PC/POSS復合材料凝聚相成炭機理研究

由于近年來重視阻燃材料的環(huán)保性能，對材料燃燒時的釋熱速率、生煙量及有毒和腐蝕產物生成量都有一定要求，推動著高分子材料的阻燃劑正向高效、低煙、低毒的方向發(fā)展。多面體低聚硅倍半氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS)）兼有有機高分子材料的韌性、良好加工性和無機材料的高強度、耐高溫等特點，常應用于聚合物體系中。POSS的加入可以降低熱釋放速率峰值（PHRR）、縮短點燃時間（TTI），POSS有利于聚合物燃燒后成炭、有助于在聚合物表面形成一層阻隔熱、隔氧的SiO2保護層。但不同POSS化合物對聚碳酸酯（PC）成炭機理的影響而導致阻燃性有較大的差異。 本研究采用流變學的分析方法研究了PC/POSS復合物熔體的內部結構變化；使用熱重-紅外聯(lián)用（TG-FTIR）和裂解-氣相色譜/質譜聯(lián)用儀（Py-GC/MS）等氣相分析方法研究了PC/POSS復合物在熱解和裂解過程中氣體的產物對復合物高溫交聯(lián)變化，以及炭層形貌和結構的影響；使用錐形量熱儀和掃描電鏡等表征手段分析了凝聚相炭層的結構組成和炭層強度，研究它們在燃燒過程中對復合物阻燃效果的影響。 研究了PC/OPS復合物和PC/PPSQ復合物熔體的流變行為。當角頻率≤0.1 rad/s時，PC/OPS和PC/PPSQ復合物的儲能模量要高于PC，并隨著OPS和PPSQ含量的增加，儲能模量也逐漸增加，并且在OPS和PPSQ含量在6 wt% 以上時一個儲能模量平臺的出現(xiàn)；氣相產物研究中，PC/OPS復合物和PC/DOPO-POSS復合物在熱降解過程中都有明顯的二氧化碳釋放峰出現(xiàn)，PC/PPSQ復合物在460℃才有二氧化碳的吸收峰出現(xiàn)，PC/OPS，PC/PPSQ和PC/DOPO-POSS復合物在熱降解過程中都檢測到了Si-O-Si反對稱伸縮振動峰， OPS和PPSQ裂解過程中釋放了大量的苯和氣相二氧化硅；DOPO-POSS的裂解過程中氣相阻燃主要是裂解產生的DOPO在起作用；從燃燒性能上看，PC/PPSQ復合物大大降低了PC燃燒過程產生的熱速率釋放峰值、總的熱釋放和總的產煙量，在三種復合物中阻燃效果最好， PC/DOPO-POSS復合物的阻燃效果相對最差，炭層強度分析表明PC/PPSQ復合物內部炭層結構最致密、且分布均勻，為片狀層疊的結構，沒有氣泡和孔洞出現(xiàn)。

前期工作中成功的合成了低成本、高產率的八苯基硅倍半氧烷（OPS）、梯形聚苯基硅倍半氧（PPSQ）和含有DOPO基團的籠型低聚硅倍半氧烷（DOPO-POSS）三種POSS化合物，發(fā)現(xiàn)在阻燃聚碳酸酯（PC）時，燃燒時凝聚相炭層的結構及形貌來看也存在很大差別，但在熔融加工過程中均有使PC剪切變稀的現(xiàn)象。本項目通過研究這三種不同POSS化合物在PC燃燒過程中不同階段形成的炭層結構及炭層表面溫度的變化，炭層的物理形貌、炭層內、外的化學組成對PC凝聚相成炭的貢獻；通過分析氣相產物在炭層形成過程中的作用；研究PC/POSS化合物物燃燒過程中炭層的三維網絡結構的形成對炭層強度的影響；將凝聚相炭層的形成機理與不同PC/POSS化合物阻燃性能關聯(lián)起來，對新型阻燃劑的設計和阻燃機理的研究有一定的指導意義。

蒸發(fā)-凝聚傳質機理是燒結中定量計算最簡單的一種，它是了解復雜燒結過程的基礎。

蒸發(fā)-凝聚傳質機理是指在高溫下蒸汽壓較大系統(tǒng)內，材料進行燒結時的傳質規(guī)律。