树枝形阻燃蒙脱土的制备及其在橡胶中的应用性能研究

【摘要】本文采用含磷元素的季鏻盐四羟甲基氯化磷（THPC）对钠基蒙脱土（Na-MMT）进行有机改性，并通过与含氮元素的中间体反应，原位合成不同代数的树枝形有机蒙脱土，然后用硼酸对树枝形有机蒙脱土的端羟基进行改性，使得最终合成的阻燃剂含有氮-磷-硼阻燃元素。最后考察其在天然橡胶（NR）、三元乙丙橡胶（EPDM）和室温硫化硅橡胶（RTV）中的阻燃性能和力学性能。本课题研究的具体内容如下四个方面：（1）采用不同pH条件下的THPC对Na-MMT进行插层，得到不同的有机蒙脱土，OMMT-1~OMMT-5，通过傅里叶红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）分析改性后的OMMT表面的基团及层间距变化，同时采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）、透射电子显微镜（TEM）和热失重分析（TGA）对插层效果和插层后的结构形态进行了表征。结果表明，OMMT-5在1471cm-1出现了P=O振动峰，说明THPC在酸性条件下（pH=1.46）才能对蒙脱土有效插层，层间距由1.43nm提高到1.58nm，热失重表明OMMT-1在250℃之前的残余量最高，SEM和TEM图片显示出插层型结构。（2）采用四因素三水平的正交试验方法，设计9组实验，考查THPC插层MMT的适宜条件，并以层间距变化为指标，得出最佳实验条件组合为：反应时间3h，反应温度80℃，丙酮与水的体积比1:1，THPC与Na-MMT中可交换阳离子的比例1:1。（3）采用以上最优实验条件对MMT进行插层，并采用所制备的AB2中间体在甲苯磺酸催化下与THPC逐代反应，制备出三代树枝形有机蒙脱土（DOMMT-1~-3），最后通过DOMMT-1~-3的端羟基与硼酸反应，制备出树枝形有机蒙脱土阻燃剂（DOMMT-B）。采用激光飞行质谱（MALDI-TOF-MS）、核磁共振（1H-NMR）、FT-IR、XRD、SEM、TGA和TEM对树枝形聚合物及不同代数的树枝形有机蒙脱土进行了结构表征、性能分析及形貌观察。结果表明，DOMMT-B的层间距为2.1nm，比MMT提高了47%，热稳定性能也得到了提高，T5%比DOMMT-1提高了13℃。（4）将DOMMT-B按照不同比例加入到NR、EPDM和RTV中，制备出阻燃复合材料。测试了复合材料的硫化曲线、拉伸强度、断裂伸长率、硬度、磨耗、热稳定性和阻燃性能。结果表明，对于NR复合材料，拉伸强度随着DOMMT-B加入量的增加而不断提高，20phr时最大，为23.2MPa，与空白NR相比提高了30%，此时复合材料的75mm等长燃烧时间也最大，为208s，与空白NR相比提高了64%。对于EPDM复合材料，拉伸强度先增后降，10phr时最高为4.2MPa，与空白NR相比提高了147%；加入5phr的DOMMT-B时，复合材料的75mm等长燃烧时间时最长，为370s，比空白EPDM提高了48%。对于RTV复合材料拉伸强度递减，加入15phr时的DOMMT-B时，拉伸强度最低为2.3MPa，比空白的RTV减少了32%，此时复合材料的燃烧距离和时间最短，分别为1mm、25s，燃烧速率比空白RTV降低了30%。
【作者】赵艺；
【导师】王锦成；
【作者基本信息】上海工程技术大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】蒙脱土；树枝形聚合物；阻燃；橡胶；

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