碳點(diǎn)對(duì)阻燃聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯性能的影響

顧偉文， 王文慶,2,3， 魏麗菲，4， 孫晨穎， 郝 聃， 魏建斐,2,3， 王 銳,2,3

(1. 北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院， 北京 100029； 2. 北京服裝學(xué)院 服裝材料研究開發(fā)與評(píng)價(jià) 北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029； 3. 北京市紡織納米纖維工程技術(shù)研究中心， 北京 100029； 4. 四川大學(xué) 高分子研究所， 四川 成都 610065)

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維因具有強(qiáng)度高、模量高、回彈性好、耐磨性好、吸水率低、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)良性能而受到消費(fèi)者的歡迎，已被廣泛應(yīng)用于服裝、窗簾、車用紡織品等領(lǐng)域[1-2]。2019年我國(guó)聚酯纖維的產(chǎn)量超4 000萬(wàn)t，約占我國(guó)化纖年產(chǎn)量的75%，是當(dāng)前合成纖維的第一大品種；但是PET的極限氧指數(shù)(LOI值)較低(21%～22%)，屬于易燃材料，因此，提高PET的阻燃性能勢(shì)在必行。近年來(lái)，PET的阻燃研究取得了較大的進(jìn)展[3-5]。值得注意的是，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米材料也逐漸被應(yīng)用于阻燃領(lǐng)域，因此，納米阻燃已成為阻燃領(lǐng)域的重要方向。

碳納米材料由于來(lái)源豐富、制備方法多樣、阻燃性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于聚合物的阻燃改性中。其中，碳納米管[6-8]、石墨烯[9-11]、納米碳黑[12-13]及其衍生物在應(yīng)用于聚合物阻燃時(shí)，其相應(yīng)的阻燃復(fù)合材料在極限氧指數(shù)和垂直燃燒(UL94)測(cè)試中的表現(xiàn)不佳，無(wú)法通過(guò)相應(yīng)測(cè)試[14]；而且這些碳納米材料在添加過(guò)程中存在分散不均勻的問(wèn)題，因此，對(duì)基體材料的力學(xué)性能帶來(lái)不利影響。碳點(diǎn)(CDs)作為零維的碳納米材料，是主要由碳元素構(gòu)成的納米尺度的新型熒光材料，其本質(zhì)特征為至少1個(gè)維度上的尺寸小于10 nm和具有光致發(fā)光的特性[15-17]。作為碳材料家族中的新成員，碳點(diǎn)不僅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)[18-19]，而且還擁有抗光漂白[20-21]、熒光發(fā)射可調(diào)[22-23]、易于功能化[24-26]、原料來(lái)源廣泛[27-29]、易大規(guī)模合成等優(yōu)勢(shì)，因此在傳感器[30-32]、生物成像[33-34]、藥物輸送[35]、光電[36-38]和光催化[39]等不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是碳點(diǎn)在聚合物阻燃中的應(yīng)用并未見(jiàn)報(bào)道。碳點(diǎn)的表面通常有許多官能團(tuán)，如羰基、羥基和羧基，使其容易與各種有機(jī)分子、聚合物或生物材料結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)功能化[40]，因此，碳點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)與各種聚合物材料具有良好的相容性。此外，在前期的文獻(xiàn)調(diào)研中發(fā)現(xiàn),單純的碳納米材料加入聚合物中阻燃效果有限，因此碳納米材料往往是與其他阻燃劑一起添加到聚合物中。

本文選用對(duì)PET具有良好阻燃效果的共聚型阻燃劑2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)[41-42]與明膠基碳點(diǎn)同時(shí)以原位聚合的方式添加到PET基體中，研究碳點(diǎn)加入對(duì)阻燃PET(FRPET)性能的影響，充分證明碳點(diǎn)在FRPET中能夠促進(jìn)有效屏蔽層形成，在達(dá)到氣相阻燃的同時(shí)，凝聚相阻燃效果進(jìn)一步提高，是未來(lái)研究碳納米級(jí)共聚型阻燃劑的重要方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

明膠，分析純，阿拉丁試劑有限公司；對(duì)苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)，工業(yè)級(jí)，中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司；2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)，工業(yè)級(jí)，杭州真北集團(tuán)有限公司；抗氧劑(亞磷酸三苯酯)、抗水解劑1010，分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)有限公司；三氧化二銻(Sb2O3)，分析純，上海試劑廠。

