PC/POSS复合材料凝聚相成炭机理研究

由于近年来重视阻燃材料的环保性能，对材料燃烧时的释热速率、生烟量及有毒和腐蚀产物生成量都有一定要求，推动着高分子材料的阻燃剂正向高效、低烟、低毒的方向发展。多面体低聚硅倍半氧烷（polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS)）兼有有机高分子材料的韧性、良好加工性和无机材料的高强度、耐高温等特点，常应用于聚合物体系中。POSS的加入可以降低热释放速率峰值（PHRR）、缩短点燃时间（TTI），POSS有利于聚合物燃烧后成炭、有助于在聚合物表面形成一层阻隔热、隔氧的SiO2保护层。但不同POSS化合物对聚碳酸酯（PC）成炭机理的影响而导致阻燃性有较大的差异。 本研究采用流变学的分析方法研究了PC/POSS复合物熔体的内部结构变化；使用热重-红外联用（TG-FTIR）和裂解-气相色谱/质谱联用仪（Py-GC/MS）等气相分析方法研究了PC/POSS复合物在热解和裂解过程中气体的产物对复合物高温交联变化，以及炭层形貌和结构的影响；使用锥形量热仪和扫描电镜等表征手段分析了凝聚相炭层的结构组成和炭层强度，研究它们在燃烧过程中对复合物阻燃效果的影响。 研究了PC/OPS复合物和PC/PPSQ复合物熔体的流变行为。当角频率≤0.1 rad/s时，PC/OPS和PC/PPSQ复合物的储能模量要高于PC，并随着OPS和PPSQ含量的增加，储能模量也逐渐增加，并且在OPS和PPSQ含量在6 wt% 以上时一个储能模量平台的出现；气相产物研究中，PC/OPS复合物和PC/DOPO-POSS复合物在热降解过程中都有明显的二氧化碳释放峰出现，PC/PPSQ复合物在460℃才有二氧化碳的吸收峰出现，PC/OPS，PC/PPSQ和PC/DOPO-POSS复合物在热降解过程中都检测到了Si-O-Si反对称伸缩振动峰， OPS和PPSQ裂解过程中释放了大量的苯和气相二氧化硅；DOPO-POSS的裂解过程中气相阻燃主要是裂解产生的DOPO在起作用；从燃烧性能上看，PC/PPSQ复合物大大降低了PC燃烧过程产生的热速率释放峰值、总的热释放和总的产烟量，在三种复合物中阻燃效果最好， PC/DOPO-POSS复合物的阻燃效果相对最差，炭层强度分析表明PC/PPSQ复合物内部炭层结构最致密、且分布均匀，为片状层叠的结构，没有气泡和孔洞出现。

前期工作中成功的合成了低成本、高产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基团的笼型低聚硅倍半氧烷（DOPO-POSS）三种POSS化合物，发现在阻燃聚碳酸酯（PC）时，燃烧时凝聚相炭层的结构及形貌来看也存在很大差别，但在熔融加工过程中均有使PC剪切变稀的现象。本项目通过研究这三种不同POSS化合物在PC燃烧过程中不同阶段形成的炭层结构及炭层表面温度的变化，炭层的物理形貌、炭层内、外的化学组成对PC凝聚相成炭的贡献；通过分析气相产物在炭层形成过程中的作用；研究PC/POSS化合物物燃烧过程中炭层的三维网络结构的形成对炭层强度的影响；将凝聚相炭层的形成机理与不同PC/POSS化合物阻燃性能关联起来，对新型阻燃剂的设计和阻燃机理的研究有一定的指导意义。

蒸发-凝聚传质机理是烧结中定量计算最简单的一种，它是了解复杂烧结过程的基础。

蒸发-凝聚传质机理是指在高温下蒸汽压较大系统内，材料进行烧结时的传质规律。