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纳米阻燃-阻燃材料的新选择

随着科学技术的不断发展及生活质量不断提高,人们对阻燃产品 提出了越来越高的要求,从单纯的阻燃到低烟、无毒再到绿色环保、循环使用,可燃材料也从最初单纯只考虑阻燃性能,到具有优异的阻燃性能、外观及力学性能 等,再到注重加工、使用及废弃后对生态环境及人类健康的有害影响。当前阻燃材料具有优异的阻燃性能,在一定程度起到阻滞燃烧、延缓火灾的作用,但也存在力 学性能、影响生态环境等方面的不足。随着纳米材料在力学、电磁学、热学及光学等领域的应用,纳米阻燃技术的发展有利改善传统阻燃技术的缺点,在未来阻燃材 料领域将有广阔的发展前景。

纳米阻燃体系顾明思议就是使用纳米尺寸的阻燃剂进行阻燃改性,是一种新型的阻燃体系,极少量(≤5%Wt)纳米阻燃剂的加入即能显著降低高分子材料燃烧时的热释放速率(HRR)和烟密度(SEA),延缓其燃烧过程,还能在不同程度上提高材料的力学性能,被誉为阻燃技术的新革命。

 

纳米阻燃剂按照维度可分为以下三种:a.一维纳米材料:碳纳米管(Carbon Nanotubes)及各种晶须,如镁盐晶须及碳酸钙晶须;b.二维纳米材料:层状黏土,如蒙脱土(MMT)、高岭土、氧化石墨、层状双金属氧化物(LDH)等;c.零维纳米材料,纳米氢氧化硅、氢氧化镁、二氧化钛及富勒烯(C60)等。

 

碳纳米管

 

富勒烯(C60)

 

层状硅酸盐纳米阻燃体系

聚合物/层状硅酸盐纳米阻燃材料涉及阳离子粘土矿物蒙脱土、阴离子黏土矿物层状双金属氢氧化物、非离子型黏土矿物高岭土等原料,通过形成插层或者剥离型结构,制备了PA、PP、PE及PMMA等纳米级复合阻燃材料。

蒙脱土及聚合物/黏土纳米复合材料的结构

 

纳米层状硅酸盐中含有炭化层,燃烧过程中可降低热释放速率(PHRR)峰值,且黏土在高温下分解形成的类氧化硅组分向表面迁移,使得表面硅、氧原子富集,碳原子相对溶度降低,形成了阻隔层,隔断聚合物表面与外界热源间的热传导,从而延缓材料的燃烧,提高材料的阻燃性能,有效降低复合材料燃烧时烟、有毒物质等的产生。

聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的燃烧参数

 

2.碳纳米管阻燃体系

研究者发现,PP/碳纳米管(CNT)纳米复合材料与相比PP/层状纳米硅酸盐复合材料相比,具有以下几个明显的优点:a.碳纳米管容易分散,无须进行有机化处理;b.无须使用PP-g-MAH等相容剂,而且碳纳米管仅仅加入0.5%就可使材料的热释放速率峰值和质量损失速率大大降低;c.有机黏土的加入会降低体系的引燃时间,而碳纳米管体系的引燃时间可基本保持不变。

 

3.富勒烯(C60)阻燃体系

富勒烯(C60)具有超高的捕捉自由基的能力,被称为“自由基海绵”,一个C60分子可以捕捉至少34个自由基。聚烯烃的降解和燃烧一般都是通过自由基链的β-scission方式进行的,可以想象, C60对PP的燃烧降解性能将会产生很大影响。C60在低添加量时就可以大幅提高PP的热稳定性,提高PP的热氧化降解温度,延迟PP的引燃时间及降低PP燃烧时的热释放速率峰值。这是因为C60一方面吸收PP燃烧时生成的自由基,影响PP的正常燃烧,另外一方面是每个C60分子可与几十个自由基反应,提高熔体的黏度,结果就是延缓了PP的燃烧,降低燃烧时峰值的热释放速率。

 

4.纳米阻燃体系存在的问题

a.目前黏土的有机插层剂仍以易燃的长链烷基盐为主,缺乏针对提高阻燃性能的有机插层剂。该盐的高温时易降解,降低材料的点燃时间,故其不适用于加工温度高的工程塑料。

b.纳米阻燃的机理尚在于如黏土体系阻挡层机理、自由基捕捉机理和碳纳米管体系网络结构等笼统解释下,无系统的研究和阐述。

c.纳米阻燃试验虽在降低材料的热释放速率峰值和质量损失速率效果显著,但在传统的UL-94和LOI测试中不尽人意。不同阻燃机理和燃烧试验方法制件的关联性需进一步的研究。将纳米阻燃剂与传统的阻燃剂复配,达到协同阻燃的目的是将来阻燃体系的一个重要发展方向。

综上所述,纳米阻燃复合材料具有很好的阻燃性能、环保效果 好,燃烧时放出的有毒气体少,纳米填充量少及产品趋于多功能化发展等特点,未来在汽车、电子电器和航空等领域具有很大的发展空间。虽仍有很多急需解决的实 际问题,但在工程技术不断进步的情况下,纳米阻燃材料将会有长远的进步。