腐蚀保护者也polymers.43-45作为潜在的增强阻燃添加剂1.1.2阴离子粘土合成阴离子粘土,46-50也极大的兴趣由于其潜在的应用在许多不同的领域。最受欢迎的阴离子粘土水滑石-层状双氢氧化物。LDHs的一般公式M2 +战神一号x型M3 +战神一号x型(OH)2x +一个-nH2O,M2 +和M3 +金属阳离子占据的八面体格子水镁石- 51(Mg(OH)2);52层形成带正电荷的氢氧化物表一样,与阴离子,水占据夹层空间。部分M2 + M3 +替换引起的正电荷层,平衡了层间阴离子的存在。图1.1是该计划的LDH结构及其化学公式。Pinnavaia和同事研究了毫克/ Al LDHs的结构和性能。53的画廊高度和Cl - LDHs层间阴离子,约为2.97。原始LDHs不能容易分散在聚合物基质获得聚合物纳米复合材料由于d-spacing太小,让单体或聚合物分子进入夹层空间,LDHs层的亲水性表面不兼容5疏水性聚合物分子。因此,substitution-suitable夹层有机阴离子需要改变LDHs的极性。通常有两种方法用于修改LDHs使用有机分子。LDH与的一个方法是直接合成有机表面活性剂在画廊空间,而另一个方法是合成LDHs小无机阴离子incorpor紧随其后的是一种阴离子交换反应1.1.3磷阻燃剂卤系阻燃剂覆盖广泛的无机和有机化合物,包括反应性化学的产品绑定到高分子材料以及添加剂的产品集成到材料通过物理混合。65年他们有一个广泛的应用范围,和一个良好的消防安全性能。1.1.3。1有机卤系阻燃剂最重要的有机卤系阻燃剂磷酸酯、为原料,phosphinates。66年卤系阻燃剂广泛应用于工程塑料,聚氨酯泡沫。磷酯阻燃增塑剂在聚氯乙烯(PVC、烷基或芳基磷酸盐)和工程塑料。67磷酸盐为原料和phosphinates通常工作以及活性磷系阻燃剂在灵活的聚氨酯泡沫为汽车和构建应用程序。68有机phosphinates新类阻燃剂用于工程塑料,尤其是在聚酰胺。69年基于红磷阻燃等级主要用于玻璃纤维增强聚酰胺6和66.69聚磷酸铵(APP)的成绩主要是用于防火涂料。66年他们还发现在刚性和福莱希有一系列拟议机制的有机卤系阻燃剂。69年的磷含量不同的化学物质从低至9.5%不等的7磷酸甲苯(TCP)到赤磷(100%)。此外,磷原子在氧化状态从0到5。phosphorus-based阻燃剂通常是设计开发活动结合的起始分解基本的聚合物。这些添加剂可能提供部分气相贡献的灭火效果与halogen-containing阻燃剂。然而,主要的功能是char形成活动有时结合发泡或肿大,表面形成保护性的顶层。这种类型的固相机制提供了一个利用少释放的烟雾和气体火灾situat1.1.3。2层金属磷酸盐阻燃剂近年来,越来越多的关注集中在聚合物与无机纳米复合材料的发展阶段,其中包含磷酸盐。70年-zirconium磷酸(- ZrP)就是一个例子的无机层状金属磷酸盐显示在阻燃领域的潜在应用。71年这些新材料的一个最有趣的方面是他们的能力降低聚合物的燃烧速度,这是类似与普通蒙脱石等自然分层综合观察。然而,-ZrP更高的离子交换容量和更大的热、化学stability.711.1.4准备和形态聚合物/层状材料的复合材料有很多方法将聚合物的画廊分层材料,如交易所,72年共同沉淀,74原位聚合,74;73;75表面活性剂药合并,73年热液治疗,74年重建,76年和restacking。73年,纳米复合材料准备的不同途径如图1.3所示。聚合物/层状材料复合材料的各种结构形式:非混相系统,也称为利用,出现时,聚合物不能插入到画廊,和phase-separated组合形成。在这种情况下,层状材料不是纳米级分散在聚合物和本质上是表现得像个微米级添加剂。夹层的复合材料,延长聚合物大分子扩散层表之间不变,导致一个秩序井然的多层结构的聚合物和无机层交替重复几纳米的距离。时脱落,也称为分层纳米复合材料,粘土层分离和均匀分散,因此最大化polymer-layer材料相互作用。77 - 79图1.4显示了三个聚合物/ LDH复合结构。x射线衍射(XRD)是最常见的方法来表征层状化合物和识别的分散聚合物基质的画廊分层材料。80 XRD用于探测变化的顺序分层材料通过监测位置、形状和强度的基底反射。提高层间间距是衍射峰的被转变较低的角度,根据布拉格定律,导致最终毫无特色的模式(如脱落所表现出的结构或非晶的材料)。三个典型的聚合物/层状材料复合材料结构可能被XRD数据。Figure1.5显示样本x射线衍射模式的初始分层材料和预期的分散在三个不同的模型。在一个非混相系统或microcomposite,聚合物不进入th1.1.5阻燃聚合物/层状纳米复合材料提出一种机制来解释的影响,分层材料聚合物燃烧的形成是一个多层carbonaceous-layered结构表面的纳米复合材料在燃烧。83;84年,碳质char可能强化了结晶层,创建一个优秀的物理屏障保护的衬底温度和氧气,从而减慢了逃避在聚合物降解产生的可燃性挥发物。列文等人提出的另一个机制,85年;86年表明,层状化合物的积累表面迁移的结果层由于其较低的表面自由能与碳基聚合物相比,这积累结果预防聚合物降解。1.1.6方法评价聚合物/粘土复合材料的可燃性 几种方法被用来评估纳米复合材料可燃性和热稳定性:热重量分析热重分析(TGA),是一个典型的方法来确定聚合物材料的热性能。方法测量样品质量随温度的变化,在N2气氛。结果是一个图形绘制与质量损失百分比作为温度的函数。退化的重要信息包括起始温度(10 wt %的聚合物),中点降解温度(50 wt %的聚合物),和炭材料的重量(通常非易失性材料的重量在600C)。 锥形量热仪锥形量热计(图1.6)已成为最重要的工具之一,研究高分子材料的阻燃。87年,热释放率。仪器是使用耗氧量构造的原则来确定热释放率。87年,它是一个小规模的测试,结果应用于大规模火灾情况。这种方法提供了以下重要信息在热释放率(HRR),尤其是其峰值(PHRR)、总释放热量(刺),质量损失率(近红外)及其平均值(AMLR),点火时间(tig)和平均灭绝特定区域(ASEA)这是一个衡量相关烟生产。用力推,理想情况下,减少PHRR AML