阻燃材料制备课程设计

阻燃材料制备课程设计总述阻燃材料制备是材料类专业本科阶段非常重要的一门实践课程，它把《高分子材料成型加工》《阻燃材料学》《材料表征方法》这些分散的专业课内容串联起来，让我们从纸上谈兵的理论学习，走到真正动手设计、制备、分析材料的全流程。我当年做这门课程设计的时候，一开始只是把它当成一个必须完成的教学任务，真正沉进去做才发现，哪怕是一个非常成熟的阻燃改性配方，实际操作里都藏着无数细节，一个参数调不对，最终性能就能差出一个等级。这次课程设计我们选定的方向是通用塑料聚丙烯的无卤膨胀型阻燃改性，这也是目前民用领域需求量最大的阻燃材料方向之一，整个过程从前期准备到最终结果分析，我们组三个人前后花了两周时间，踩了不少坑也收获了很多实实在在的经验，接下来就把整个设计过程完整梳理出来。1课程设计的前期准备做任何材料制备之前，准备工作做足了才能少走弯路，这是我们这次最大的体会之一，我们把前期准备分成了三个部分一步步推进。1.1设计目标的确定这次课程设计的要求是制备符合环保要求、能满足民用产品需求的阻燃塑料，我们结合当下的行业需求，把目标锁定在了家电外壳用阻燃聚丙烯上，具体可量化的设计目标定了三个：第一，环保要求，全体系不含卤系阻燃剂，符合当前国内外的环保标准；第二，阻燃性能要求，极限氧指数不低于30%，垂直燃烧达到V-0级，满足家电的安全标准；第三，力学性能与成本要求，拉伸强度保持率不低于基材的65%，改性后材料成本比纯聚丙烯上涨不超过30%，适合大规模工业化生产。定这个目标的时候我们还讨论过，要不要做更高端的工程塑料阻燃，后来想想，课程设计就是练基础，做通用塑料的改性更能锻炼我们对配方、工艺的把控能力，也更贴近实际生产。1.2文献调研与方案初选目标定好之后我们就开始查文献，现在无卤阻燃聚丙烯最成熟的体系就是膨胀型阻燃体系，经典的三组分是酸源聚磷酸铵（APP）、炭源季戊四醇（PER）、气源三聚氰胺（MEL），很多文献都验证过这个体系的可行性。但我们也发现了这个体系的普遍问题：直接添加小分子阻燃剂，和聚丙烯基体相容性差，添加量低了阻燃不达标，添加量高了力学性能掉得太厉害，还容易出现析出起霜的问题。后来我们看到不少文献提到加少量纳米蒙脱土作为协效剂，可以提升炭层的致密性，在不怎么影响力学性能的前提下提升阻燃效率，所以最终我们确定了方案：以聚丙烯为基体，用包覆改性聚磷酸铵的膨胀型三组分体系，搭配纳米蒙脱土协效，设置三个不同阻燃剂添加量的配方做对比，选出综合性能最优的方案。1.3实验原料与设备的提前核对方案定好之后，我们提前一周去实验室对接原料和设备，原料方面，聚丙烯用的是实验室常用的注塑级聚丙烯粒料，阻燃剂各个组分、纳米蒙脱土、抗氧剂都是现成的，只是提前把聚磷酸铵和季戊四醇拿出来预干燥了，因为聚磷酸铵吸湿性很强，如果带水加工，造粒的时候很容易出气孔，后续性能测试肯定不准。设备方面，我们需要用到双螺杆挤出机、切粒机、注塑机、氧指数测定仪、垂直燃烧箱、万能拉力机，提前和老师预约了使用时间，还跟着实验室的师兄检查了设备的状态，比如双螺杆的温度传感器准不准，注塑机的模具有没有损坏，之前听师兄说过，上一届有个组没提前检查，做的时候才发现氧指数仪的喷嘴堵了，耽误了整整两天时间，所以我们把能提前检查的细节都核对了一遍，避免掉这种低级坑。2阻燃材料的具体制备过程前期准备都理顺之后，我们就开始正式制备了，整个过程按照配料-混炼造粒-注塑样条的流程一步步走，每一步都记录了详细的参数和出现的问题。