納米PBT聚合物材料的阻燃研究進(jìn)展

蘇加強(qiáng)，牛 磊，劉 燁

（1.蘭州工業(yè)研究院，甘肅 蘭州 730000，2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

PBT納米復(fù)合材料由于其易加工、質(zhì)量輕以及綜合性能好等優(yōu)異性能，在日常生活中的得到大量使用。然而，PBT復(fù)合材料遇火后容易燃燒，具有相對(duì)高的可燃性，在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生腐蝕性的氣體、有毒氣體等，對(duì)人民的生命造成重大威脅[1]。因此，改善PBT復(fù)合材料的阻燃性能在實(shí)際應(yīng)用中具有重大的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)聚合物材料阻燃性能的要求也越來(lái)越高，而各種阻燃添加劑，如鹵化添加劑，因其對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生不利的影響而被逐步淘汰。因此，開(kāi)發(fā)高效且環(huán)保的阻燃添加劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。自納米材料被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們對(duì)其性能進(jìn)行了大量研究，對(duì)于納米材料在復(fù)合材料阻燃應(yīng)用中的研究也逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。研究者對(duì)納米阻燃劑的改性、納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系以及納米PBT復(fù)合材料的阻燃性能和阻燃機(jī)理等進(jìn)行了研究，綜合分析了影響聚合物納米復(fù)合材料綜合物理和阻燃性能的因素，提出了有效的阻燃研究方法。本文總結(jié)了近年來(lái)納米PBT復(fù)合材料阻燃領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，探討了納米阻燃研究中需要解決的實(shí)際問(wèn)題。

1 碳族納米復(fù)合材料阻燃研究

自碳族納米材料被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其優(yōu)異的綜合性能引起了研究者廣泛關(guān)注，對(duì)于碳族納米復(fù)合材料的阻燃性能研究也呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)。采用直接成核生的方式在石墨烯表面合成錳鈷氧化物/石墨烯（MnCO2O4-GNS）雜化物，并將其與聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）進(jìn)行熔融共混，研究錳鈷氧化物/石墨烯對(duì)PBT復(fù)合材料燃燒熱降解的影響[3]。通過(guò)錐形量熱儀對(duì)PBT及其復(fù)合材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，加入錳鈷氧化物/石墨烯的PBT復(fù)合材料的阻燃效果明顯，HRR和SPR的峰值均低于純PBT材料，含芳香族化合物、羰基化合物、一氧化碳和二氧化碳的熱解產(chǎn)物也明顯減少。Wei Yang[4]等人，研究了無(wú)機(jī)酸改性碳納米管增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT），結(jié)果表明：改性碳納米管顆粒均勻地分散在PBT基體材料中，極少量的MCNT能顯著提高PBT材料的結(jié)晶溫度和熱穩(wěn)定性能。與純PBT材料相比其PHRR從1189kw/m2下降到737kw/m2，降低38%，顯著提高了材料的阻燃性能。而Marco Rallini等[5]研究了碳化硼納米顆粒在碳纖維/環(huán)氧基樹脂復(fù)合材料中阻燃性能的影響。宋平安等[6]構(gòu)造出多功能的石墨烯、溴和nano-Sb2O3高性能納米聚合物材料，納米阻燃劑的加入可明顯提高復(fù)合材料的阻燃性能。Yanxia Qi等[7]采用一步還原法成功地制備了次磷酸鋁/還原氧化石墨烯（AHP/RGO）混合阻燃劑，將所得樣品和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯通過(guò)熔融共混的方式制備出阻燃實(shí)驗(yàn)樣條，并通過(guò)極限氧指數(shù)（LOI）實(shí)驗(yàn)、UL-94實(shí)驗(yàn)和錐形量?jī)x測(cè)試等研究了PBT復(fù)合材料的阻燃性能。在聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯中加入（AHP/RGO）混合阻燃劑，可顯著降低PBT復(fù)合材料的熱釋放速率，并使PBT復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗滴落性能。

