阻燃聚合物

阻燃聚合物纳米复合材料姓名：赵京阳学号：4111126015班级：J高分子1101摘要：众所周知，高聚物纳米复合材料较传统复合材料具有更优异的力学性能、热性能、气体阻隔性、导电性、阻燃性、电磁屏蔽性等，这已经引起人们对其广泛而深入的研究。目前，火安全法规的重大变化和人们对现有阻燃剂的认识，促进了人们对高分子材料阻燃的重视。而且，在提高材料阻燃性能的同时，还要顾及到终端产品的环境友好性，及材料前述各性能之间的平衡，这是特别困难的。因为高聚物纳米复合材料与传统材料相比可提高体系的阻燃性、力学性能、热性能及其他性能，因而人们可满怀希望，高聚物纳米复合材料部仅能满足而且能超越现有的阻燃要求，可用来制造大量及防火有改善了其他性能的消费品。这里我将来介绍一下高聚物纳米复合材料及其在阻燃方面的应用。主要内容有三部分：理论和基础研究、具体的阻燃体系、目前的应用和未来展望。一、聚合物纳米复合材料技术基础尽管各种阻燃剂的化学结构不同，但通用的作用机理时可使用与多种阻燃剂的。通常根据作用机理，可将其分为七项作用阻燃剂和凝相作用阻燃剂两大类。气象作用阻燃剂主要通过捕捉燃烧的链支化反应所需的活性自由及发挥作用，这是其化学作用机理。另一类阻燃剂可产生大量的不可燃气体以稀释可燃气体，有时也可通过吸热来降低材料表面的温度。这有效降低了材料的可燃性，也可致其自熄。这是阻燃剂于气相中的物理作用机理。“纳米复合材料”一词被广泛用于描述一种范围极广的材料，这种材料至少有一个组分的尺寸为亚微米级。对真正的的纳米复合材料而言一个更好且更严格的定义是“本质新材料”，其中纳米级组分或结构可赋予材料本质的新性能，而该性能是非纳米复合材料和单组分材料所不具备的。纳米填料分散性的热力学分析类似于聚合物复合材料，聚合物与纳米填料的共混热力学可通过熵与焓的平衡来研究后者决定了经过或未经改性的填料是否可均匀地分散于聚合基材。又对纳米粒子而言，体系必须为共混热力学有利条件，因为这些超细粒子间存在超强的吸引力而极易在溶液或聚合物中发生团聚，此时单单的机械共混发方法已很难奏效。此外，过大的比表面积也易导致熵减而引起吸附、物理附着或大分子夹层，此时纳米填料的分散须有足够的有力焓作用以克服熵减。二、纳米复合材料的制备方法对传统材料而言，填料必须均匀且热力学稳定的分散于基体中，才能赋予复合体系高性能。因此，两个亟待解决的问题是：①填料团聚体的结局（因粒子间的超强作用力，数十、数百甚至数以百万计的填料粒子通常团聚为填料簇）；②加强聚合物与填料间的物理耦合作用力，以使聚合物与填料间的结作用力足够强。对聚合物纳米复合材料，不仅这些问题的解决是至关重要的，根据纳米填料的不同，纳米体系的成型还存在着一些新的难题亟待攻克。1.溶液辅助分散与强力熔融加工法大多数情况下对不具备纳米体系成型所需有利热力学条件的聚合物／无机填料而言，剂浇铸法、超声波分散法或高剪切率／高温加工方法，体系仅能形成“分散抑制型”结构（甚至剥离）。该“分散抑制型”体系易得，但其通常为热力学不稳定的且极难进行二次加工。该法与“溶胀剂法”在本质上有着相似之处。“溶胀剂法”，系将有机溶胀剂插入烷基铵盐改性MMT片层间，然后将该溶胀有机改性MMT与PP的混合物在双螺杆挤出机（温度为250°C）熔融加工。