纳米阻燃材料的研究进展_郭锦斌

当前，塑料、橡胶和纤维等聚合物应用十分广泛，但其易燃性给其使用和推广造成了一定的影响。

阻燃材料尽管在一定程度上起到了阻滞燃烧、延缓火灾蔓延、争取逃生和救援时间等积极的作用，但也在力学性能、性价比、环境污染等方面存在不足。

随着纳米材料在力学、电磁学、热学、光学等多个领域的应用，纳米技术和纳米材料显现出广阔的发展前景。

纳米阻燃材料的研制和发展有利于克服和改进传统材料的缺点，蕴含着巨大的社会效应和经济效益。

1纳米材料简介纳米材料是指在结构上具有纳米尺度及其相应功能特征的材料，1纳米为十亿分之一米,纳米尺度一般是指1～100nm 。

材料的结构和粒径进入纳米尺度范围时，就表现出表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等多种特殊效应，从而使材料表现出多种奇特的功能。

纳米材料按照材质分类，可以分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米材料。

纳米技术和多种材料的结合，大大改变了材料的综合特性，为进一步优化材料的功能提供了有力的技术支持。

2阻燃材料的分类和要求阻燃材料可分为无机和有机、含卤和无卤等多种类型。

无机主要指氢氧化铝、氢氧化镁、硅系、三氧化二锑等阻燃材料体系，有机主要以卤系、氮系和磷系为主，它们通过复配或者反应得到形成添加型或者反应型复合材料，进而起到阻燃作用。

相比较而言，无机阻燃材料具有低成本，热学性能好，燃烧时有毒气体少等优点，但是它们也具有机械性能差、填充量大且与基材相容性差等缺陷。

有机型阻燃材料具有阻燃性能好，与基材相容性好，填充量小等优点，但是具有燃烧时发烟量大且产生有毒气体等缺陷。

因此发展低烟、低毒、无卤、物理机械性能优越等环保型阻燃材料成为一直以来重要的研究课题，纳米技术的出现和发展为解决上述阻燃材料的现有缺陷提供了可能。

研究表明，纳米阻燃材料应满足下列要求：第一，材料应符合环保要求，燃烧时产生的毒性气体少。

第二，材料应具有功能性强、阻燃效率高等特点，同时应克服传统阻燃材料机械物理性能方面的现有缺陷，拓展材料应用范围。

第三，降低综合成本，增强材料的性价比。

3纳米阻燃材料的类型将传统的阻燃剂颗粒细化到纳米级应用到相关材料中即可获得纳米阻燃材料。

纳米技术的应用、纳米级颗粒的获得以及纳米尺度所表现出来的特有的多种效应大大增强了阻燃剂和材料间的相容性，一定程度上减少了阻燃剂的应用量，同时也提高了阻燃性能，提升了阻燃材料的性价比。

目前，已研制的常用纳米阻燃复合材料大致有以下几种。

3.1聚合物粘土纳米材料粘土纳米阻燃材料涉及阳离子粘土矿物蒙脱石、阴离子粘土矿物层状双金属氢氧化物、非离子型粘土矿物高岭石等原料，借助插层方法修饰，获得对聚甲基丙烯酸甲酯（PM M A ）和聚丙烯（PP ）等有效的复合阻燃材料。

粘土类阻燃剂的层状硅酸盐中含有炭化层，在高温下能够俘获一些自由基，在改变了材料力学性能的同时，也提高了材料的阻燃性能，还避免了添加卤系阻燃剂后燃烧时发烟量大、产生腐蚀性和毒性气体等缺陷。

