乾貨|2017年聚合物阻燃領域重大研究突破

2020-12-01 紡織導報

乾貨｜2017年聚合物阻燃領域重大研究突破

發表時間：2018/2/27

聚合物逐漸替代了日常生活中的許多材料，在某些性能上，這些材料有著不可替代的優勢。聚合物的燃燒經常伴隨著有毒煙氣的釋放，因此開發安全環保的阻燃聚合物材料勢在必行。



阻燃劑可分為滷素阻燃劑、矽系阻燃劑、磷系阻燃劑、氮系阻燃劑以及無機阻燃劑等。而單一元素作為阻燃劑越來越不能滿足需求，開發多種元素協同阻燃受到廣泛關注。以下總結了聚合物協同阻燃2017年以來的研究進展。



新型硼氮膨脹型阻燃劑

國家消防局近期統計數據，家庭火災造成78%全部火災的死亡人數，減少家庭火災的風險可能是未來減少火災事件和火災死亡的最佳方向。硼和氮化合物可能比滷素化學品更環保，因為它們在燃燒過程中產生環境安全副產品。

中國科技大學的Shuk Ying Chan教授設計、合成了一系列硼-氮聚合物（PEIPAs）（研究成果發表在Cellulose上）。分析表明，該聚合物的塗層織物的可燃揮發物有顯著的降低。添加30wt %阻燃劑的織物，新型耐水洗塗層在重複洗滌前後的LOI值分別為29.6%和23.2%。這種新型塗層，易於合成，易於使用，低浪費，為纖維素產品替代有毒滷素阻燃劑提供一種選擇。


新型硼氮膨脹型阻燃劑的合成表徵及阻燃機理示意圖


新型多功能有機-無機混合阻燃劑

環氧樹脂（EP）是一種性能優越的熱固性聚合物，廣泛應用於各個領域。但其在燃燒過程中耐火性差和產生大量煙霧的特性極大地限制了在電氣、電子設備中的應用。近年來，不同的含聚磷酸銨（APP）的填充劑被用來提高EP的阻燃性能，但是APP不僅會弱化機械性能、與聚合物相容性較差，還對溼度十分敏感，使用期間容易吸收和滲出水，導致聚合物材料的阻燃性降低。

中國科技大學Qiu Shuilai團隊和香港城市大學合作合成了一種新型多功能有機-無機雜化、含三聚氰胺的聚磷酸銨多磷酸銨(PZMA@APP)（研究成果發表在Journal of hazardous materials上），在EP複合材料中表現出高阻燃效率和對煙氣抑制作用。添加10.0wt％的PZMA @ APP的樣品通過UL-94 V-0評級，可顯著降低EP的火災危險（峰值放熱率最大降低75.6％，總放熱量最大減少65.9％，同時煙氣產生率較低）。


新型多功能有機-無機混合阻燃劑的合成及其阻燃性能


新型含磷-氮籠型倍半矽氧烷阻燃劑

PBT是一種典型的工程塑料，尤其用於電子和電子工業。採用無阻燃處理的PBT樹脂製備的絕緣外殼，易受電火花、短路及其它洩漏事故的影響。

合肥大學Zhu San-E等合成了一種含磷和氮的新型功能化籠型倍半矽氧烷(F-POSS)阻燃劑（研究成果發表在RSC Advances上）。測試表明，PBT / F-POSS的熱釋放率峰值（PHRR）、煙霧產生率峰值（PSPR）、二氧化碳產生量峰值（PCO2P）和一氧化碳產量峰值（PCOP）分別比純PBT降低50%、46%、45%和35%，可以減少火災、煙霧和毒性。


新型含磷-氮籠型倍半矽氧烷阻燃劑的合成路線圖


磷-氮膨脹型阻燃劑

硬質聚氨酯泡沫(RPUF)廣泛應用於汽車、交通、儲能和電磁幹擾屏蔽領域。但其可燃性限制了進一步應用。在新型聚合物泡沫材料的開發中，提高RPUF的阻燃性能一直是一個重要的課題。

中北大學Wang Chao等合成了一種磷-氮的膨脹型阻燃劑DPPM，並製備了阻燃型硬質聚氨酯泡沫塑料(RPUFs)，命名為DPPM-RPUF（研究成果發表在Polymers for Advanced Technologies上）。DPPM - RPUF的LOI可以達到29.5%，並且在DPPM的含量為25php的情況下達到了UL-94 V-0的等級。此外，DPPM-RPUF表現出優異的耐水性能，在浸水後仍可達到V-0級。


磷-氮膨脹型阻燃劑的合成路線


石墨烯基雜化阻燃劑

石墨烯是一種具有優異屏障性能的二維碳材料，將其引入到聚合物材料中，可以減少在燃燒過程中可燃氣體的熱釋放並抑制其轉移。

四川大學Chen Wenhua等通過表面接枝反應製備了一種結合氧化石墨烯（GO）與長鏈磷雜菲的新型雜化阻燃劑（研究成果發表在Scientific Reports上）。氧化石墨烯的加入有利於雙重屏障效應，大大降低了樹脂分解揮發物的釋放速率，並最大限度地減少了釋放的氧氣和燃燒熱量。作為石墨烯的潛在應用，雜化阻燃劑未來十分有前景。


石墨烯基雜化阻燃劑的合成路線及阻燃機理示意圖

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