2 納米金屬氧化物聚合物阻燃研究

無(wú)機(jī)納米顆粒由于其成本低，易于制造，在高溫條件下吸熱脫水而產(chǎn)生阻燃作用，通常作為阻燃劑而應(yīng)用于復(fù)合材料的阻燃研究，這些無(wú)機(jī)納米顆粒經(jīng)表面功能化處理后，可以增加其在聚合物基體材料中的分散性，增強(qiáng)聚合物材料的綜合性能等。Gallo[8]等人，研究了AlPi和nano-Fe2O3對(duì)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的熱解和阻燃性能，結(jié)果表明：AlPi發(fā)揮了氣相阻燃作用，而少量的nano-Fe2O3促進(jìn)了凝聚態(tài)炭的形成，起到固相阻燃作用，PBT納米復(fù)合材料的阻燃性能顯著提高。利用超聲波輔助溶液插層技術(shù)制備的有機(jī)粘土納米復(fù)合材料與溴化環(huán)氧樹脂和氧化銻進(jìn)行組合，研究其復(fù)配作用阻燃效果[9]，結(jié)果表明：聚苯乙烯/溴化環(huán)氧基共混納米復(fù)合材料表現(xiàn)出混合插層-剝落納米形貌，有機(jī)粘土對(duì)聚苯乙烯和分散溴化環(huán)氧樹脂有增容作用，有利于基體中細(xì)小阻燃相的均勻分布。阻燃體系與納米分散有機(jī)粘土的凝聚相物理作用相耦合，從而提高了整體的阻燃效果。而以氫氧化鎂為載體的硅系阻燃劑阻燃PBT復(fù)合材料的研究表明[10]：添加硅系阻燃劑能顯著的提高PBT復(fù)合材料的極限氧指數(shù)，將硅系阻燃劑和磷酸硼復(fù)配可使PBT復(fù)合材料的極限氧指數(shù)進(jìn)一步的提高，同時(shí)PBT復(fù)合材料的熱降解的速率得到降低，殘?zhí)苛棵黠@提高，同時(shí)降低了材料燃燒過(guò)程中的煙、熱釋放的速率，有效提高PBT材料的阻燃性能。JianweiHao等[11]研究了nano-Sb2O3顆粒和次磷酸鋁在聚合物中的協(xié)效阻燃作用，極限氧指數(shù)達(dá)到33.6%，UL94等級(jí)達(dá)到V-0級(jí)。Song PA[12]研究了Br-Sb2O3@RGO在納米復(fù)合材料中的性能，其極限氧指數(shù)可達(dá)到29.6%，阻燃性能提升明顯。

3 其他阻燃劑阻燃PBT聚合物材料研究

Junfeng Xiao 等人[13]采用極限氧指數(shù)（LOI）和UL-94試驗(yàn)研究了二聚氰胺 （MA）和磷酸二苯酯（TPP）對(duì)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的阻燃效果研究。當(dāng)添加10wt.%二聚氰胺（MA）和20wt.%磷酸二苯酯（TPP），極限氧指數(shù)從20.9%增加到26.6%，達(dá)到UL94V-0級(jí)。阻燃劑與PBT基體材料具有較好的相容，阻燃劑的加入有利于PBT材料的結(jié)晶，二聚氰胺（MA）和磷酸二苯酯（TPP）的加入改變了PBT材料的降解途徑，同時(shí)也改變了氣相產(chǎn)物和凝聚相產(chǎn)物的組成。另有學(xué)者研究了納米黏土[14]、有機(jī)蒙脫土[15]等作為阻燃劑對(duì)PBT材料的阻燃均取得較好的阻燃效果，在燃燒聚合物表面可形成致密碳化層，提高了PBT聚合物材料的阻燃效果。

4 結(jié)論

本文綜述了PBT納米聚合物材料的阻燃性能，綜述表明隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，工業(yè)化生產(chǎn)中使用的鹵素化合物因?yàn)榻】岛铜h(huán)境問(wèn)題而被限制使用。開(kāi)發(fā)新型高效、綠色環(huán)保、無(wú)毒的阻燃劑已經(jīng)成為阻燃領(lǐng)域發(fā)展的方向，而少量的納米阻燃劑或者納米阻燃劑與傳統(tǒng)阻燃劑復(fù)配使用，均能顯示出較好的氣相和凝固相阻燃效果。然而，納米阻燃劑在聚合物材料中的分散性仍然是一個(gè)技術(shù)難題，納米顆粒與基體材料之間的界面結(jié)合力對(duì)復(fù)合材料綜合物理力學(xué)性能的影響等仍需進(jìn)一步研究，對(duì)于納米阻燃技術(shù)的深入研究將加快納米材料的實(shí)際應(yīng)用。