火灾时，硅酸盐碳化层减缓了材料燃烧时挥发物逸出的速度从而使得粘土类纳米材料在凝聚相分解过程中挥发物的溢出率低。

3.2纳米氢氧化镁阻燃材料纳米级氢氧化镁阻燃材料的阻燃性、发烟量与基材的相容性等性能要优于微米级的氢氧化镁阻燃材料的相应性能。

在一定剂量下，纳米级氢氧化镁阻燃体可以达到UL94标准的V-0级。

金属氢氧化物本身优势明显，关键是添加量要比较大，通常在60%以上，而高填充量对阻燃材料的物理机械性能影响较大，而纳米技术正好能很好地解决阻燃剂和基体间的分散性和相容性的问题，两种技术的结合大大提升了氢氧化镁阻燃剂的应用和阻燃后材料的阻燃性能。

纳米氢氧化镁阻燃材料具有无卤、低烟、无毒、无滴落、耐酸、稳定性好、分解温度高、不腐蚀设备等多种优异性能，具有广阔的应用前景。

3.3纳米碳酸钙类复合材料用锡酸锌包覆纳米碳酸钙粉体并应用到聚氯乙烯（PVC ）中，得到40～60nm 的产品粒径，减少了增塑剂在纳米阻燃材料的研究进展郭锦斌1，姜立平2，赐利龙步3（1.福建省宁德市蕉城区公安消防大队，福建宁德352100；2.浙江省杭州市公安消防支队富阳大队，浙江富阳311400；3.云南省昆明市公安消防支队防火监督处，云南昆明650000)摘要：文章分析了具有低烟低毒、高效阻燃、良好物理性能等优势的纳米阻燃材料的种类及其制备工艺特点，并对其未来研究进展做了较为系统的分析和展望。

关键词：纳米材料；纳米尺度；阻燃材料中图分类号：TB383.1文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）02-0179-02作者简介：郭锦斌，福建省宁德市蕉城区公安消防大队。

企业技术开发TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE第32卷第2期Vol.32No.22013年1月Jan.2013PVC 中的用量，提高了产品的加工性能，再加上硬质PVC 本身的高含氯量和高阻燃性，极限氧指数(LOI)可以达到45%，获得了优良的阻燃复合材料。

经过甲基丙烯酸处理的纳米碳酸钙/聚苯乙烯(PS)原位复合材料粒径也在100nm 以内，也具有较好的阻燃性能。

此外也可以应用脂肪酸、钛酸酯偶联剂以及纳米碳酸钙经过表面处理得到聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料，经过实验和应用，都在保持较好阻燃性能的基础上，材料的力学性能方面得到了很大的改善，材料的抗冲击强度也有所提高。

3.4纳米级氧化锑阻燃材料纳米级氧化锑阻燃PVC 材料的阻燃性能高,发烟量低，其性能优于传统的PVC 材料的相应性能，而且适合用于纺织品中。

纳米级氧化锑颗用量少,而且不会阻塞机器的喷丝孔,使得纺织品能够阻燃。

另外，纳米级的氧化锑材料的比表面积很大，对一些纺织品的渗透性能好，具有很强的粘附力，由此形成的纺织材料还具有很好的耐洗牢度，不易褪色。

纳米氧化锑具有成本低，平均粒度小，在聚酯材料中分散均匀，相容性好等优点。

3.5EVA/二氧化硅纳米复合材料纳米二氧化硅改性的聚合物已经获得了广泛的应用，原因是经过纳米化和改性，所获得的纳米复合材料具有质轻、高强度、高韧性等多种优点。

EVA 类纳米复合材料中纳米填充层在内层聚合物外面形成一层隔离层，从而强化了炭化过程，材料降解过程延长,用锥形量热计测量出的热释放速率峰值极低，阻燃性能较传统阻燃材料有大幅提高。

在力学性能方面，研究表明，EVA/二氧化硅复合材料中的体积填充分数为4%时，复合材料的拉伸强度最高，约为基体的两倍，这也充分显现出了纳米技术在提升复合材料的物理机械性能方面的重要作用。

