聚苯乙烯/磷酸锆纳米复合材料催化成炭阻燃机理的研究

本项目针对聚苯乙烯成炭性差的缺陷，利用磷酸锆的纳米尺寸效应、片层阻隔效应和固体酸催化成炭效应，设计并合成晶体结构均一、有机组分可调的新型层状磷酸锆，研究其组成、形貌、粒度及分布和界面特性；采用熔融插层等技术制备催化成炭阻燃聚苯乙烯/磷酸锆纳米复合材料，研究材料在热解和燃烧不同阶段、不同条件下的中间产物和最终炭化产物的结构，以及磷酸锆催化聚苯乙烯形成石墨、碳纳米管等特殊炭化产物的炭化历程；研究材料热解和燃烧后炭层的形貌、结构、组成与热物理性能。通过研究炭层结构与性质、复合材料微观结构以及材料燃烧特性间的内在关联性，揭示聚苯乙烯/磷酸锆纳米复合材料的催化成炭阻燃机理。本项目的实施不仅为优化设计环境友好的阻燃聚苯乙烯纳米复合材料提供实验依据，而且为新型阻燃技术及原理的发展奠定理论基础。

聚合物纳米复合材料是制备高性能、多功能新型材料的重要手段之一。本研究工作通过合成有机组分可调的alpha型磷酸锆，选择无卤、膨胀、含卤阻燃剂，采用熔融插层、溶液插层法制备聚苯乙烯、聚乙烯醇等阻燃纳米复合材料；通过热分析、红外光谱、锥形量热仪、微量燃烧量热仪、透射电镜、扫描电镜等研究材料在不同尺度下的燃烧特性和热解特性，以及材料热解和燃烧后炭层的形貌和结构；通过研究炭层结构与性质、复合材料微观结构以及材料燃烧特性间的内在关联性，分析聚苯乙烯/磷酸锆等纳米复合材料的催化成炭阻燃机理。结果表明由于alpha型磷酸锆独特的催化成炭效应，有助于促进聚合物在高温热解和燃烧过程中生成的不饱和双键发生交联和环化反应，提高材料成炭量并改善材料的阻燃性能；同时以阻燃聚苯乙烯等复合材料对火反应特性为基础，分别建立了以锥形量热仪和微量燃烧量热仪测试结果为依据的评价体系，为快速评价阻燃材料和优化复合材料的协同阻燃体系提供了依据。本项目的实施不仅为优化设计环境友好的阻燃聚苯乙烯等纳米复合材料提供实验依据，而且为新型阻燃技术及原理的发展奠定理论基础。