PC/POSS復合材料凝聚相成炭機理研究項目摘要

前期工作中成功的合成了低成本、高產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及炭層表面溫度的變化，炭層的物理形貌、炭層內(nèi)、外的化學組成對PC凝聚相成炭的貢獻；通過分析氣相產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)起來，對新型阻燃劑的設(shè)計和阻燃機理的研究有一定的指導意義。

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(chǎn)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(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；使用熱重-紅外聯(lián)用（TG-FTIR）和裂解-氣相色譜/質(zhì)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(chǎn)物對復合物高溫交聯(lián)變化，以及炭層形貌和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的熱速率釋放峰值、總的熱釋放和總的產(chǎn)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(nèi)部炭層結(jié)構(gòu)最致密、且分布均勻，為片狀層疊的結(jié)構(gòu)，沒有氣泡和孔洞出現(xiàn)。

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

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