新型高分子阻燃材料介绍

新型高分子阻燃材料介绍

陈希

摘要本文主要介绍聚合物/无机物纳米复合材料、水合金属氧化物复合材料、硅添加复合材料三种新型高分子复合材料，列举它们的阻燃原理和性能，同时结合各自的优缺点进行了简述。

关键词阻燃材料高分子碳纳米管 POSS

1、新型高分子阻燃材料的种类

进入21世纪之后，火灾对于人们生活的危害越来越大，人们都在探索如何研究出阻燃性能更好的材料。同时，新型环保社会的理念深入人心，含卤素的阻燃材料由于燃烧后释放出有害气体，对环境和人类的健康影响都很大。因此，十几年来涌现出了不少高分子无卤的阻燃材料。

高分子阻燃材料有很多种，其中比较常用的有三类，有聚合物/碳类纳米复合材料，水合金属氧化物复合材料，磷硅添加复合材料。

2、聚合物/无机物纳米复合材料

聚合物/无机物纳米复合材料又称作塑料阻燃技术的革命[1]。所谓聚合物/ 无机物纳米复合材料是以特殊技术制得的纳米级无机物分散于聚合物基体(连续相)中形成的复合材料。当其中无机物组分含量为5%-10%时,由于纳米材料极大的比表面积而产生的一系列效应,使它们具有较常规聚合物/填料复合材料无法比拟的优点,如密度小,机械强度高，吸气性和透气性低等,特别是这类材料的耐热性和阻燃性也大为提高[2]。所以，它不仅可以改变材料的阻燃性能，另一方面也是材料的应用更加广泛，是阻燃材料发展未来最有希望的分支。

其中碳纳米管/聚丙烯是代表性的物质，由于碳纳米管尺寸小，无需进行处理即可分散在聚丙烯中；同时PP分子与MWNT均为非极性物质，它们表面之间有极强的物理吸附作用，相容性好，不必添加其他的成分即可混合[3]。热重量分析法(TGA)研究发现含MWNT质量分数为 1wt.%，3wt.%和5wt.%，PP/MWNT纳米复合材料的微分热重曲线峰值分别比纯PP高54℃，66℃和61℃，显然可以看出MWNT显著增加了PP基体的热稳定性。当然，有人通过机械共混法和原位聚合法制备了PP/CNT复合材料,采用热失重仪测定了PP/CNT复合材料热失重行为。结果表明，采用机械共混法所得PP/5wt.%CNT复合材料的起始分解温度比纯PP

提高了41℃；采用原位聚合法所得PP/5wt.%CNT复合材料起始分解温度比纯PP 提高80℃[4]。这都证明了这个材料的发展前景非常的好，但对其工业化产品化的最大限制因素就是碳纳米管的价格较高，还需要探索新的途径降低成本。

3、水合金属氧化物复合材料

水合金属氧化物是现在兴起的一种新型阻燃填充剂。它成本低廉，原料来源广，低烟无毒，受到了广泛的关注。其原理是水合金属氧化物受热后会释放出结晶水,吸收大量的热量,从而抑制聚合物温度的上升,阻止延燃；与此同时,脱水分解反应产生的大量水蒸气可稀释可燃性气体,起到阻燃效果。所以，用作无卤阻燃剂的水合金属氧化物释放结晶水时的温度必须在聚合物的混合成型温度和分解温度之间的特点,这样才能有阻燃效果。目前通常使用的阻燃剂为Al(OH)3和Mg(OH)2。

环氧树脂在电子、电器等领域应用非常广泛，目前环氧树脂电子产品所用的阻燃剂主要是含卤素的化合物；二烷基次膦酸盐的磷含量高，较低的添加量即可使材料获得较高的阻燃性能，所以选择了甲基丁基次膦酸铝/环氧树脂阻燃复合

材料作为其中的代表。将甲基丁基次膦酸铝加入到环氧树脂中并进行超声波震荡，同时加入然后加入固化剂DDM分散至均相。将聚合物倒入模具中固化成型，脱模后即得到Al( MBP)/EP 复合材料。结果表明,Al(MBP)是EP的高效阻燃剂,15%用量就可以使Al(MBP)/EP复合材料的氧指数值(LOI)达到29.6%,垂直燃烧通过

UL94 V-0级标准。Al(MBP)能够明显抑制EP的分解,降低EP的分解速率,提高其成炭能力。此外,Al(MBP)与EP的相容性较好,对复合材料的机械性能影响不大;