在此温度下溶胀剂将挥发，从而可制得无XRD特征峰的纳米复合材料。2.静态熔融插层法该法分为两步：第一步为将有机改性填料与聚合物机械共混；第二部为对所得复合物进行高于聚合物熔点的高温处理。研究表明，该法是测定各个热力学因素对纳米体系成型的影响以及制备适于基础研究的特定体系的最佳方法。然而，由于该法为静态加工条件（无外部剪切作用力）而无法为填料的分散提供机械作用力，故插层—剥离结构成型极慢，导致该法效率极低，因此工业化应用严重受限。3.母粒法。4.原位聚合法。5.其它三、纳米复合材料的阻燃机理早期研究发现，纳米复合材料再燃收拾可形成粘土增强含碳炭层。这对单独燃烧时炭量极少或不成炭的基体树脂而言，具有十分重要的意义。MMT可与不成炭聚合物诱导形成石墨化前提材料。这与许多聚合物粘土纳米复合材料燃烧时一样，形成含碳炭层，而产生“封闭”作用和“焦化”现象。由此可见复合体系在燃烧过程中由碳炭层与粘土组成了阻燃隔热层，有效降低了热传导速率与热解速率。显而易见，纳米分散黏土可有效降低体系pHRR以达到良好的阻燃效果。该结论适用于目前进行过相关研究的大多数热塑性塑料：PS、PA6、PP、PE、EVA、PA12及PMMA；但在不同的基体中粘土的阻燃作用机理是不尽相同的。这是因为粘土对不同聚合物基体热降解行为的影响不同，同时粘土也可促进发生交联反应以催化含碳炭层的形成。然而有时，体系并无含碳炭层的形成，而仅有粘土炭层发挥阻燃效能。尽管有些情况下改性粘土比未改性者具有更好的性能，但迄今为止实验所涉及的粘土都是具有阻燃效能的。无论裂解时是否形成了含碳炭层或仅有粘土炭层在发挥阻燃效能聚合物熔体中纳米片层的均相分布对对均质炭层的形成都是至关重要的，因为这可降低熔体中气体的溢出速率并抑制熔融滴落。改行程条件包括：粘土添加量应达到或超过一定数值，良好的分散性，聚合物熔体的高粘度凝胶特性，及交联反应或促进含碳炭层的形成。四、纳米复合材料的未来展望KabewekEupenAG将纳米粒子与传统阻燃剂（如ATH）共用于EVA基电缆护套料可降低ATH的用量。显然这对开创未来纳米复合材料在提高材料火性能方面的工业化应用。此外，由于纳米分散相与非纳米分散相间存在协同作用，故使材料达到一定的阻燃性能是两者的总用量仍比阻燃剂单独使用时所需用量要低。因此，这可使材料的力学性能得以改善。文献报道，还有一些聚合物基材中也存在纳米粒子与传统阻燃剂间的协同效应。尽管不是所有的纳米粒子与传统阻燃剂间均存在协同效应，但很多纳米粒子的确可使某些阻燃剂用量大幅降低，因而可使材料在达到所需阻燃级别的同时具有力学性能及成本优势。当然，这仅在加工过程中纳米粒子对聚合物流变行为影响较小或可控的条件下才能付诸实用。纳米粒子与传统阻燃剂间的协同效应对薄膜或纤维材料尤有价值，因为对这些材料，要维持材料的拉伸性能，阻燃剂的用量必须很低。阻燃聚合物纳米复合材料领域的研究已十分广泛深入，且进展迅速。有理由期待在未来十年将有更多的纳米复合材料商品问世，纳米复合材料将取得更新的进展。现在已经进入纳米时代，随着有关研究的进一步深入，人们会发现更多的各种性能均得以提高的纳米复合材料。【参考文献】1.阻燃聚合物纳米复合材料/（美）摩根，威克；欧育湘，李建军，叶南飙译。——北京：国防工业出版社2.高分子材料：防火材料：纳米材料3.百度文库