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膨胀型阻燃剂(IFR)燃烧过程中形成的膨胀炭层具有阻隔热量及氧气、抑烟和抑熔滴的效果,对聚丙烯(PP)的燃烧具有良好的抑制作用。但现有IFR体系发挥阻燃作用时,膨胀炭层的形成主要依赖IFR自身,且所形成炭层的强度及热稳定性较差,需添加较大量(≥25wt%)的IFR才能满足阻燃要求。近年来,催化成炭阻燃PP被认为是制备高性能无卤阻燃PP的有效途径,因为PP的炭化不仅能减少可燃气体的生成,还可以参与成炭从而提高膨胀炭层的质量。为了研制对PP具有突出催化成炭性能的IFR体系,本文首先合成了不同尺寸的层状纳米磷酸锆(ZrP),研究其尺寸大小与PP催化成炭阻燃能力之间的关系;在此基础上,通过分子设计合成了纳米磷酸锆修饰大分子成炭剂(ZrP-MCA),并与聚磷酸铵(APP)复配阻燃PP,探讨了其催化成炭阻燃机理;此外,采用具有自由基猝灭功能的N-烷氧基受阻胺(NOR)与ZrP-MCA/APP协同阻燃PP,并对其协同作用机理进行了深入研究。主要研究内容和结果包括:首先,以氧氯化锆和磷酸等为原料,通过回流法和水热法合成了不同尺寸的ZrP,利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等对其形貌和结构进行了表征。随后,将ZrP添加到PP中,研究其尺寸及用量对PP阻燃性能和热稳定性能的影响,并通过热重-红外联用(TG-FTIR)、扫描电镜-X射线能谱(SEM-EDX)和X射线光电子能谱(XPS)等方法探讨ZrP对PP的阻燃机理。结果表明,当添加2wt%直径为1400nm的ZrP时,PP/ZrP的极限氧指数(LOI)由纯PP的18.0%提高到19.5%,同时热释放速率峰值(PHRR)、平均热释放速率(AV-HRR)、总热释放量(THR)、生烟速率峰值(PSPR)和总生烟量(TSP)分别下降了27.0%、7.8%、5.3%、29.4%和9.8%,锥形量热测试最终残炭率由0提高到4.6wt%。此外,PP/ZrP的最大热失重速率温度(Tmax)较纯PP提高了4℃,最大热失重速率(Rmax)下降了12.8%,800℃的残炭率由0提高到了2.9wt%。机理研究显示,ZrP可通过其片层阻隔作用及催化PP成炭来发挥阻燃作用。其次,以ZrP、3-氨丙基三乙氧基硅烷、三聚氯氰和乙二胺等为原料合成了ZrP修饰大分子成炭剂(ZrP-MCA),利用SEM、FTIR、核磁共振碳谱(13C-NMR)和XRD等对其形貌和结构进行了表征。随后,将其与APP复配阻燃PP,并通过FTIR、TG-FTIR、SEM-EDX、XPS、XRD和拉曼光谱(LRS)等方法研究了ZrP-MCA/APP阻燃PP的作用机理。结果表明,ZrP-MCA/APP对PP具有优异的催化成炭阻燃作用,显著提高了PP的热稳定性能。当ZrP-MCA与APP的质量比为1:3,总用量为20wt%时,PP/IFR的LOI由纯PP的18.0%提高到32.5%,并通过UL-94 V-0级,同时PHRR、AV-HRR、THR和AV-MLR分别下降了81.3%、76.5%、56.1%和50.0%,锥形量热测试的最终残炭量由0提高到了28.3wt%。此外,PP/IFR的起始热分解温度(Ti)和Tmax相比于PP分别提高了13℃和22℃,Rmax下降了39.4%,800℃的残炭率由0提高到了13.9wt%。机理研究显示,ZrP首先催化MCA在其表面快速成炭而将膨胀炭层分隔成不计其数的―微纳炭笼结构‖,并进一步将其中的PP降解产物催化成炭,生成热稳定性能优越的石墨化炭,显著提高炭层的强度和阻隔性能。最后,以N-烷氧基受阻胺(NOR)作为IFR(即ZrP-MCA/APP)的阻燃协效剂,研究其对PP/IFR阻燃性能和热稳定性能的影响,并通过SEM-EDX、XPS、XRD和LRS等方法研究了NOR与IFR对PP的协同阻燃机理。研究结果显示,NOR可以进一步提高IFR对PP的催化成炭阻燃效率,并提高PP/IFR的热稳定性能。当IFR/NOR的总用量为20wt%,且NOR用量为0.2wt%时,PP/IFR/NOR的LOI可从PP/IFR的32.5%提高到36.0%,并通过UL-94 V-0级,同时PHRR、AV-HRR、THR、PSPR和TSP分别下降了78.5%、70.9%、50.8%、71.1%和51.7%,锥形量热测试最终残炭率由23.3wt%提高到了37.9%。此外,PP/IFR/NOR的Ti较PP/IFR提高了8℃,Rmax由19.4wt%/min下降到18.8wt%/min,800℃的残炭率由13.9wt%提高到了21.2wt%。机理研究揭示,NOR可通过其自由基猝灭作用抑制PP起始阶段的降解,并可在微纳炭笼中捕捉PP产生的大分子自由基,由ZrP催化生成结构有序的石墨化炭物质。