專利名稱：泡沫炭層表觀強度的表征方法
技術領域：
本發明涉及膨脹型阻燃材料，特別涉及一種膨脹型阻燃材料的泡沫炭層表觀強度的表征方法。
背景技術：
材料是現代科學和社會發展的支柱，而高分子材料更是具有許多其他材料不可比擬的性能。但是無論天然高分子材料，還是人工合成高分子材料，大多數都屬于易燃、可燃材料，一旦燃燒，燃燒速度快，不易熄滅。近十幾年來世界上發生的火災，相當一部分因高分子材料而起。而將高分子材料阻燃改 性正是預防火災發生、延緩火災蔓延、減少火災損失的
重要措施之一。進入21世紀以來，全球對阻燃產品的要求越來越嚴，其相關標準和法規也越來越豐富和完善，尤其是對阻燃劑高效、低毒、少煙的追求，人們對無鹵阻燃的研究日益重視。為了迎合當今保護生態環境的時代要求，膨脹型阻燃劑因其獨特的阻燃機制，低煙、低毒、添加量相對其他無鹵阻燃劑低等優點，成為了各種阻燃樹脂研究的重點。膨脹型阻燃技術起源于20世紀30年代，Tramm于1938年提出的第一篇關于膨脹型防火涂料的專利(US，2106938)，該防火型涂料由磷酸氫二銨、雙氰胺、甲醛樹脂組成。膨脹型阻燃劑能在聚合物燃燒過程中產生氣體和炭層，而氣體能夠吹脹炭層，炭層冷卻后包覆聚合物，阻止氧氣進入從而中斷燃燒。其中炭層有的來自于基體樹脂的分解(炭化的殘留物和煙的固定)，有的來自于阻燃劑的分解(酸源受熱分解，并催化炭源形成炭層)。可以看到，在膨脹型阻燃體系中，炭層至關重要。目前國內外學者對膨脹阻燃體系研究比較廣泛，并且許多文獻都報道了炭層的優劣對阻燃性能有較大的影響[1-5]。如J. E. J. Stags提出過炭層強度取決于其多孔結構；Cevdet Kaynak等研究了納米蒙脫土對環氧樹脂炭層結構的影響，以及其對阻隔氧氣的聯系；Fabienne Samyn等討論了聚合物納米復合材料其納米形態對炭層結構與阻燃的影響；Takashi Kashiwagi等在解釋阻燃性能變化時關注到了炭層產生的裂紋；Zhenyu Wang等提出了添加劑使炭層產生的互穿網絡結構其更小的孔徑和更厚的孔層能改善阻燃性能。因此，對泡沫炭層性質的表征變得越來越重要。但是由于膨脹型阻燃材料形成的炭層質地是無定形的，形狀是不規則的，呈泡沫狀且極易破碎，因而始終沒有較好的手段來表征炭層優劣。有文獻雖然在其研究中進行了炭層強度的表征，但所用壓力法存在諸多缺陷[6]，如炭層形狀多變，局部會應力集中導致炭層破碎，與下壓裝置接觸面不一，質量難以控制等問題，導致壓力測量結果偶然性大，重復性差，用其測量結果來討論問題顯然有待商榷。參考文獻_[I]J. E. J. Staggs. Heat and mass transport in developing chars[J]. PolymerDegradation and Stability. 2003，82 :297-307
[2]Cevdet Kaynak, etal. Mechanical properties, flammability and charmorphology of epoxy resin/montmoriIIonite nanocomposites[J]. Applied ClayScience. 2009,46 :319-324[3]Fabienne Samyn,etal. Fire retardancy of polymer clay nanocomposites Is there an influence of the nanomorphology [J]. Polymer Degradation andStability. 2008. 93 :2019-2024[4]Takashi Kashiwagi, etal. Enhancement of char formation of polymernanocomposites using a catalyst[J]. Polymer Degradation and Stability. 2009,94 2028-2035[5]Zhenyu Wang, etal. Influence of nano-LDHs on char formation andfire-resistant properties of flame-retardant coating[J]. Progress in OrganicCoatings. 