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納米氫氧化鋁(VK-LA50)阻燃機理及應用研究

納米氫氧化鋁(VK-LA50)阻燃機理及應用研究

納米氫氧化鋁[Al(OH)3VK-LA50]具有阻燃、消煙、填充三大功能,在燃燒時無二次污染,熱穩定好、不揮發、不產生腐蝕氣體。發煙量少,且資源豐富,價格更宜,廣泛用于電工、電子、電線電纜、日用品、建筑材料、運輸等塑料、橡膠以及紙張、纖維制品中。目前,全世界,每年都有不同規格的氫氧化鋁問世,且其使用數量每年都在大幅度增加。國內使用的普通工業氫氧化鋁主要存在如在2個問題:1)由于粒徑(100~200),阻燃效率低,為達到一定的阻燃效果,聚合物的填充量高達40%,導致材料混煉、成型時流動性差,不僅嚴重影響材料力學性能和表觀性能,而且使其擠出加工性能變差;2)分解溫度太低,在240度左右明顯脫水。所以,需要在較高溫度下加工的高聚物將因產生微小的孔穴而影響其性能。

 納米氫氧化鋁不僅可以提高阻燃聚合物的有限氧指數,增加阻燃性能,且有助于改善聚合物制品的表面光潔度和力學、電學性能,增強其抗漏電、耐電弧和耐磨損能力,還用于消煙和減少材料燃燒時腐蝕氣體的生成量。此外,與其它阻燃劑的復合使用更為理想,具有廣闊的前景。

1 。 阻燃機理

納米氫氧化鋁阻燃作用下主要表現在一下3個方面

1)加入到聚合物中的氫氧化鋁明顯降低了可燃性聚合物基體的濃度,從而降低阻燃系的釋熱率。納米氫氧化鋁一般含有結晶水或可生成水的組分,在300~350度吸收大量的潛熱而脫水,降低了材料表面的火焰實際溫度而使聚合物降解為低分子的速度減,減少 了可燃物的發生。氫氧化鋁脫水后生成活性氧化鋁(Al2O3,促進脫氫反應,生成保護炭層,同時催化炭的沉淀及相應炭的氧化反應,降低阻燃系煙霧生成量。

2)  納米阻燃劑有助于充分發揮其阻燃性能。因納米粒子尺寸細小、比表面積大,粒子在聚合材料中均勻分散,受熱可均勻釋放其阻燃性,避免了微米阻燃劑局部分解而造成聚合材料成炭不均勻,導致成炭質量差。

3) 高溫下納米氫氧化鋁與可燃物反應可導致炭化層的生成,該炭化層起到隔絕空氣的作用,隔絕可燃物的熱分解。納米粒子充分分解在炭化層中起著骨架的作用,使生成的炭化層具有較好的剛性和強度,可抵御火災中煙氣流動產生的氣流。

3)  納米氫氧化鋁可作為電子給予體終止自由基反應。分散的納米阻燃劑在火焰中均勻分散、氣化、產生游離基充分作用而終止反應鏈。

2. 納米氫氧化鋁阻燃聚合物研究

納米氫氧化鋁粒子表面改性后,其比表面積增大、分散性好,基本呈納米狀態分散在聚合物中。少量阻燃增效劑可使阻燃體系的性能有明顯提高,如抑制熔滴滴落、改善力學性能。與納米氫氧化鋁起協同作用的無機阻燃劑很多,開發高效阻燃增效劑、表面處理及納米化可減少氫氧化鋁用量。

Beyer利用納米氫氧化鋁/乙烯-醋酸乙烯共聚物,發現與普通氧化物相比,納米氫氧化鋁粒子引入使得改性乙烯-醋酸乙烯共聚物具有阻燃性能,熱穩定性及高分散溫度,高溫度成炭是其阻燃提高的主要因素。

