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纳米氢氧化铝(VK-LA50)阻燃机理及应用研究

纳米氢氧化铝(VK-LA50)阻燃机理及应用研究

纳米氢氧化铝[Al(OH)3VK-LA50]具有阻燃、消烟、填充三大功能,在燃烧时无二次污染,热稳定好、无毒、不挥发、不产生腐蚀气体。发烟量少,且资源丰富,价格更宜,广泛用于电工、电子、电线电缆、日用品、建筑材料、运输等塑料、橡胶以及纸张、纤维制品中。目前,全世界,每年都有不同规格的氢氧化铝问世,且其使用数量每年都在大幅度增加。国内使用的普通工业氢氧化铝主要存在如在2个问题:1)由于粒径(100~200),阻燃效率低,为达到一定的阻燃效果,聚合物的填充量高达40%,导致材料混炼、成型时流动性差,不仅严重影响材料力学性能和表观性能,而且使其挤出加工性能变差;2)分解温度太低,在240度左右明显脱水。所以,需要在较高温度下加工的高聚物将因产生微小的孔穴而影响其性能。

 纳米氢氧化铝不仅可以提高阻燃聚合物的有限氧指数,增加阻燃性能,且有助于改善聚合物制品的表面光洁度和力学、电学性能,增强其抗漏电、耐电弧和耐磨损能力,还用于消烟和减少材料燃烧时腐蚀气体的生成量。此外,与其它阻燃剂的复合使用更为理想,具有广阔的前景。

1 。 阻燃机理

纳米氢氧化铝阻燃作用下主要表现在一下3个方面

1)加入到聚合物中的氢氧化铝明显降低了可燃性聚合物基体的浓度,从而降低阻燃系的释热率。纳米氢氧化铝一般含有结晶水或可生成水的组分,在300~350度吸收大量的潜热而脱水,降低了材料表面的火焰实际温度而使聚合物降解为低分子的速度减,减少 了可燃物的发生。氢氧化铝脱水后生成活性氧化铝(Al2O3,促进脱氢反应,生成保护炭层,同时催化炭的沉淀及相应炭的氧化反应,降低阻燃系烟雾生成量。

2)  纳米阻燃剂有助于充分发挥其阻燃性能。因纳米粒子尺寸细小、比表面积大,粒子在聚合材料中均匀分散,受热可均匀释放其阻燃性,避免了微米阻燃剂局部分解而造成聚合材料成炭不均匀,导致成炭质量差。

3) 高温下纳米氢氧化铝与可燃物反应可导致炭化层的生成,该炭化层起到隔绝空气的作用,隔绝可燃物的热分解。纳米粒子充分分解在炭化层中起着骨架的作用,使生成的炭化层具有较好的刚性和强度,可抵御火灾中烟气流动产生的气流。

3)  纳米氢氧化铝可作为电子给予体终止自由基反应。分散的纳米阻燃剂在火焰中均匀分散、气化、产生游离基充分作用而终止反应链。

2. 纳米氢氧化铝阻燃聚合物研究

纳米氢氧化铝粒子表面改性后,其比表面积增大、分散性好,基本呈纳米状态分散在聚合物中。少量阻燃增效剂可使阻燃体系的性能有明显提高,如抑制熔滴滴落、改善力学性能。与纳米氢氧化铝起协同作用的无机阻燃剂很多,开发高效阻燃增效剂、表面处理及纳米化可减少氢氧化铝用量。

Beyer利用纳米氢氧化铝/乙烯-醋酸乙烯共聚物,发现与普通氧化物相比,纳米氢氧化铝粒子引入使得改性乙烯-醋酸乙烯共聚物具有极好的阻燃性能,热稳定性及高分散温度,高温度成炭是其阻燃提高的主要因素。