1.2 明膠基碳點(diǎn)的合成

稱取1.0 g的明膠置于100 mL干凈的燒杯中，以20 mL的去離子水作為溶劑，將其攪拌均勻并轉(zhuǎn)移至50 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜放入熱鼓風(fēng)烘箱中在240 ℃條件下反應(yīng)24 h，然后使反應(yīng)釜自然冷卻至室溫得到棕色的碳點(diǎn)水溶液，最后離心、冷凍干燥可得到明膠基碳點(diǎn)。

1.3 阻燃共聚物的制備及樣品配方

傳統(tǒng)的PET制備是采用PTA和EG直接發(fā)生酯化反應(yīng)制得對(duì)苯二甲酸雙羥乙酯(BHET)，后經(jīng)過(guò)縮聚制得。本文實(shí)驗(yàn)在制備阻燃PET共聚物時(shí)加入含磷阻燃劑(CEPPA)和明膠基碳點(diǎn)，改變碳點(diǎn)的添加量探討碳點(diǎn)的加入對(duì)阻燃PET性能的影響，并得到最優(yōu)碳點(diǎn)添加量。阻燃共聚物具體名稱和配方如表1所示。

表1 阻燃共聚物的配方Tab.1 Formula of flame retardant copolymer %

1.4 性能測(cè)試及表征

1.4.1 形貌與結(jié)構(gòu)表征

采用Model JEM-2100F透射電子顯微鏡(TEM)，對(duì)明膠基碳點(diǎn)進(jìn)行形貌表征。采用 Nicolet Nexus670 型紅外光譜儀測(cè)試試樣的紅外光譜圖，掃描次數(shù)為64，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.4.2 熱性能測(cè)試

采用Q2000型差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)試阻燃共聚酯的熱性能。以氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，壓力為0.1 MPa，樣品質(zhì)量為6～8 mg，內(nèi)設(shè)升溫范圍為30～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min，降溫速率為10 ℃/min。采用209F1型熱重分析儀測(cè)試阻燃共聚酯的熱穩(wěn)定性能，氮?dú)夥諊?，溫度范圍?0～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.4.3 阻燃性能測(cè)試

1.4.3.1極限氧指數(shù)測(cè)試 在測(cè)試前使用Haake MiniJet微量試樣成型儀制備尺寸為80 mm×6.5 mm×3 mm的測(cè)試樣條。參考GB/T 2406—1993《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法 氧指數(shù)法》，采用Dynisco型極限氧指數(shù)分析儀測(cè)定樣品的LOI值。

1.4.3.2垂直燃燒(UL94)測(cè)試 參考GB/T 2408—2008《塑料 燃燒性能的測(cè)定 水平法和垂直法》，采用CZF-3型水平燃燒測(cè)試儀測(cè)試阻燃共聚物的垂直燃燒性能，樣條尺寸為130 mm×13 mm×3 mm。

1.4.3.3錐形量熱(CONE)測(cè)試 參考ISO 5660—1《對(duì)火反應(yīng)試驗(yàn)——熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失率 第1部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)》，采用錐形量熱測(cè)試儀對(duì)阻燃共聚物進(jìn)行測(cè)試，輻射功率設(shè)定為50 kW/m2，樣品尺寸為100 mm×100 mm×3 mm。

1.4.3.4殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)表征 采用Nicolet Nexus670型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對(duì)PET、FRPET、FRPET-CDs的殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。掃描次數(shù)為64，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.4.3.5殘?zhí)啃蚊脖碚?采用JSM-6360型掃描電子顯微鏡觀察殘?zhí)啃蚊?，真空度?.63×10-3Pa,調(diào)節(jié)電壓為8 kV，標(biāo)尺為50 μm。

1.4.4 力學(xué)性能測(cè)試

先使用Haake MiniJet型微量試樣成型儀制備中間手柄尺寸為30 mm×4 mm×2 mm的啞鈴形測(cè)試樣條，然后采用Instron 5966電子萬(wàn)能強(qiáng)力測(cè)試儀測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率。

1.4.5 熒光性能測(cè)試

采用FS5-多功能熒光光譜儀對(duì)樣品的熒光發(fā)射波譜進(jìn)行表征。FRPET-CDs的熒光發(fā)射波譜所用的激發(fā)波長(zhǎng)為320 nm，入射光和發(fā)射光的狹縫寬度分別為2和1 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 明膠基碳點(diǎn)的熒光性能、形貌及結(jié)構(gòu)

