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以铁-蒙脱土和硼酸锌为协效剂与三聚氰胺聚磷酸盐共同阻燃玻璃纤维增强聚酰胺6
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摘要：本文提出了一个初步研究，经铁-蒙脱土(Fe-OMT)和硼酸锌(ZnB)有机改性的三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)阻燃玻璃纤维增强聚酰胺6(GFPA6)对其热降解行为和阻燃性能的影响。样品用极限氧指数(LOI)，UL-94测试，热重分析(TGA)，傅立叶变换红外加上热重分析仪(TG-FTIR)和微型燃烧量热仪(MCC)的测量值来表征。LOI测试后的残渣用扫描电子显微镜(SEM)，X射线光电子能谱(XPS)，傅里叶变换红外(FTIR)和拉曼光谱对其进行分析。改变三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)和硼酸锌(ZnB)或者硼酸锌(ZnB)的比例，可使玻璃纤维增强聚酰胺6(GFPA6)/三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)复合材料的UL-94等级从没有等级提高到V0等级，复合材料表现出良好的阻燃性能。基于这项研究，根据不同的阻燃机理给出了两种有效的阻燃剂。
关键词：玻璃纤维 高分子基复合材料 热性能 热分析
目录
摘要 1
1. 前言 1
2. 实验部分 2
2.1. 材料和样品的准备 3
2.2. 表征 3
3. 结果与讨论 3
3.1. LOI和UL-94等级 3
3.2.热降解行为 4
3.3 逸出气体的TG-FTIR分析 6
3.4. MCC测试 7
3.5. 残炭分析 8
4. 结论 10
致 谢 12
1. 前言
近年，世界普遍对无卤阻燃剂的关注越来越重视，被认为可能危害人类健康与环境，且与他们的卤素同类物质有关[1]。聚酰胺是重要的工程树脂，大量应用于制造纤维，薄膜和塑料。由于它在电气或电动行业广泛应用，因此要求大多数聚酰胺材料具有较高的阻燃性能[2]。
实践证明，三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)是一种广泛使用的无卤阻燃剂，即使不添加发泡配方中所需要的酸源或可碳化化合物，也能使聚酰胺6或聚酰胺66表现出高的阻燃性能[3]。在某些应用中，PA6常用玻璃纤维增强的聚酰胺6(GFPA6)替代，因为它具有更好的机械强度和热稳定性[4,5]。然而，GFPA6的阻燃比PA6的阻燃要困难。这是因为玻璃纤维的引入明显加快了燃烧，因此导致它很难自熄。这也称作玻璃纤维的“烛芯效应”。所以，无卤阻燃玻璃纤维增强聚酰胺6成为了全球挑战并吸引了很多尝试。总的来说，玻璃纤维增强酰胺6的阻燃剂用的最多的包括卤族，三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)，三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)，烷基亚磷酸的金属盐和其他磷系化合物或者这些化合物的组合[6-9]。尽管卤族的效率高，但它对人类的健康和环境可能有危害，卤代化合物的使用遭受到打击，并因此在大多数国家禁用。根据之前的报道，烷基亚磷酸的金属盐如二乙基亚磷酸铝在GFPA6载体中表现出良好的阻燃性能。然而它价格昂贵，相容性差使它不适合工业应用。
到目前为止，以有很多基于三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)对玻璃纤维增强酰胺6阻燃性能的研究，但是只有少数报道GFPA6，导致了MPP对玻璃纤维增强酰胺66的阻燃效果比MPP对玻璃纤维增强酰胺6好这一事实[3,10]。实践表明MPP与其他阻燃剂（例如：亚磷酸金属盐）或少量含金属的添加剂混合能非常有效的改变GFPA6。在某些研究中，当作为三聚氰胺聚磷酸盐阻燃玻璃纤维增强聚酰胺6的协效剂时，一些固体酸表现出很好的阻燃效果[7]。结果表明，添加少量的固体酸可以增加焦炭的形成和焦炭的质量，因此提高了阻燃性能。然而，很遗憾的是因为固体酸具有酸性，需经过改性来减少它对PA6的降解副作用[7]。硼酸锌的作用是作为一种阻燃剂，抑烟剂，余晖抑制剂等等，它已经被广泛应用与阻燃高分子，特别是卤素高分子体系[11]。研究表明硼酸锌与某些膨胀型阻燃体系组合使用可以增加焦炭的形成和提高焦炭的质量，从而提高阻燃性能[12]。同时，已有报道含铁化合物如氧化铁(Fe2O3, Fe3O4)作为一些阻燃聚酰胺，含卤高聚物和聚氧化二甲苯(PPO)的高效协效剂[13-15]。然而，大多数铁化合物都是商业染料并且被深度染色。涉及到阻燃机理时，发表的文章比较少。根据一项研究，Fe2O3可以改善红磷阻燃PA6中焦炭的形态（更少的穿孔，更多的褶皱）[16]。
在我们前面的研究中，自制有机改性的铁-蒙脱土(Fe-OMT)并将其引入高聚物载体中[17]。在这中情况下观察到了良好的阻燃性。此外，乙烯-醋酸乙烯共聚物中的Fe-OMT/氢氧化镁体系和Fe-OMT/硅橡胶在阻燃性能和热稳定性方面表现出协同作用[18,19]。在这项研究中，我们试图寻找一种新的有效的三聚氰胺聚磷酸盐阻燃玻璃纤维增强聚酰胺6的协效剂，并在以MPP为阻燃剂的基础上研究了阻燃的机理。基于以上与其他协效剂的比较，因此本研究以硼酸锌和经有机改性的铁-蒙脱土作为添加剂。重点研究了这两种添加剂对玻璃纤维增强聚酰胺6的热性能，可燃性和焦炭形态的影响。