納米PBT聚合物材料的阻燃研究進展

蘇加強，牛 磊，劉 燁

（1.蘭州工業研究院，甘肅 蘭州 730000，2.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

PBT納米復合材料由于其易加工、質量輕以及綜合性能好等優異性能，在日常生活中的得到大量使用。然而，PBT復合材料遇火后容易燃燒，具有相對高的可燃性，在燃燒過程中會產生腐蝕性的氣體、有毒氣體等，對人民的生命造成重大威脅[1]。因此，改善PBT復合材料的阻燃性能在實際應用中具有重大的意義。隨著科學技術的進步和經濟的發展，人們對聚合物材料阻燃性能的要求也越來越高，而各種阻燃添加劑，如鹵化添加劑，因其對環境可能產生不利的影響而被逐步淘汰。因此，開發高效且環保的阻燃添加劑具有重要的現實意義。自納米材料被發現以來，人們對其性能進行了大量研究，對于納米材料在復合材料阻燃應用中的研究也逐漸成為關注的焦點[2]。研究者對納米阻燃劑的改性、納米復合材料結構和性能之間的關系以及納米PBT復合材料的阻燃性能和阻燃機理等進行了研究，綜合分析了影響聚合物納米復合材料綜合物理和阻燃性能的因素，提出了有效的阻燃研究方法。本文總結了近年來納米PBT復合材料阻燃領域取得的研究進展，探討了納米阻燃研究中需要解決的實際問題。

1 碳族納米復合材料阻燃研究

自碳族納米材料被發現以來，其優異的綜合性能引起了研究者廣泛關注，對于碳族納米復合材料的阻燃性能研究也呈現出逐年增長的趨勢。采用直接成核生的方式在石墨烯表面合成錳鈷氧化物/石墨烯（MnCO2O4-GNS）雜化物，并將其與聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）進行熔融共混，研究錳鈷氧化物/石墨烯對PBT復合材料燃燒熱降解的影響[3]。通過錐形量熱儀對PBT及其復合材料的火災危險性進行了評價，結果表明，加入錳鈷氧化物/石墨烯的PBT復合材料的阻燃效果明顯，HRR和SPR的峰值均低于純PBT材料，含芳香族化合物、羰基化合物、一氧化碳和二氧化碳的熱解產物也明顯減少。Wei Yang[4]等人，研究了無機酸改性碳納米管增強聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT），結果表明：改性碳納米管顆粒均勻地分散在PBT基體材料中，極少量的MCNT能顯著提高PBT材料的結晶溫度和熱穩定性能。與純PBT材料相比其PHRR從1189kw/m2下降到737kw/m2，降低38%，顯著提高了材料的阻燃性能。而Marco Rallini等[5]研究了碳化硼納米顆粒在碳纖維/環氧基樹脂復合材料中阻燃性能的影響。宋平安等[6]構造出多功能的石墨烯、溴和nano-Sb2O3高性能納米聚合物材料，納米阻燃劑的加入可明顯提高復合材料的阻燃性能。Yanxia Qi等[7]采用一步還原法成功地制備了次磷酸鋁/還原氧化石墨烯（AHP/RGO）混合阻燃劑，將所得樣品和聚對苯二甲酸丁二醇酯通過熔融共混的方式制備出阻燃實驗樣條，并通過極限氧指數（LOI）實驗、UL-94實驗和錐形量儀測試等研究了PBT復合材料的阻燃性能。在聚對苯二甲酸丁二醇酯中加入（AHP/RGO）混合阻燃劑，可顯著降低PBT復合材料的熱釋放速率，并使PBT復合材料具有優異的抗滴落性能。

2 納米金屬氧化物聚合物阻燃研究

無機納米顆粒由于其成本低，易于制造，在高溫條件下吸熱脫水而產生阻燃作用，通常作為阻燃劑而應用于復合材料的阻燃研究，這些無機納米顆粒經表面功能化處理后，可以增加其在聚合物基體材料中的分散性，增強聚合物材料的綜合性能等。Gallo[8]等人，研究了AlPi和nano-Fe2O3對聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的熱解和阻燃性能，結果表明：AlPi發揮了氣相阻燃作用，而少量的nano-Fe2O3促進了凝聚態炭的形成，起到固相阻燃作用，PBT納米復合材料的阻燃性能顯著提高。利用超聲波輔助溶液插層技術制備的有機粘土納米復合材料與溴化環氧樹脂和氧化銻進行組合，研究其復配作用阻燃效果[9]，結果表明：聚苯乙烯/溴化環氧基共混納米復合材料表現出混合插層-剝落納米形貌，有機粘土對聚苯乙烯和分散溴化環氧樹脂有增容作用，有利于基體中細小阻燃相的均勻分布。阻燃體系與納米分散有機粘土的凝聚相物理作用相耦合，從而提高了整體的阻燃效果。而以氫氧化鎂為載體的硅系阻燃劑阻燃PBT復合材料的研究表明[10]：添加硅系阻燃劑能顯著的提高PBT復合材料的極限氧指數，將硅系阻燃劑和磷酸硼復配可使PBT復合材料的極限氧指數進一步的提高，同時PBT復合材料的熱降解的速率得到降低，殘炭量明顯提高，同時降低了材料燃燒過程中的煙、熱釋放的速率，有效提高PBT材料的阻燃性能。JianweiHao等[11]研究了nano-Sb2O3顆粒和次磷酸鋁在聚合物中的協效阻燃作用，極限氧指數達到33.6%，UL94等級達到V-0級。Song PA[12]研究了Br-Sb2O3@RGO在納米復合材料中的性能，其極限氧指數可達到29.6%，阻燃性能提升明顯。

3 其他阻燃劑阻燃PBT聚合物材料研究

Junfeng Xiao 等人[13]采用極限氧指數（LOI）和UL-94試驗研究了二聚氰胺 （MA）和磷酸二苯酯（TPP）對聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的阻燃效果研究。當添加10wt.%二聚氰胺（MA）和20wt.%磷酸二苯酯（TPP），極限氧指數從20.9%增加到26.6%，達到UL94V-0級。阻燃劑與PBT基體材料具有較好的相容，阻燃劑的加入有利于PBT材料的結晶，二聚氰胺（MA）和磷酸二苯酯（TPP）的加入改變了PBT材料的降解途徑，同時也改變了氣相產物和凝聚相產物的組成。另有學者研究了納米黏土[14]、有機蒙脫土[15]等作為阻燃劑對PBT材料的阻燃均取得較好的阻燃效果，在燃燒聚合物表面可形成致密碳化層，提高了PBT聚合物材料的阻燃效果。

4 結論

本文綜述了PBT納米聚合物材料的阻燃性能，綜述表明隨著科技的發展和人們環保意識的增強，工業化生產中使用的鹵素化合物因為健康和環境問題而被限制使用。開發新型高效、綠色環保、無毒的阻燃劑已經成為阻燃領域發展的方向，而少量的納米阻燃劑或者納米阻燃劑與傳統阻燃劑復配使用，均能顯示出較好的氣相和凝固相阻燃效果。然而，納米阻燃劑在聚合物材料中的分散性仍然是一個技術難題，納米顆粒與基體材料之間的界面結合力對復合材料綜合物理力學性能的影響等仍需進一步研究，對于納米阻燃技術的深入研究將加快納米材料的實際應用。