圖1(a)為所制備的明膠基碳點(diǎn)在不同波長(zhǎng)的光激發(fā)下的發(fā)射波譜圖。可知，明膠基碳點(diǎn)的熒光發(fā)射為典型的激發(fā)波長(zhǎng)依賴型，即隨著激發(fā)波長(zhǎng)的變化,熒光發(fā)射峰的位置發(fā)生變化，且激發(fā)波長(zhǎng)為320 nm時(shí)其發(fā)射光的熒光強(qiáng)度最強(qiáng)，即最佳激發(fā)波長(zhǎng)為320 nm。由圖1(b)TEM照片可知，明膠基碳點(diǎn)為球形結(jié)構(gòu)、分散均勻且無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。由TEM照片對(duì)應(yīng)的粒徑分布結(jié)果可知，明膠基碳點(diǎn)的粒徑在4.3～8.8 nm之間，平均粒徑為6.2 nm，見(jiàn)圖1(c)。

圖1 明膠基碳點(diǎn)的熒光性能、形貌及粒徑分布Fig.1 Fluorescent property,morphology and particle size distribution of gelatin-based carbon dots. (a)Photoluminescence spectrum； (b) TEM image； (c) Particle size distribution histogram

圖2 明膠基碳點(diǎn)的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectrum of gelatin-based carbon dots

2.2 FRPET-CDs的熱穩(wěn)定性分析

為探究不同碳點(diǎn)添加量對(duì)FRPET的熱穩(wěn)定性的影響，采用熱失重分析儀研究了不同碳點(diǎn)添加量的FRPET-CDs的熱降解過(guò)程，結(jié)果如圖4和表2所示。

可以發(fā)現(xiàn)，加入CEPPA后，F(xiàn)RPET的質(zhì)量減少5%時(shí)的溫度(T5%)由PET的389.63 ℃降低至380.59 ℃，初始降解溫度降低是因?yàn)榧尤胱枞紕┖蟠呋商啃Ч黾?，P—O—C提前斷裂所致。加入碳點(diǎn)后，T5%仍維持在380 ℃附近。而對(duì)比質(zhì)量損失最大時(shí)的溫度(Tmax)可以看出，Tmax并未出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明碳點(diǎn)的添加并沒(méi)有改變PET的熱降解過(guò)程。值得關(guān)注的是，碳點(diǎn)的添加明顯提高了基體在700 ℃時(shí)的殘?zhí)苛?，特別是添加2.00%的碳點(diǎn)后，殘?zhí)苛坑杉働ET的7.49%提高到12.08%，提高了61.3%。殘?zhí)苛康脑黾涌梢愿玫卦谀巯嘀行纬善帘螌?，隔氧隔熱，抑制?nèi)部材料的進(jìn)一步降解。

圖3 PET、FRPET、FRPET-CDs制備示意圖Fig.3 Formation schematic of PET, FRPET and FRPET-CDs

圖4 不同碳點(diǎn)添加量的FRPET的TG和DTG曲線Fig.4 TG (a) and DTG (b) curves of FRPET with different carbon dots additions

2.3 FRPET-CDs的熱性能分析

采用DSC對(duì)不同碳點(diǎn)添加量的FRPET進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖5所示。表3示出阻燃共聚物的DSC數(shù)據(jù)。

