废芳纶蜂窝材料在阻燃高分子中的应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：膨胀阻燃技术起源于20世纪30年代的防火涂料。膨胀型阻燃剂(IFR)按作用机理不同，可分为化学膨胀型阻燃剂和物理膨胀型阻燃剂。其中，化学膨胀型阻燃剂主要成分是氮-磷，物理膨胀型阻燃剂则以膨胀型石墨（EG）为主。目前使用的大多为化学膨胀型阻燃剂。化学膨胀型阻燃剂一般是以P、N、C元素为核心成分的复合阻燃剂。通常由碳源（成炭剂）、酸源（脱水剂）和气源（膨胀剂）三部分组成。传统的IFR通常由聚磷酸铵（APP）作为酸源、季戊四醇（PER）作为碳源、三聚氰胺(MA)作为气源组成，其作用机理是：IFR在受热时，成炭剂在脱水剂作用下，生成酯类化合物；随后酯类化合物脱水交联形成炭，碳化物在膨胀剂分解气体的作用下，形成蓬松封闭发泡结构的炭层，阻止聚合物与热源间的热传导和气体扩散。季戊四醇具有易迁移性、热稳定性差、耐水性差、与基体相容性差等缺点，因此，目前IFR的研究主要集中在新型成炭剂的开发上。三嗪类衍生物为主的成炭剂因其环境友好、对材料力学性能影响小、阻燃性能优良成为目前IFR研究的重点。

芳纶全称为"聚苯二甲酰苯二胺"，英文为Aramid fiber（帝人芳纶的商品名为Twaron； 杜邦公司的商品名为Kevlar），是一种新型高科技合成纤维。芳纶蜂窝材料是由高性能对位或间位芳纶纸浸渍热固性酚醛树脂而制成，具有重量轻，有足够高的压缩、剪切强度和良好的疲劳强度、阻燃、介电性能和透电磁波等性能，成本较高，主要用于航空航天领域，常被用于制作各种壁板、翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、尾喷管、消音板、隔热板、卫星星体外壳等。其中，间位芳纶具有优异的阻燃、耐热性能，极限氧指数(LOI)大于28%，当温度大于370℃时开始炭化。对位芳纶的耐温性能要高于间位芳纶，在560℃高温下不分解、不熔化。由此可知，芳纶可作为潜在的阻燃成炭剂。如果将芳纶用于PP、PU等聚合物阻燃、增强添加剂，将提高聚合物性能。

研究目的与意义：生产芳纶蜂窝过程中产生的大量废芳纶材料主要成分为芳纶纤维与热固型酚醛树脂，用传统的焚烧方法难以处理。芳纶蜂窝废弃物造成资源浪费，本课题研究将废弃芳纶蜂窝粉碎后用于高分子阻燃、增强添加剂，实现废弃物再利用。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

1.分析芳纶蜂窝材料组成、结构；

3. 研究的方法与步骤

1 分析芳纶蜂窝材料组成、结构

1.1 主要分析对象

苏州芳磊蜂窝复合材料有限公司提供的废弃芳纶蜂窝材料。

1.2 分析仪器

扫描电子显微镜、红外光谱分析仪、元素分析仪、热重分析仪等。

1.3 分析方法

因废弃蜂窝材料的加工原料与加工过程的影响，蜂窝材料内部是芳纶纸芯，外部是浸润的热固性树脂，所以芳纶蜂窝材料是典型的混合物。首先，使用电子扫描显微镜对未粉碎芳纶蜂窝表面与横截面进行扫描分析，初步了解材料结构。然后使用红外光谱分析仪进行化学结构分析，用元素分析仪分析材料元素组成。用热重分析仪分析芳纶的热稳定性。

2 芳纶蜂窝粉碎方法研究

首先将芳纶蜂窝连接处拆除，得到单层浸胶芳纶纸。单层浸胶芳纶纸剪碎成1 cm²方形状，最后使用粉碎机进行粉碎。

3 阻燃产品成型技术研究

3.1 实验原料与实验仪器

聚丙烯、聚氨酯、粉末状蜂窝材料、偶联剂KH-550、膨胀阻燃剂（IFR）、聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH），EPDM-g-MAH，无水乙醇

双螺杆挤出机，机械搅拌器，抽滤装置，烘箱

3.2 实验过程（阻燃产品挤出成型）

3.2.1聚丙烯阻燃产品挤出成型

硅烷偶联剂KH-550对粉碎芳纶蜂窝材料及膨胀阻燃剂(IFR)进行表面处理，采用聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）为相容剂，利用PP-g-MAH分子链中的马来酸酐与芳纶纸分子链中的氨基反应形成增容剂。阻燃复合材料基本配方如表1，PP、IFR、PP-g-MAH的质量比为60:30:10，芳纶占PP/IFR材料的质量比为0%，3%，5%，7%，10%

表1 阻燃PP复合材料配方

阻燃复合材料的制备工艺：先将硅烷偶联剂KH-550（硅烷用量占混合物总质量的2%）溶于适量乙醇中，再按照表1中配方将蜂窝粉碎材料和IFR加入到上述溶液中，机械搅拌3 h（转速为500 r/min）后，经抽滤80 ℃烘箱干燥3 h，所得产物。再与事先称量好的PP和PP-g-MAH置于密炼机中，在190 ℃，100 r/min条件下密炼10 min。密炼完毕后，加入到双螺杆挤出机中挤出，加料段温度180 ℃，压缩段温度220 ℃。挤出完毕得到挤出产物。