2005, 53 :29-37[6]The Investigation of melamine Polyphosphate Flame RetardantPolyamide-6/Inorganic Siliciferous Filler with Different Geometrical Form[J]. JAppl Polym Sci. 2009，113 :2046-2051[7]Alberto Casiro-Muflizi etal. A study of the surface morphology ofpoly (p-phenylene terephthalamide). Polymer Degradation and Stability. 2010,95 702-70
發明內容
本發明的目的，在于克服現有技術存在的上述問題，提供一種泡沫炭層表觀強度的表征方法。本發明的目的是這樣實現的一種泡沫炭層表觀強度的表征方法，是在常用的材料壓縮測試儀器下壓裝置的下表面居中加裝或替換一個探頭，選擇泡沫炭層表面的不同位置進行測試，根據測試得到的壓力計算該處泡沫炭層表面所能承受的壓強，并計算多次測量的平均壓強，用該平均壓強表征泡沫炭層的表觀強度。所述的探頭為高長徑比的柱體，底面為平面，長度L為0. 5-5cm,底面積S為1-30_2。如果探頭長度不夠，會導致下壓過程探頭底座有可能接觸到不規則炭層的突出部位，長度過長會導致探頭容易彎曲；底面積S太大會導致炭層承壓面積太大，產生與未改裝前類似的不穩定問題，S太小會導致炭層在極小壓力下被刺穿，儀器對壓力的測量精度不夠。測量簡單炭層，往往強度中等，選用較小的S可以保證其準確性；添加無機礦物的復雜炭層強度很大，應選用稍大的S來避免顆粒團聚可能產生的偏差以及整體強度過大導致探頭彎曲；添加脂類或N、P化合物等非剛性填料的復雜炭層也應選擇稍大的S，因為這些炭層往往表面較為平整，但強度很低，S太小會使儀器對壓力的測量精度不夠；形狀奇特的炭層需要用較長的L。改裝方法的示意圖見圖1，改裝頭3D模型見圖2，炭層典型壓縮曲線如圖3所示。圖3中，A為原數據，smoothed A為經平滑的數據。原數據縱坐標為壓力，單位為N，作圖時已將壓力改為壓強，單位IO3Pa,橫坐標為壓縮長度。所述的測試的具體做法是，放置泡沫炭層使探頭正對炭層的一個較平坦處，觀察壓力曲線，記錄該處泡沫炭層破碎時的突變壓力值F，根據壓強P =壓力F/探頭的底面積S計算該處所能承受的壓強。所述的泡沫炭層是指膨脹型阻燃材料經過燃燒過程后，殘留的不規則無定形的泡沫炭層。其中的燃燒過程包括垂直燃燒測試、氧指數測試或錐形量熱儀測試。膨脹型阻燃材料產生的炭層是呈泡沫狀的，疏松且極易破碎，不規則的形狀往往導致對其整體的承受壓力測試時局部應力過大而破裂，測試結果極不準確；并且由于燃燒測試溫度往往低于1000°C，因此所形成炭層石墨化程度低，屬于無定形炭，各向同性使得其表面所能承受的壓強較為一致。因此用壓強法來表征炭層可行性較高。尤其是對于最常用、最簡便，但標準樣條較細，燃燒之后炭層最為不均勻的氧指數測試，使用壓強法可以極大地方便研究人員，不僅成本低，制樣簡便，而且保證了炭層強度測試的準確性和重復性。
所述的泡沫炭層包括簡單炭層或復雜炭層，簡單炭層的碳元素含量大于90% ;復雜炭層的碳元素含量< 90%，其余為各種無機物和/或有機物殘留。因此復雜炭層的強度實際上是表觀炭層的強度。無機物和有機物的殘留在一定程度上會影響炭層的強度，許多文獻報道了對膨脹阻燃體系所加的協效劑改變了炭層性質，從而改變了阻燃性能，因此對復雜炭層的強度表征也很有必要。經過多次試驗，只要阻燃材料其協效劑的分散較均勻，所產生的炭層強度也較為統一，所測得數據重復性非常高。所述的材料壓縮測試儀器的測量精度為彡O. IN。如HY-0230微機控制電子萬能材料試驗機。由于本發明測量壓強需要用面積較小的探頭，而疏松的泡沫炭層所能承受的壓強不會太大，這就導致較小的壓力就能刺破炭層，如果測量精度不夠將導致實驗數據的不準確。本發明的泡沫炭層表觀強度的表征方法由壓力法改為壓強法，即通過在原有材料壓縮測試儀器下壓裝置的下表面居中加裝或替換一個探頭，能將壓縮測試的接觸面積縮小到不受炭層形狀的影響，因而本發明與原有表征方法相比，其測量結果準確度和重復性顯著提高，可為膨脹型阻燃材料的研究提高可靠的分析手段。
