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    納米阻燃-阻燃材料的新選擇

    隨著科學技術的不斷發展及生活質量不斷提高,人們對阻燃產品 提出了越來越高的要求,從單純的阻燃到低煙、無毒再到綠色環保、循環使用,可燃材料也從最初單純只考慮阻燃性能,到具有優異的阻燃性能、外觀及力學性能 等,再到注重加工、使用及廢棄后對生態環境及人類健康的有害影響。當前阻燃材料具有優異的阻燃性能,在一定程度起到阻滯燃燒、延緩火災的作用,但也存在力 學性能、影響生態環境等方面的不足。隨著納米材料在力學、電磁學、熱學及光學等領域的應用,納米阻燃技術的發展有利改善傳統阻燃技術的缺點,在未來阻燃材 料領域將有廣闊的發展前景。

    納米阻燃體系顧明思議就是使用納米尺寸的阻燃劑進行阻燃改性,是一種新型的阻燃體系,極少量(≤5%Wt)納米阻燃劑的加入即能顯著降低高分子材料燃燒時的熱釋放速率(HRR)和煙密度(SEA),延緩其燃燒過程,還能在不同程度上提高材料的力學性能,被譽為阻燃技術的新革命。

     

    納米阻燃劑按照維度可分為以下三種:a.一維納米材料:碳納米管(Carbon Nanotubes)及各種晶須,如鎂鹽晶須及碳酸鈣晶須;b.二維納米材料:層狀黏土,如蒙脫土(MMT)、高嶺土、氧化石墨、層狀雙金屬氧化物(LDH)等;c.零維納米材料,納米氫氧化硅、氫氧化鎂、二氧化鈦及富勒烯(C60)等。

     

    碳納米管

     

    富勒烯(C60)

     

    層狀硅酸鹽納米阻燃體系

    聚合物/層狀硅酸鹽納米阻燃材料涉及陽離子粘土礦物蒙脫土、陰離子黏土礦物層狀雙金屬氫氧化物、非離子型黏土礦物高嶺土等原料,通過形成插層或者剝離型結構,制備了PA、PP、PE及PMMA等納米級復合阻燃材料。

    蒙脫土及聚合物/黏土納米復合材料的結構

     

    納米層狀硅酸鹽中含有炭化層,燃燒過程中可降低熱釋放速率(PHRR)峰值,且黏土在高溫下分解形成的類氧化硅組分向表面遷移,使得表面硅、氧原子富集,碳原子相對溶度降低,形成了阻隔層,隔斷聚合物表面與外界熱源間的熱傳導,從而延緩材料的燃燒,提高材料的阻燃性能,有效降低復合材料燃燒時煙、有毒物質等的產生。

    聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料的燃燒參數

     

    2.碳納米管阻燃體系

    研究者發現,PP/碳納米管(CNT)納米復合材料與相比PP/層狀納米硅酸鹽復合材料相比,具有以下幾個明顯的優點:a.碳納米管容易分散,無須進行有機化處理;b.無須使用PP-g-MAH等相容劑,而且碳納米管僅僅加入0.5%就可使材料的熱釋放速率峰值和質量損失速率大大降低;c.有機黏土的加入會降低體系的引燃時間,而碳納米管體系的引燃時間可基本保持不變。

     

    3.富勒烯(C60)阻燃體系

    富勒烯(C60)具有超高的捕捉自由基的能力,被稱為“自由基海綿”,一個C60分子可以捕捉至少34個自由基。聚烯烴的降解和燃燒一般都是通過自由基鏈的β-scission方式進行的,可以想象, C60對PP的燃燒降解性能將會產生很大影響。C60在低添加量時就可以大幅提高PP的熱穩定性,提高PP的熱氧化降解溫度,延遲PP的引燃時間及降低PP燃燒時的熱釋放速率峰值。這是因為C60一方面吸收PP燃燒時生成的自由基,影響PP的正常燃燒,另外一方面是每個C60分子可與幾十個自由基反應,提高熔體的黏度,結果就是延緩了PP的燃燒,降低燃燒時峰值的熱釋放速率。

     

    4.納米阻燃體系存在的問題

    a.目前黏土的有機插層劑仍以易燃的長鏈烷基鹽為主,缺乏針對提高阻燃性能的有機插層劑。該鹽的高溫時易降解,降低材料的點燃時間,故其不適用于加工溫度高的工程塑料。

    b.納米阻燃的機理尚在于如黏土體系阻擋層機理、自由基捕捉機理和碳納米管體系網絡結構等籠統解釋下,無系統的研究和闡述。

    c.納米阻燃試驗雖在降低材料的熱釋放速率峰值和質量損失速率效果顯著,但在傳統的UL-94和LOI測試中不盡人意。不同阻燃機理和燃燒試驗方法制件的關聯性需進一步的研究。將納米阻燃劑與傳統的阻燃劑復配,達到協同阻燃的目的是將來阻燃體系的一個重要發展方向。

    綜上所述,納米阻燃復合材料具有很好的阻燃性能、環保效果 好,燃燒時放出的有毒氣體少,納米填充量少及產品趨于多功能化發展等特點,未來在汽車、電子電器和航空等領域具有很大的發展空間。雖仍有很多急需解決的實 際問題,但在工程技術不斷進步的情況下,納米阻燃材料將會有長遠的進步。

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