3.2.2聚氨酯阻燃产品挤出成型

硅烷偶联剂KH-550对粉碎芳纶蜂窝材料及膨胀阻燃剂(IFR)进行表面处理，选取EDMP-g-MAH作为相容剂，利用EPDM-g-MAH分子链中的马来酸酐与芳纶纸分子链中的氨基反应形成增溶剂。阻燃复合材料基本配方如表二，PP、IFR、EPDM-g-MAH的质量比为60:30:10，粉碎蜂窝材料占PP/IFR材料的质量比为0%，3%，5%，7%，10%

表2 阻燃PU复合材料配方

阻燃复合材料的制备工艺：先将硅烷偶联剂KH-550（硅烷用量占混合物总质量的2%）溶于适量乙醇中，再按照表一中配方将蜂窝粉碎材料和IFR加入到上述溶液中，机械搅拌3h（转速为500 r/min）后，经抽滤80 ℃烘箱干燥3 h，所得产物与事先称量好的PP和EPDM-g-MAH置于密炼机中，在210 ℃，100 r/min条件下密炼10 min。密炼完毕后，加入到双螺杆挤出机中进行基础操作，加料段温度200 ℃，压缩段温度230 ℃。挤出完毕得到挤出产物。

4 芳纶蜂窝材料在聚丙烯、聚氨酯中的阻燃增强应用研究

4.1 实验材料与仪器

用氧指数测定仪、垂直燃烧测定仪、锥形量热仪、测力机等。

挤出得到改性聚丙烯、改性聚氨酯，挤出得到的未改性的聚丙烯、聚氨酯。

4.2 实验步骤

取不同组份的改性聚丙烯、改性聚氨酯少量试样，另取等量同等条件下挤出的未改性的聚丙烯、聚氨酯。

4.2.1 极限氧指数的测定（LOI）

使用氧指数测定仪分别测定不同组份已改性的聚丙烯、聚氨酯的极限氧指数。在同样实验条件下对未改性的聚丙烯、聚氨酯进行极限氧指数测定。得到不同组份改性材料的LOI与未改性材料的LOI数值，对不同数据进行比较，得到对PP、PU极限氧指数提升最大的芳纶掺杂比例，并将LOI最大值与未改性材料的LOI数值进行比较。

4.2.2 垂直燃烧等级的测定

使用垂直燃烧测定仪分别测定不同组份已改性的聚丙烯、聚氨酯的垂直燃烧等级，在同样实验条件下对未改性的聚丙烯、聚氨酯进行垂直燃烧等级测定。得到不同组份改性材料的燃烧等级与未改性材料的燃烧等级，对不同数据进行比较，得到对PP、PU垂直燃烧等级提升最大的芳纶掺杂比例，并将最高垂直燃烧等级与未改性材料的垂直燃烧等级进行比较。

4.2.3 热量释放速率的测定

使用锥形量热仪分别测定不同组份已改性的聚丙烯、聚氨酯的热量释放速率，在同样实验条件下对未改性的聚丙烯、聚氨酯进行热量释放速率的测定。得到不同组份改性材料的热释放速率与未改性材料的热释放速率，对不同数据进行比较，得到使PP、PU热释放速率下降最大的芳纶掺杂比例，并将最高垂直燃烧等级与未改性材料的垂直燃烧等级进行比较。

4.2.4 改性材料的力学性能测试

使用测力机分别测定不同组份已改性的聚丙烯、聚氨酯的拉伸强度与缺口冲击强度，在同样实验条件下对未改性的聚丙烯、聚氨酯进行拉伸强度与缺口冲击强度的测定。得到不同组份改性材料与未改性材料的拉伸强度、缺口冲击强度，对不同数据进行比较，得到不同芳纶掺杂比例对PP、PU拉伸强度与缺口冲击强度的影响，并将与未改性材料的拉伸强度与缺口冲击强度进行比较。

4. 参考文献

[1]芳纶蜂窝纤维纸及其制备方法[j].高科技纤维与应用,2017,42(01):67.

[2]宿凯,王德志,曲春艳,张杨,冯浩,李洪峰.一种高性能芳纶纸蜂窝节点胶黏剂的研制[j].化学与黏合,2017,39(01):20-22 50.

[3]刘杰,罗玉清,纪双英,王萌.酚醛树脂分布对芳纶纸蜂窝力学性能的影响[j].宇航材料工艺,2016,46(02):26-30.

5. 计划与进度安排

（1）2022-2022-1学期17-20周~2022-2022-2学期第3周~第4周（2022-12-25~2022-3-10），查阅资料，准备开题报告，外文论文翻译；

（2）第5周~第8周（2022-3-10~4-20），分析芳纶蜂窝材料组成、结构；

（3）第9周~第13周（2022-4-23~5-25），芳纶蜂窝材料粉碎工艺研究；芳纶蜂窝材料在聚丙烯、聚氨酯中的阻燃增强应用研究；；