圖I為經過改裝的材料壓縮測試儀器與改裝前后對比示意圖；圖2為改裝頭的3D模型圖；圖3為炭層典型壓縮曲線。
具體實施例方式本發明的泡沫炭層表觀強度的表征方法，是在常用的材料壓縮測試儀器的下壓裝置下表面居中加裝或替換一個探頭，選擇泡沫炭層表面的不同位置進行測試，根據測試得到的壓力計算該處泡沫炭層表面所能承受的壓強，并計算多次測量的平均壓強，用該平均壓強表征泡沫炭層的表觀強度。下面通過實施例進一步說明本發明的表征方法。但下列實施例不以任何方式限制本發明的保護范圍。氧指數測試(以下簡稱LOI測試)最簡單易行、成本低廉，其炭層最易獲得，方便多次測量，且形狀最為復雜多變，可以更清楚地理解壓力法和壓強法的優劣，因而以下實施例都采用氧指數測試后的樣品。壓力法和壓強法都在萬能材料測試機上測試，采用5mm/min的下壓速率，多次測量計算平均值和標準差。由于壓力法和壓強法單位不同，直接用標準差無法直觀地比較數據的穩定性，因而用離散系數(標準差/平均值)進行比較，其測試結果見表1-4。實施例I采用聚磷酸銨/季戊四醇/聚丙烯的阻燃材料組合物，其中阻燃劑占25% (阻燃劑為聚磷酸銨和季戊四醇，聚磷酸銨/季戊四醇分別為1 1、1.5 1、2 1、3 I、4 I)，收集LOI測試之后產生的炭層(簡單炭層)較完整的若干分別采用壓力法和壓強法進行強度測試，其中壓強法采用的探頭的S = 3. 14mm2,L = Icm0壓力法測試結果如表I所示，壓強法測試結果如表2所示。表I
權利要求
1.一種泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于在常用的材料壓縮測試儀器下壓裝置的下表面居中加裝或替換一個探頭，選擇泡沫炭層表面的不同位置進行測試，根據測試得到的壓力計算該處泡沫炭層表面所能承受的壓強，并計算多次測量的平均壓強，用該平均壓強表征泡沫炭層的表觀強度。
2.如權利要求I所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的探頭為高長徑比的柱體，底面為平面，長度L為0. 5-5cm，底面積S為l_30mm2。
3.如權利要求I所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的測試的具體做法是，放置泡沫炭層使探頭正對炭層的一個較平坦處，觀察壓力曲線，記錄該處泡沫炭層破碎時的突變壓力值F，根據壓強P =壓力F/探頭的底面積S計算該處所能承受的壓強。
4.如權利要求I所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的泡沫炭層是指膨脹型阻燃材料經過燃燒過程后，殘留的不規則無定形的泡沫炭層。
5.如權利要求4所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的燃燒過程包括垂直燃燒測試、氧指數測試或錐形量熱儀測試。
6.如權利要求I所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的泡沫炭層包括簡單炭層或復雜炭層，簡單炭層的碳元素含量大于90% ;復雜炭層的碳元素含量(90%，其余為各種無機物和/或有機物殘留。
7.如權利要求I所述的泡沫炭層表觀強度的表征方法，其特征在于所述的材料壓縮測試儀器的測量精度為< 0. IN。
全文摘要
一種泡沫炭層表觀強度的表征方法，是在常用的材料壓縮測試儀器的下壓裝置下表面居中加裝或替換一個探頭，選擇泡沫炭層表面的不同位置進行測試，根據測試得到的壓力計算該處泡沫炭層表面所能承受的壓強，并計算多次測量的平均壓強，用該平均壓強表征泡沫炭層的表觀強度。本發明的表征方法由壓力法改為壓強法，即通過在原有材料壓縮測試儀器的下壓裝置下表面居中加裝或替換一個探頭，能將壓縮測試的接觸面積縮小到不受炭層形狀的影響，因而本發明與原有表征方法相比，其測量結果準確度和重復性顯著提高，可為膨脹型阻燃材料的研究提高可靠的分析手段。
文檔編號G01N3/08GK102768154SQ20121028271
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者危大福, 夏寅, 李書召, 李娜, 毛縱文, 王良, 管涌, 鄭安吶 申請人:華東理工大學