复合材料的玻璃化转变温度(Tg)明显提高,15%和20%的Al(MBP)/EP复合材料的Tg分别为161.2和172.5℃,远高于纯EP(150.6℃)[5]。由于Al( MBP)对EP具

有良好的阻燃效果，相容性较好，对EP 复合材料的力学性能影响较小) Al( MBP) 的加入，能明显提高聚合物的玻璃化转变温度次膦酸盐Al( MBP) 是适用于环氧树脂的新型的绿色阻燃剂，有望在电子电器产品中得到应用。

4、硅添加复合材料

硅系阻燃剂分为无机硅阻燃剂和有机硅阻燃剂两种，对无机硅阻燃剂的研究既有对传统的无机硅填料的阻燃研究，也有对新型材料—聚合物/层状硅酸盐纳

米复合材料阻燃性能的研究。

有机硅系阻燃剂具有热氧化稳定、高效、低烟、无毒、防熔滴、对基材性能影响小等优点，这是由构成分子主链的硅氧键的性质所决定的。对有机硅系阻燃材料的研究主要是通过改进分子结构、提高相对分子质量、共混等来提高阻燃抑烟效果、改善成炭性及基体材料的加工和力学性能。无机硅系阻燃剂则主要包括聚合物/层状硅酸盐以及聚合物/二氧化硅纳米复合材料，由于硅氧键键能大，热稳定性好，不易发生化学反应，同时柔顺性很好，已经取得了很大的应用[6]。

POSS（多面体倍半硅氧烷）同时具有有机和无机两部分，尺寸是纳米大小的笼状分子，大部分的骨架都是二氧化硅分子但又有所不同，每个角落的硅原子都可以与官能团相连，便于接枝、共聚、共混、因此与聚合物有很好的相容性5。以自行合成的无机一有机杂化材料——笼形八苯基硅倍半氧烷（ORS）与三元乙

丙橡胶（EPDM）、硫化荆制成新型复合材料，测定了材料的力学性能和氧指数（LOJ）、UL-94阻燃性能，并利用热重分析仪考察了材料的热稳定性，利用锥型量热仪测试了材料的热释放速率等多种燃烧参数。结果表明，OPS复合的EPDM与纯EPDM 相比，氧指数有所提高，释热速率降低，热稳定性提高，力学性能得到明显的改善。20份OPS的加入可以使拉伸强度增加一倍，初始热分解温度提高19℃，氧

指数提高18.5％，热释放速率降低3％6

结论

随着高分子工业的比重越来越大，在人们生活中的应用越来越广泛，随着科学技术的快速发展，开发新的高分子阻燃材料已经是大势所趋。同时，人们对环保和健康意识的日益强化，阻燃材料的发展也会与之相适应，产品结构也会相应调整，部分阻燃材料会退出历史舞台，健康环保的阻燃材料也将问世。以上三种高分子阻燃材料虽然现在没有能够得到广泛的认知和应用，工业产业化也存在着各种困难，但是随着科学技术的发展，我们必然会找到解决的办法，开发出符合人们需求的高分子阻燃材料。

参考文献

[1] 欧育湘. 阻燃剂 [ M ] . 北京: 兵器工业出版社, 1997

[2] Gilman J W, Kashiwagi T ,Lichtenhan J D.Nanocomposites: A revolutionar y new flame retardant approach.SA M PE Journal,1997,33(4):40~ 46 [3] 孙莉，施艳琴，钟明强.碳纳米管的表面性质对PA6/PP复合材料摩擦性能的影响[J].塑料，2009, 38(1): 101-103.

[4] 赵芸,丁雪佳,矫庆泽,等.聚丙烯/碳纳米管复合材料的热稳定性研究[J].中国塑料，2006, 20(4): 43-46.

[5] 刘学清,刘继延,蔡少君,陈风. 甲基丁基次膦酸铝/环氧树脂阻燃复合材料性能研究[J]. 塑料工业. 2012(02)

[6] 潘其维,范星河,陈小芳,周其凤. 六面体倍半硅氧烷(POSS)杂化材料[J]. 化学进展. 2006(05)

[7] 高钧驰，杨荣杰ＥＰＤＭ／ＰＯＳＳ复合材料的阻燃性高分子材料科学与工程第２６卷第４期２０１０年４