膨脹性石墨/脫層石墨的阻燃協同效應於EVA複合材料之熱性質研究

Flame Retardant Synergistic Effect of Expandable Graphite and Exfoliated Graphite Nano-platelets in the EVA Composites for Thermal Properties

吳銘仁(Ming-Ren Wu)

指導教授 ： 陳慶國 ； 郭文正

國立臺北科技大學/工程學院/化學工程研究所/碩士(2012年)

摘要

本研究以脫層石墨(exfoliated graphite nano-platelets)和膨脹性石墨(expandable graphite)作為乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)的阻燃劑，利用雙輥混煉機和高分子熔融法製備出乙烯-醋酸乙烯酯/脫層石墨/膨脹性石墨之高分子複合材料。
在膨脹性石墨於高、低添加量下(20wt.%、12wt.%)，使用少量的脫層石墨去作一個取代，進而觀察其熱性質與燃燒行為的變化。分別使用了限氧指數儀、熱重分析儀、垂直燃燒檢測、圓錐量熱儀去探討其燃燒與阻燃行為並做分析。
實驗結果顯示，添加石墨材料的試片確實能降低其熱釋放率和遮光係數。在阻燃效率方面是膨脹性石墨優於脫層石墨，因其受熱時會產生膨脹性炭層對於阻熱、抑煙、隔絕氧氣方面均有相當的作用；在熱穩定性方面是脫層石墨優於膨脹性石墨，因其熱裂解溫度較高且受熱時會產生一層具有隔絕作用的薄膜。
綜合上述的實驗結果，以添加膨脹性石墨18wt.%、脫層石墨(5μm)2wt.%下是最好的，其LOI值達28.5、UL-94達V-0等級、TGA熱裂解溫度提升22.1℃、熱釋放率降到288.8(kw/m2)、遮光係數為1.89(1/m)。

關鍵字

膨脹性石墨 ； 乙烯-醋酸乙烯酯 ； 脫層石墨 ； 阻燃性 ； 複合材料

並列摘要

This research uses exfoliated graphite nano-platelets and expandable graphite for EVA’s flame retardants, which was prepared by polymer melt intercalation and twin-roll mixing mechanism of EVA/exfoliated graphite nano-platelets/expandable graphite polymer composites.
In the expandable graphite under high and low dosage (20wt.%, 12 wt%) with a small amount of exfoliated graphite nano-platelets as substitute, and then observing its thermal properties and combustion behavior change. LOI, TGA, UL-94, and Cone were used to investigate the combustion and flame-retardant behavior to analysis.
The experimental results show that the addition of graphite materials samples can indeed reduce the rate of heat release and the extinction coefficient. Flame-retardant effect of expandable graphite is better than the exfoliated graphite nano-platelets, due to the expansion carbon layers has a considerable role for thermal resistance, inhibition of the smoke, and the absence of oxygen. On the other hand, the thermal stability of exfoliated graphite nano-platelets is superior to the expandable graphite because the high temperature of pyrolysis will produce a thin film which produces an isolation effect.
By taking the above experimental results, it is shown that adding 18wt.% expandable graphite and (5μm)2wt.% exfoliated graphite nano-platelets produces the best experimental results. Its LOI value of 28.5 and UL-94 to V-0, TGA pyrolysis temperature to promote the 22.1℃, the heat release rate is reduced to 288.8(kw/m2) and extinction coefficient of 1.89(1/m).

並列關鍵字

expandable graphite ； EVA ； exfoliated graphite nano-platelets ； Flame retardant ； composites

參考文獻

[19]葉瑞銘、翁暢健，「有機無機混成奈米複合材料」，化學專題報導，第六十二卷，第四期，2004，第473-482頁。

[49]余承儐，聚乳酸/氫氧化鋁/奈米黏土複合材料之阻燃性質，碩士論文，台北科技大學化學工程研究所，台北，2010。

[48]吳維哲，奈米黏土/改質膨脹型阻燃劑於HDPE防火相乘效應之研究，碩士論文，台北科技大學化學工程研究所，台北，2011。

[44]侯惠萍，添加層狀材料及石墨材料對EVA熱安定性與燃燒性之影響，碩士論文，台北科技大學化學工程研究所，台北，2011。

[54]陳怡婷，添加高性能纖維對矽橡膠熱物性及燃燒性質之影響，碩士論文，台北科技大學化學工程研究所，2010。