专利名称：泡沫炭层表观强度的表征方法
技术领域：
本发明涉及膨胀型阻燃材料，特别涉及一种膨胀型阻燃材料的泡沫炭层表观强度的表征方法。
背景技术：
材料是现代科学和社会发展的支柱，而高分子材料更是具有许多其他材料不可比拟的性能。但是无论天然高分子材料，还是人工合成高分子材料，大多数都属于易燃、可燃材料，一旦燃烧，燃烧速度快，不易熄灭。近十几年来世界上发生的火灾，相当一部分因高分子材料而起。而将高分子材料阻燃改 性正是预防火灾发生、延缓火灾蔓延、减少火灾损失的
重要措施之一。进入21世纪以来，全球对阻燃产品的要求越来越严，其相关标准和法规也越来越丰富和完善，尤其是对阻燃剂高效、低毒、少烟的追求，人们对无卤阻燃的研究日益重视。为了迎合当今保护生态环境的时代要求，膨胀型阻燃剂因其独特的阻燃机制，低烟、低毒、添加量相对其他无卤阻燃剂低等优点，成为了各种阻燃树脂研究的重点。膨胀型阻燃技术起源于20世纪30年代，Tramm于1938年提出的第一篇关于膨胀型防火涂料的专利(US，2106938)，该防火型涂料由磷酸氢二铵、双氰胺、甲醛树脂组成。膨胀型阻燃剂能在聚合物燃烧过程中产生气体和炭层，而气体能够吹胀炭层，炭层冷却后包覆聚合物，阻止氧气进入从而中断燃烧。其中炭层有的来自于基体树脂的分解(炭化的残留物和烟的固定)，有的来自于阻燃剂的分解(酸源受热分解，并催化炭源形成炭层)。可以看到，在膨胀型阻燃体系中，炭层至关重要。目前国内外学者对膨胀阻燃体系研究比较广泛，并且许多文献都报道了炭层的优劣对阻燃性能有较大的影响[1-5]。如J. E. J. Stags提出过炭层强度取决于其多孔结构；Cevdet Kaynak等研究了纳米蒙脱土对环氧树脂炭层结构的影响，以及其对阻隔氧气的联系；Fabienne Samyn等讨论了聚合物纳米复合材料其纳米形态对炭层结构与阻燃的影响；Takashi Kashiwagi等在解释阻燃性能变化时关注到了炭层产生的裂纹；Zhenyu Wang等提出了添加剂使炭层产生的互穿网络结构其更小的孔径和更厚的孔层能改善阻燃性能。因此，对泡沫炭层性质的表征变得越来越重要。但是由于膨胀型阻燃材料形成的炭层质地是无定形的，形状是不规则的，呈泡沫状且极易破碎，因而始终没有较好的手段来表征炭层优劣。有文献虽然在其研究中进行了炭层强度的表征，但所用压力法存在诸多缺陷[6]，如炭层形状多变，局部会应力集中导致炭层破碎，与下压装置接触面不一，质量难以控制等问题，导致压力测量结果偶然性大，重复性差，用其测量结果来讨论问题显然有待商榷。参考文献_[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
发明内容
本发明的目的，在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种泡沫炭层表观强度的表征方法。本发明的目的是这样实现的一种泡沫炭层表观强度的表征方法，是在常用的材料压缩测试仪器下压装置的下表面居中加装或替换一个探头，选择泡沫炭层表面的不同位置进行测试，根据测试得到的压力计算该处泡沫炭层表面所能承受的压强，并计算多次测量的平均压强，用该平均压强表征泡沫炭层的表观强度。所述的探头为高长径比的柱体，底面为平面，长度L为0. 5-5cm,底面积S为1-30_2。如果探头长度不够，会导致下压过程探头底座有可能接触到不规则炭层的突出部位，长度过长会导致探头容易弯曲；底面积S太大会导致炭层承压面积太大，产生与未改装前类似的不稳定问题，S太小会导致炭层在极小压力下被刺穿，仪器对压力的测量精度不够。测量简单炭层，往往强度中等，选用较小的S可以保证其准确性；添加无机矿物的复杂炭层强度很大，应选用稍大的S来避免颗粒团聚可能产生的偏差以及整体强度过大导致探头弯曲；添加脂类或N、P化合物等非刚性填料的复杂炭层也应选择稍大的S，因为这些炭层往往表面较为平整，但强度很低，S太小会使仪器对压力的测量精度不够；形状奇特的炭层需要用较长的L。改装方法的示意图见图1，改装头3D模型见图2，炭层典型压缩曲线如图3所示。图3中，A为原数据，smoothed A为经平滑的数据。原数据纵坐标为压力，单位为N，作图时已将压力改为压强，单位IO3Pa,横坐标为压缩长度。所述的测试的具体做法是，放置泡沫炭层使探头正对炭层的一个较平坦处，观察压力曲线，记录该处泡沫炭层破碎时的突变压力值F，根据压强P =压力F/探头的底面积S计算该处所能承受的压强。所述的泡沫炭层是指膨胀型阻燃材料经过燃烧过程后，残留的不规则无定形的泡沫炭层。其中的燃烧过程包括垂直燃烧测试、氧指数测试或锥形量热仪测试。膨胀型阻燃材料产生的炭层是呈泡沫状的，疏松且极易破碎，不规则的形状往往导致对其整体的承受压力测试时局部应力过大而破裂，测试结果极不准确；并且由于燃烧测试温度往往低于1000°C，因此所形成炭层石墨化程度低，属于无定形炭，各向同性使得其表面所能承受的压强较为一致。因此用压强法来表征炭层可行性较高。尤其是对于最常用、最简便，但标准样条较细，燃烧之后炭层最为不均匀的氧指数测试，使用压强法可以极大地方便研究人员，不仅成本低，制样简便，而且保证了炭层强度测试的准确性和重复性。