分析可得，F(xiàn)RPET相對(duì)于純PET熔點(diǎn)降低，這是由于CEPPA共聚到聚酯大分子鏈上，側(cè)鏈上引入苯基基團(tuán)，從而對(duì)大分子鏈的規(guī)整性造成了破壞，致使大分子的柔性增加且大分子嵌入晶格困難，對(duì)結(jié)晶形成阻礙，導(dǎo)致熔點(diǎn)Tm下降；主鏈上引入的C—P鍵比C—C鍵鍵能小很多，也造成Tm降低。從熱力學(xué)角度分析，阻燃PET結(jié)構(gòu)的規(guī)整性變化導(dǎo)致熵變?cè)龃螅鵁犰首兓淮?，從而Tm降低。FRPET-CDs阻燃共聚物熔點(diǎn)處于PET和FRPET阻燃共聚物之間，這是因?yàn)橄鄬?duì)于FRPET，F(xiàn)RPET-CDs中碳點(diǎn)在聚合體系中作為交聯(lián)點(diǎn)，有利于增加黏度，提高結(jié)晶度，從而熔點(diǎn)提高。隨著碳點(diǎn)含量的增多，對(duì)比FRPET阻燃共聚物，熔點(diǎn)逐步降低，原因是碳點(diǎn)表面含有大量的官能團(tuán)，PET單體和CEPPA之間存在競(jìng)速效應(yīng)，碳點(diǎn)含量的增加加劇了無(wú)規(guī)共聚，從而導(dǎo)致分子鏈規(guī)整性降低，熔點(diǎn)降低。此外，F(xiàn)RPET共聚物結(jié)晶溫度降低，結(jié)晶變得困難，這是因?yàn)镃EPPA中含有苯環(huán)，空間位阻較大，使得高分子鏈的規(guī)整性和柔順性降低，導(dǎo)致結(jié)晶能力下降。FRPET-CDs結(jié)晶溫度處于純PET和FRPET阻燃共聚物之間，原因是碳點(diǎn)的加入使得聚合物交聯(lián)點(diǎn)增加，黏度增大，從而提高了結(jié)晶溫度。隨著碳點(diǎn)含量的增多，F(xiàn)RPET-CDs共聚物結(jié)晶溫度降低，但當(dāng)CDs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.00%時(shí)，結(jié)晶溫度趨于平穩(wěn)，這是由于當(dāng)CDs添加量處于0.25%～1.00%之間時(shí)，碳點(diǎn)表面官能團(tuán)存在競(jìng)速效應(yīng)且結(jié)合不充分，分子鏈無(wú)規(guī)共聚，結(jié)晶溫度降低，而當(dāng)CDs添加量達(dá)到1.00%時(shí)，碳點(diǎn)表面官能團(tuán)結(jié)合趨于飽和，所以結(jié)晶溫度趨于平穩(wěn)。

表2 碳點(diǎn)/CEPPA/PET共聚物的熱重測(cè)試結(jié)果Tab.2 Thermogravimetric test results of carbon dots /CEPPA/PET copolymer

圖5 不同碳點(diǎn)添加量的FRPET的DSC曲線Fig.5 DSC curve of FRPET with different carbon dots additions. (a) Heating; (b) Cooling

表3 阻燃共聚物的DSC數(shù)據(jù)Tab.3 DSC data of flame retardant copolymerization

2.4 FRPET-CDs的阻燃性能分析

2.4.1 LOI值及UL94分析

表4示出不同碳點(diǎn)添加量的FRPET-CDs的LOI值和UL94測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)碳點(diǎn)含量較小時(shí)，F(xiàn)RPET-CDs的LOI值比FRPET要小，這是因?yàn)樘键c(diǎn)濃度較小未能形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)法促進(jìn)形成連續(xù)的保護(hù)炭層。隨著碳點(diǎn)含量的增加，F(xiàn)RPET-CDs阻燃共聚物的LOI值逐漸升高，當(dāng)碳點(diǎn)添加量達(dá)到1.00%和1.50%時(shí)，LOI值達(dá)到34%，但是當(dāng)碳點(diǎn)添加量增加到2.00%時(shí)，LOI值降低。本實(shí)驗(yàn)所制備的不同碳點(diǎn)含量的FRPET的UL94測(cè)試結(jié)果均為V-0等級(jí)。綜上所述，在一定碳點(diǎn)添加量范圍(0.75%～1.50%)內(nèi)，CDs的加入有益于FRPET阻燃性能的提高。

2.4.2 錐形量熱分析

圖6和表5分別示出PET、FRPET、FRPET-CDs阻燃共聚物的錐形量熱測(cè)試結(jié)果。由圖6(a)可知:初始線形基本趨于平直，為本身吸熱階段;隨著時(shí)間延長(zhǎng)，受熱表面產(chǎn)生液化、氣化、裂解現(xiàn)象，產(chǎn)生一些可燃性氣體，并引起瞬間的突發(fā)性燃燒，放出大量的熱量，純PET釋放熱量較多，F(xiàn)RPET共聚物、FRPET-2.00CDs共聚物次之，加入0.75%、1.00%、1.50%CDs的共聚物熱釋放速率(HRR)較小。測(cè)試結(jié)果表明,加入0.75%、1.00%、1.50%CDs的共聚物有較好的阻燃特性，這是因?yàn)樘键c(diǎn)在阻燃共聚物中起內(nèi)部交聯(lián)的作用，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的增加，炭化程度逐漸增加，從而形成有效的隔熱炭層阻止熱量傳遞，在總熱釋放量(THR)曲線中也存在同樣的規(guī)律。