2.1配料的配方设计我们一共设计了四个样品，第一个是纯聚丙烯，作为空白对照，剩下三个样品的阻燃剂总添加量分别是20%、25%、30%（质量分数），所有含阻燃剂的配方里，聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺的质量比都是3:1:1，额外添加0.5%的纳米蒙脱土、0.2%的抗氧剂1010，抗氧剂这个东西一开始我都忘了加，还是老师提醒我们，聚丙烯加工温度在180℃左右，高温下很容易氧化降解，如果不加抗氧剂，加工完分子量掉一大截，力学性能直接废了，别看添加量只有0.2%，作用真的不小。配料的时候我们每一样都用电子天平准确称量，称完之后把所有原料放在高混机里混合三分钟，保证粉料混合均匀，避免局部阻燃剂太多或者太少，影响最终性能。2.2混炼造粒工艺混炼我们用的是同向双螺杆挤出机，挤出温度是分区设置的，从喂料口到机头，温度依次设置为160℃、170℃、180℃、185℃、190℃，机头温度定在了185℃，一开始我们把螺杆转速调到了200转每分钟，结果喂料速度跟不上，料走得太快，混炼不均匀，挤出的料条颜色都不均匀，后来我们把转速降到150转每分钟，喂料速度调到对应比例，就正常了。挤出的料条经过冷水槽冷却，然后用风机吹干表面的水，再送入切粒机切粒，切完的粒料我们立刻放进80℃的烘箱干燥4小时，彻底除去吸附的水分，这个过程说起来简单，实际操作的时候我们还出了个小意外，切粒机进料的时候卡了一下，我们三个人蹲在机器旁边弄了快半小时才把卡住的料清理出来，每个人手上都沾了满满的料屑，洗了三遍才洗干净，现在想想还挺好笑的。2.3标准样条的制备干燥好的粒料就可以注塑成标准样条了，不同的性能测试需要不同尺寸的样条，我们按照标准，制备了用于拉伸测试的I型哑铃样条，用于氧指数测试的120mm×6mm×3mm长条，还有用于垂直燃烧测试的标准样条，每一种性能都做了5个平行样，避免偶然误差影响结果。注塑的参数我们也是反复调过，喷嘴温度190℃，注塑段从后到前依次是170℃、180℃、185℃，注塑压力50bar，保压压力30bar，冷却时间15秒，一开始我们保压压力设低了，样条打出来缺料，废了好几个，调完压力之后就合格了，所有样条都放在干燥器里面保存，避免吸水影响测试。3性能测试与结果分析样条制备完成之后，我们就按照标准依次测试性能，整理结果之后分析，这一步才真正把理论和实际对应了起来。3.1力学性能测试分析我们用万能拉力机测试了四个样品的拉伸强度，结果很符合我们之前的预期：纯聚丙烯的拉伸强度大概是35MPa，添加20%阻燃剂之后，拉伸强度降到26MPa，保持率大概74%，符合我们一开始定的不低于65%的要求；添加25%阻燃剂之后，拉伸强度降到23MPa，保持率大概66%，刚好踩线达标；添加30%阻燃剂之后，拉伸强度降到20MPa，保持率只有57%，达不到要求。这个结果也让我们实实在在理解了填料对高分子基体力学性能的影响：阻燃剂都是极性的小分子或者无机填料，和非极性的聚丙烯相容性不好，添加量越多，应力集中越明显，力学性能下降就越多，课本上背了无数次的原理，自己亲手测出结果才真的记到脑子里，也明白了为什么行业里都在拼命研发高阻燃效率的阻燃剂，就是为了少加一点，保住材料的力学性能。