所述的泡沫炭层包括简单炭层或复杂炭层，简单炭层的碳元素含量大于90% ;复杂炭层的碳元素含量< 90%，其余为各种无机物和/或有机物残留。因此复杂炭层的强度实际上是表观炭层的强度。无机物和有机物的残留在一定程度上会影响炭层的强度，许多文献报道了对膨胀阻燃体系所加的协效剂改变了炭层性质，从而改变了阻燃性能，因此对复杂炭层的强度表征也很有必要。经过多次试验，只要阻燃材料其协效剂的分散较均匀，所产生的炭层强度也较为统一，所测得数据重复性非常高。所述的材料压缩测试仪器的测量精度为彡O. IN。如HY-0230微机控制电子万能材料试验机。由于本发明测量压强需要用面积较小的探头，而疏松的泡沫炭层所能承受的压强不会太大，这就导致较小的压力就能刺破炭层，如果测量精度不够将导致实验数据的不准确。本发明的泡沫炭层表观强度的表征方法由压力法改为压强法，即通过在原有材料压缩测试仪器下压装置的下表面居中加装或替换一个探头，能将压缩测试的接触面积缩小到不受炭层形状的影响，因而本发明与原有表征方法相比，其测量结果准确度和重复性显著提高，可为膨胀型阻燃材料的研究提高可靠的分析手段。
图I为经过改装的材料压缩测试仪器与改装前后对比示意图；图2为改装头的3D模型图；图3为炭层典型压缩曲线。
具体实施例方式本发明的泡沫炭层表观强度的表征方法，是在常用的材料压缩测试仪器的下压装置下表面居中加装或替换一个探头，选择泡沫炭层表面的不同位置进行测试，根据测试得到的压力计算该处泡沫炭层表面所能承受的压强，并计算多次测量的平均压强，用该平均压强表征泡沫炭层的表观强度。下面通过实施例进一步说明本发明的表征方法。但下列实施例不以任何方式限制本发明的保护范围。氧指数测试(以下简称LOI测试)最简单易行、成本低廉，其炭层最易获得，方便多次测量，且形状最为复杂多变，可以更清楚地理解压力法和压强法的优劣，因而以下实施例都采用氧指数测试后的样品。压力法和压强法都在万能材料测试机上测试，采用5mm/min的下压速率，多次测量计算平均值和标准差。由于压力法和压强法单位不同，直接用标准差无法直观地比较数据的稳定性，因而用离散系数(标准差/平均值)进行比较，其测试结果见表1-4。实施例I采用聚磷酸铵/季戊四醇/聚丙烯的阻燃材料组合物，其中阻燃剂占25% (阻燃剂为聚磷酸铵和季戊四醇，聚磷酸铵/季戊四醇分别为1 1、1.5 1、2 1、3 I、4 I)，收集LOI测试之后产生的炭层(简单炭层)较完整的若干分别采用压力法和压强法进行强度测试，其中压强法采用的探头的S = 3. 14mm2,L = Icm0压力法测试结果如表I所示，压强法测试结果如表2所示。表I
权利要求
1.一种泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于在常用的材料压缩测试仪器下压装置的下表面居中加装或替换一个探头，选择泡沫炭层表面的不同位置进行测试，根据测试得到的压力计算该处泡沫炭层表面所能承受的压强，并计算多次测量的平均压强，用该平均压强表征泡沫炭层的表观强度。
2.如权利要求I所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的探头为高长径比的柱体，底面为平面，长度L为0. 5-5cm，底面积S为l_30mm2。
3.如权利要求I所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的测试的具体做法是，放置泡沫炭层使探头正对炭层的一个较平坦处，观察压力曲线，记录该处泡沫炭层破碎时的突变压力值F，根据压强P =压力F/探头的底面积S计算该处所能承受的压强。
4.如权利要求I所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的泡沫炭层是指膨胀型阻燃材料经过燃烧过程后，残留的不规则无定形的泡沫炭层。
5.如权利要求4所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的燃烧过程包括垂直燃烧测试、氧指数测试或锥形量热仪测试。
6.如权利要求I所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的泡沫炭层包括简单炭层或复杂炭层，简单炭层的碳元素含量大于90% ;复杂炭层的碳元素含量(90%，其余为各种无机物和/或有机物残留。
7.如权利要求I所述的泡沫炭层表观强度的表征方法，其特征在于所述的材料压缩测试仪器的测量精度为< 0. IN。
全文摘要
一种泡沫炭层表观强度的表征方法，是在常用的材料压缩测试仪器的下压装置下表面居中加装或替换一个探头，选择泡沫炭层表面的不同位置进行测试，根据测试得到的压力计算该处泡沫炭层表面所能承受的压强，并计算多次测量的平均压强，用该平均压强表征泡沫炭层的表观强度。本发明的表征方法由压力法改为压强法，即通过在原有材料压缩测试仪器的下压装置下表面居中加装或替换一个探头，能将压缩测试的接触面积缩小到不受炭层形状的影响，因而本发明与原有表征方法相比，其测量结果准确度和重复性显著提高，可为膨胀型阻燃材料的研究提高可靠的分析手段。
文档编号G01N3/08GK102768154SQ20121028271
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者危大福, 夏寅, 李书召, 李娜, 毛纵文, 王良, 管涌, 郑安呐 申请人:华东理工大学