表4 碳點(diǎn)/CEPPA/PET共聚物的 LOI值和UL94測(cè)試結(jié)果Tab.4 LOI value and UL94 test results of carbon dots/CEPPA/PET copolymer

由表5可知，PET的引燃時(shí)間平均為51 s，而加入阻燃劑和碳點(diǎn)后，阻燃共聚物的引燃時(shí)間明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明碳點(diǎn)的加入使得阻燃共聚體系的引燃性變得困難，可有效降低火焰蔓延的速度。將熱釋放速率(HRR)與總熱釋放量(THR)結(jié)合起來(lái)，可以更好地評(píng)價(jià)聚合物的阻燃性能。熱釋放速率和總熱釋放量的峰值越大，材料形成的火災(zāi)危害性就越大。由表5數(shù)據(jù)可知:PET的最大熱釋放速率為915.85 kW/m2;在加入CEPPA和碳點(diǎn)后，其熱釋放速率峰值明顯降低，分別為627.97、581.53、631.91、623.32、626.89 kW/m2。綜上所述，對(duì)比PET、FRPET、FRPET-CDs阻燃共聚物的錐形量熱測(cè)試結(jié)果可知，F(xiàn)RPET-CDs阻燃共聚物的引燃時(shí)間延長(zhǎng)，熱釋放速率峰值降低，平均熱釋放速率降低，總熱釋放量降低。數(shù)據(jù)表明CDs的加入可以提高單獨(dú)使用CEPPA的PET的阻燃特性。

圖6 不同碳點(diǎn)添加量FRPET的錐形量熱曲線Fig.6 Conical calorimetric curves of FRPET with different carbon dots additions

表5 碳點(diǎn)/CEPPA/PET共聚物的錐形量熱測(cè)試結(jié)果Tab.5 Cone calorimetry test results of carbon dots/CEPPA/PET copolymer

為進(jìn)一步研究具體的阻燃模式，對(duì)結(jié)果進(jìn)行量化[43]。計(jì)算結(jié)果表明，加入碳點(diǎn)后的FRPET-CDs屏障保護(hù)效應(yīng)增強(qiáng)，從原來(lái)的-9.6%上升為13.35%，這可能是因?yàn)樘键c(diǎn)在聚酯阻燃體系起著內(nèi)在交聯(lián)的作用。當(dāng)碳點(diǎn)添加量為1.50%時(shí)，炭化效果從原來(lái)的4%上升為38%，這可能是因?yàn)樘键c(diǎn)本身為碳材料，在阻燃體系中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)導(dǎo)熱，有利于快速形成炭層。同時(shí)，碳點(diǎn)的加入對(duì)火焰抑制效果無(wú)明顯影響。因此，CDs對(duì)于FRPET主要起著促進(jìn)炭化和屏障保護(hù)的作用。

2.4.3 殘?zhí)啃蚊卜治?/p>

為進(jìn)一步研究CDs提高FRPET阻燃效果的機(jī)制，采用掃描電鏡(SEM)對(duì)錐形量熱實(shí)驗(yàn)后的殘?zhí)啃蚊策M(jìn)行了分析。圖7示出PET及其復(fù)合阻燃聚合物殘?zhí)康男蚊舱掌？煽闯觯杭働ET形成了帶有微小孔洞的殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)，表明有效阻擋層隔熱效果較低；當(dāng)增加了CEPPA后，碳層的孔洞變大，說(shuō)明CEPPA主要為氣相阻燃；但在加入碳點(diǎn)后，表面得到了致密炭層且孔洞小而少，這是由于碳點(diǎn)在阻燃體系中均勻分散，并改善了FRPET的炭化及阻隔效應(yīng)。

圖7 錐形量熱測(cè)試后復(fù)合材料殘?zhí)康腟EM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of composite carbon residue after cone calorimetry test