4纳米阻燃材料制备工艺进展纳米材料的制备方法主要有以下几种。

①溶胶—凝胶法。

溶胶—凝胶法是制备纳米材料比较普遍的制备方法。

其流程是：将金属氧化物或金属盐溶于水中，通过水解反应后，形成溶胶状纳米级微粒，再将溶剂蒸发，之后形成凝胶物体。

这样就形成了有机聚合物与无机分子相互渗透，具有多层有序结构的阻燃材料。

该方法化学反应温和，无机成分和有机成分相互掺混，结构紧密，但也存在凝胶干燥时易出现材料收缩脆裂等缺点。

②共沉淀法。

共沉淀法是指先期形成的无机纳米粒子与有机聚合物混合沉淀形成阻燃材料的方法。

这种方法中，纳米粒子与材料合成分开制作，纳米粒子的尺寸与结构可以很好的控制，同时纳米粒子在聚合物中均匀分布，综合性能好。

但该方法中纳米粒子易团聚，均匀分散纳米微粒是最大难题。

共沉淀法可分为溶液共沉淀法、乳液共沉淀法与熔融共沉淀法等多种方式。

③插层法。

插层法的流程是将纳米微粒制成层状，再将其插入有机聚合物层之间，导致二者达到纳米级复合。

这类方法有聚合插层法、熔融插层法及溶液插层法等类型。

④原位共聚法。

原位共聚法是指将纳米粒子均匀分散在溶液中，再借助加热、辐射等手段，使聚合物与纳米粒子之间发生聚合等一系列反应，最后得到纳米级分散的阻燃材料。

该方法得到的阻燃材料具有粒子纳米特性好，层间焓熵势垒低等优点。

⑤原位自组装法。

原位自组装法是指利用聚合物分子与纳米粒子间的分子间力、层间静电力等作用，在原位进行自组装，生成无机主晶核，最后聚合物再将生成的晶体包围在内。

这种方法合成双羟基纳米复合物比较有利，纳米相能有序分布。

5纳米阻燃材料的展望在阻燃剂领域中，无机添加型阻燃剂应用最早，用量最大。

如锑系、铝系、磷系、硼系阻燃剂等等。

但目前主要存在阻燃剂和基材相容性差和对物理机械性能影响较大等问题。

研究表明纳米技术的利用可以提高塑料制品的阻燃性以及机械性能，加强纤维制品的阻燃性以及抗静电能力，加强橡胶制品的阻燃性以及减少其燃烧时的有毒气体的释放和发烟量。

纳米阻燃材料可以在发挥无机类阻燃材料低卤或无卤、低烟、低腐蚀等优势的基础上，借助纳米技术大大提高无机类阻燃材料的综合性能。

此外纳米阻燃材料也将在提高材料的热稳定性、减少材料在使用中的团聚、增强阻燃剂和材料间的用量、粒径、层状结构的优化和复配、优化材料的储运和添加过程、提升材料的阻燃效果、促进材料的多功能化等方面得到进一步发展。

在纳米阻燃复合材料的微结构及形成机理、材料的阻燃机理细节等基础理论方面加强研究，不断加速发展朝阳的纳米阻燃材料事业，有利于相关产品产业化的顺利实现和拓展。

综上所述，纳米阻燃材料具有阻燃性能好，环保效果好，并且燃烧时放出的有毒气体少，填充用量少，产品趋于多功能化发展的特点，可广泛应用于汽车、航空、电子家电等多个行业，具有很大的发展空间。

但是纳米阻燃材料的发展，仍有很多亟待解决的实际问题，如纳米粒子形态的控制、纳米粒子分布工艺以及多功能化的统一等。

相信随着高分子材料科学与工程技术的不断进步，随着纳米技术的出现、应用和快速发展，纳米阻燃材料研究必将会取得长足的进步，为更好地保护人民生命财产安全提供坚实的物质技术保障。

参考文献：[1]欧育湘,陈宇,王筱梅.阻燃高分子材料[M].北京:国防工业出版社,2001.[2]王平,陈伟红.纳米无机阻燃剂在聚合物基材料中的应用与发展[J].材料科学与工程学报,2003,(1).[3]高振华.阻燃聚合物纳米材料的制备及其应用研究[J].广州化工,2012,(19).企业技术开发2013年1月180--。