3.2阻燃性能测试分析阻燃性能我们测了极限氧指数和垂直燃烧，结果也很清晰：纯聚丙烯的氧指数只有18%，一点就着，根本不阻燃；添加20%阻燃剂之后，氧指数升到28%，离我们要求的30%还差一点，垂直燃烧测试的时候，离火之后10多秒才熄灭，还会产生熔滴引燃下方的脱脂棉，达不到V-0级；添加25%阻燃剂之后，氧指数升到31%，刚好达标，垂直燃烧测试里，所有样条都是离火3秒内熄灭，没有熔滴，完全符合V-0级的要求；添加30%阻燃剂之后，氧指数升到34%，阻燃性能更好，但是力学性能不达标。我们分析了一下，纳米蒙脱土的协效作用确实明显，之前查文献的时候看到不加蒙脱土的话，25%添加量的氧指数一般只有29%，我们加了0.5%就升到了31%，就是因为蒙脱土可以在燃烧过程中促进形成更致密的连续炭层，更好地隔绝氧气和热量，协效作用真的不是课本上随便写写的。3.3工业化可行性分析我们也算过成本，现在纯聚丙烯的市场价大概是一万元一吨，膨胀型阻燃剂大概是一万八千元一吨，加上协效剂和加工成本，25%添加量的改性阻燃聚丙烯成本大概是一万二千二百元一吨，比纯聚丙烯上涨22%，符合我们一开始定的上涨不超过30%的要求，比同类卤系阻燃聚丙烯只贵了不到五百元一吨，但是符合无卤环保的要求，完全可以替代卤系产品用在家电、办公用品这些领域，工业化可行性还是很高的。4课程设计的问题反思与收获整个流程走下来，我们不光做出了符合要求的阻燃材料，也总结了很多问题，收获了很多课堂上学不到的东西。4.1制备过程中遇到的问题总结我们整个过程踩了好几个坑，最开始造粒的时候，因为预干燥时间不够，阻燃剂带了一点水，挤出的料条到处都是小气泡，后来我们重新干燥了一遍才解决；还有一开始我们把机头温度设到了200℃，结果温度太高，聚丙烯发生了明显降解，挤出的料太稀，分子量降了很多，做出来的样条力学性能差了快三分之一，后来我们把温度降下来才重新做出合格的料；还有一次切完粒我们没放在烘箱里，放在实验室开放空间放了一晚上，结果又吸了潮，注塑出来的样条表面全是银纹，直接废掉了，这些都是看起来很小的细节，不注意就能毁掉整个实验，真的给我上了很深的一课，做材料研发就是要抠细节，一点都马虎不得。4.2现有配方的改进方向我们做出来的配方虽然符合要求，但是还有可以改进的地方，最主要的问题就是小分子的季戊四醇还是容易析出，长期使用之后可能会出现表面起霜，阻燃性能下降，后续改进的话，可以用硅烷偶联剂对阻燃剂做表面改性，提升它和聚丙烯基体的相容性，或者用聚合型的成炭剂代替小分子季戊四醇，从根本上解决析出的问题；另外我们的阻燃剂添加量还是到了25%，后续可以找更好的协效剂，比如生物基的协效成分，把添加量降到20%以内，这样力学性能会更好，成本也能进一步降低。4.3课程设计的个人收获对我来说，这次课程设计最大的收获不是做出了一块合格的阻燃材料，而是真正明白了做材料研发是怎么一回事，之前在课堂上总觉得，不就是按配方混一混吗？真的自己动手才知道，每一个参数、每一步操作都能影响最终的结果，要平衡性能、成本、环保三个方面的要求，真的不是一件容易的事。整个过程我们三个人分工合作，遇到问题一起想办法解决，也锻炼了我们的协作能力，这些东西都是课本上学不到的，对我后来做毕业设计，甚至参加工作之后做研发，都有很大的影响。总结总的来说，阻燃材料制备课程设计是一门非常好的实践课程，它不是空洞的理论说教，也不是简单的动手操作，而是让我们完整走了一遍新材料开发的全流程，从定目标、找方案、做实验到分析结果、总结改进，每一步都能学到东西。对于我们材料专业的学生来说，这样的课程设计能帮我们把零散的专业知识串联起来，也能让我们提