2.4.4 殘?zhí)拷Y(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步了解碳點(diǎn)阻燃共聚物對(duì)阻燃炭層形成的影響，分別對(duì)PET、FRPET、FRPET-1.50CDs的殘?zhí)窟M(jìn)行了紅外表征，結(jié)果如圖8所示?？芍現(xiàn)RPET和FRPET-1.50CDs中均含有烴基，而PET的殘?zhí)恐袩o(wú)C—H伸縮振動(dòng)峰，表明FRPET和FRPET-CDs的降解得到了一定程度的抑制。此外，譜圖中1 709、1 175 cm-1處的吸收峰為羰基和酯基的特征吸收峰，而加入CEPPA后峰增強(qiáng)，說(shuō)明形成了C—O—C結(jié)構(gòu)和P—O—C結(jié)構(gòu)，當(dāng)把碳點(diǎn)共聚進(jìn)FRPET后，整體發(fā)生了位移，形成了疊加效應(yīng)，阻隔效應(yīng)增強(qiáng)。

圖8 PET和PET阻燃共聚物殘?zhí)康募t外光譜圖Fig.8 Infrared spectra of carbon residue of PET and PET flame retardant copolymers

2.5 FRPET-CDs的力學(xué)性能分析

表6示出FRPET-CDs共聚物力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。可以看出，隨著碳點(diǎn)添加量的增加，阻燃共聚物的拉伸強(qiáng)度增大，但當(dāng)拉伸強(qiáng)度上升到一定程度后開始降低。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)碳點(diǎn)添加量達(dá)到0.75%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為59.77 MPa，彈性模量達(dá)到1 308.45 MPa。這說(shuō)明一定的碳點(diǎn)添加量有利于提高阻燃聚酯的力學(xué)性能，但當(dāng)碳點(diǎn)添加量達(dá)到2.00%時(shí)，拉伸模量、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率均下降，這可能是因?yàn)樘键c(diǎn)添加量過(guò)多引起應(yīng)力集中。

表6 碳點(diǎn)/CEPPA/PET共聚物力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.6 Mechanical properties test results of carbon dots/CEPPA/PET copolymer

2.6 FRPET-CDs的熒光性能分析

圖9示出所制備的FRPET-CDs共聚物在最佳激發(fā)波長(zhǎng)(320 nm)的光激發(fā)下的發(fā)射波譜。可以看出:純PET基本無(wú)熒光，而添加有CEPPA的PET的熒光也很弱；隨著碳點(diǎn)含量的增加，F(xiàn)RPET-CDs的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)；當(dāng)碳點(diǎn)添加量為1.50%時(shí)熒光強(qiáng)度最大，而當(dāng)碳點(diǎn)添加量增加至2.00%時(shí)熒光強(qiáng)度反而下降，這是因?yàn)樘键c(diǎn)含量過(guò)大發(fā)生自吸收。添加碳點(diǎn)后的FRPET-CDs具有熒光性能，可用于制備熒光防偽纖維等。

圖9 碳點(diǎn)/CEPPA/PET共聚物在光激發(fā)下的發(fā)射波譜Fig.9 Photoluminescence spectra of as-prepared carbon dots/CEPPA/PET copolymer excited by light

3 結(jié) 論

本文研究了不同碳點(diǎn)添加量對(duì)阻燃聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(FRPET)熱穩(wěn)定性、熱力學(xué)性、阻燃性能、力學(xué)性能及熒光性能的影響,得出以下結(jié)論。

1)在熱穩(wěn)定性方面，相比純PET和FRPET，加入碳點(diǎn)的阻燃聚合體系殘?zhí)苛恐饾u上升，且最大質(zhì)量損失速率有所降低，意味著阻燃炭層的形成有效地抑制了熱傳遞。

2)在熱性能方面，相比PET體系，加入碳點(diǎn)后，其熔融溫度降低，與CEPPA中存在苯環(huán)形成位阻效應(yīng)以及聚合時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)速率有關(guān)。

3)在阻燃性能方面，從錐形量熱、極限氧指數(shù)、垂直燃燒數(shù)據(jù)可以得到，加入碳點(diǎn)后阻燃聚酯體系的阻燃性能明顯提升，隨著碳點(diǎn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，極限氧指數(shù)隨之提高，熱釋放速率、總熱釋放量都明顯下降，阻燃材料的引燃時(shí)間明顯延長(zhǎng)。

4)在力學(xué)性能方面，添加碳點(diǎn)有利于提高FRPET的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率，力學(xué)性能的提高有助于拓展FRPET的使用領(lǐng)域。

5)在熒光性能方面，添加碳點(diǎn)可賦予FRPET熒光性能，使FRPET具有制備熒光防偽纖維的潛力，當(dāng)碳點(diǎn)的添加量為1.50%時(shí)熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。