蔡挺松采用纳米改性氢氧化铝对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)进行阻燃研究,在纳米氢氧化铝填充料为5%时,冲击强度、断裂伸长率达到最大值;纳米改性氢氧化铝具有提高氧指数、降低分解速度的作用。陈妍将纳米氢氧化铝以不同的比列添加到尼龙66PA66)中,发货材料的阻燃性能、拉伸性能和冲击性能都有所改善,纯尼龙66与添加40份纳米氢氧化铝/尼龙66相比,氧指数(LOI)25提高到29,拉伸性能提高了31%,冲击性能提高了8.6%

郭奋等研究纳米氢氧化铝/LDPE(低密度聚乙烯)/ 乙烯-醋酸乙烯共聚物共聚物体系,结果显示填充料为60%时,达到树脂体系力学性能与燃烧性能的最佳状态。常志宏研究了纳米氢氧化铝填充低密度乙烯-醋酸乙烯共聚物的力学和阻燃性能,纳米氢氧化铝的添加提高树脂体系的分解温度,增加结炭率。显著提高氧指数。洪旭东制备了氧指数为38.1%的力学性能提高的乙烯-丙烯-丁二烯嵌段共聚物(EPDM)纳米氢氧化铝复合材料。

纳米氢氧化铝含量较低时,主要以纳米个体粒子或数个粒子的聚结形态存在;当纳米氢氧化铝含量较高时,易形成大尺度的团聚。因此,采用常规机械混熔法得到纳米氢氧化铝填充的纳米复合材料。在有机-无机杂化材料不仅无机粒子分散均匀,材料整体结构均匀,而且在适当条件下两者能以化学键形式键合,保持材料各性能的温度而颇受关注。杨鹜远用氧化-还原引发体系(NH42S2O8-NaHSO3)合成了氢氧化铝-聚丙烯酰胺杂化复合絮凝剂。结果表明杂化物丙烯酰胺链的端基(—SO-42)与带正电荷的氢氧化铝胶体粒子以离子键性质键和,氢氧化铝的存在可使杂化聚合物分子量显著提高,原位聚合过程能使团聚的氢氧化铝胶体微粒纳米化。

不同分解温度的阻燃剂配合能够产生阻燃协同效应,混合阻燃剂在较宽的温度范围内阻燃效果优于单一阻燃剂,可以降低单一阻燃剂用量。纳米氢氧化铝的良好阻燃效果、无毒及抑烟等优势与有机阻燃剂结合可有效降有毒卤系、溴系用量,充分发挥二者协同阻燃效应。由于纳米氢氧化铝的有效使用温度范围较低,为扩大氢氧化铝使用范围,可采用单组份沉淀法、醇盐水解法和共沉淀法制备纳米氧化锑(Sb2O3)-氢氧化铝复合阻燃剂来协效阻燃。氧化锑与氢氧化铝可优势互补。因此,两者具有真正协同作用。

陈妍研究了纳米改性氢氧化铝单独使用以及与包覆红磷协效阻燃尼龙66复合体系的阻燃性能和力学性能,包覆红磷与纳米改性氢氧化铝具有一定的协同效应,复合体系的氧指数明显升高。纳米改性氢氧化铝与红磷协同效应,实现了在无机阻燃剂添加量相对较少且保证尼龙66本身力学性能提高的前提下,大幅度改善材料阻燃性能的要求。蔡挺松研究了纳米改性氢氧化铝与包覆红磷复合阻燃剂对聚对苯二甲酸丁二醇酯的影响。发现纳米改性氢氧化铝和包覆红磷复合阻燃对聚对苯二甲酸丁二醇酯复合体系,在包覆红磷添加量为10phr(份数),纳米改性氢氧化铝为20phr时,聚对苯二甲酸丁二醇酯复合材料的氧指数从21%提高到30%,达到V-0级,该复合体系具有优良的阻燃性能和力学性能。

此外,王新龙考察了纳米氢氧化铝/磷酸酯复配体系对环氧树脂阻燃性能和热稳定性能的影响,评价了纳米氢氧化铝/磷酸酯体系的良好协同阻燃效果。