蔡挺松采用納米改性氫氧化鋁對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)進行阻燃研究,在納米氫氧化鋁填充料為5%時,沖擊強度、斷裂伸長率達到最大值;納米改性氫氧化鋁具有提高氧指數、降低分解速度的作用。陳妍將納米氫氧化鋁以不同的比列添加到尼龍66PA66)中,發貨材料的阻燃性能、拉伸性能和沖擊性能都有所改善,純尼龍66與添加40份納米氫氧化鋁/尼龍66相比,氧指數(LOI)25提高到29,拉伸性能提高了31%,沖擊性能提高了8.6%

郭奮等研究納米氫氧化鋁/LDPE(低密度聚乙烯)/ 乙烯-醋酸乙烯共聚物共聚物體系,結果顯示填充料為60%時,達到樹脂體系力學性能與燃燒性能的較好狀態。常志宏研究了納米氫氧化鋁填充低密度乙烯-醋酸乙烯共聚物的力學和阻燃性能,納米氫氧化鋁的添加提高樹脂體系的分解溫度,增加結炭率。顯著提高氧指數。洪旭東制備了氧指數為38.1%的力學性能提高的乙烯-丙烯-丁二烯嵌段共聚物(EPDM)納米氫氧化鋁復合材料。

納米氫氧化鋁含量較低時,主要以納米個體粒子或數個粒子的聚結形態存在;當納米氫氧化鋁含量較高時,易形成大尺度的團聚。因此,采用常規機械混熔法得到納米氫氧化鋁填充的納米復合材料。在有機-無機雜化材料不僅無機粒子分散均勻,材料整體結構均勻,而且在適當條件下兩者能以化學鍵形式鍵合,保持材料各性能的溫度而頗受關注。楊鶩遠用氧化-還原引發體系(NH42S2O8-NaHSO3)合成了氫氧化鋁-聚丙烯酰胺雜化復合絮凝劑。結果表明雜化物丙烯酰胺鏈的端基(—SO-42)與帶正電荷的氫氧化鋁膠體粒子以離子鍵性質鍵和,氫氧化鋁的存在可使雜化聚合物分子量顯著提高,原位聚合過程能使團聚的氫氧化鋁膠體微粒納米化。

不同分解溫度的阻燃劑配合能夠產生阻燃協同效應,混合阻燃劑在較寬的溫度范圍內阻燃效果優于單一阻燃劑,可以降低單一阻燃劑用量。納米氫氧化鋁的良好阻燃效果、無毒及抑煙等優勢與有機阻燃劑結合可有效降有毒鹵系、溴系用量,充分發揮二者協同阻燃效應。由于納米氫氧化鋁的有效使用溫度范圍較低,為擴大氫氧化鋁使用范圍,可采用單組份沉淀法、醇鹽水解法和共沉淀法制備納米氧化銻(Sb2O3)-氫氧化鋁復合阻燃劑來協效阻燃。氧化銻與氫氧化鋁可優勢互補。因此,兩者具有協同作用。

陳妍研究了納米改性氫氧化鋁單獨使用以及與包覆紅磷協效阻燃尼龍66復合體系的阻燃性能和力學性能,包覆紅磷與納米改性氫氧化鋁具有一定的協同效應,復合體系的氧指數明顯升高。納米改性氫氧化鋁與紅磷協同效應,實現了在無機阻燃劑添加量相對較少且保證尼龍66本身力學性能提高的前提下,大幅度改善材料阻燃性能的要求。蔡挺松研究了納米改性氫氧化鋁與包覆紅磷復合阻燃劑對聚對苯二甲酸丁二醇酯的影響。發現納米改性氫氧化鋁和包覆紅磷復合阻燃對聚對苯二甲酸丁二醇酯復合體系,在包覆紅磷添加量為10phr(份數),納米改性氫氧化鋁為20phr時,聚對苯二甲酸丁二醇酯復合材料的氧指數從21%提高到30%,達到V-0級,該復合體系具有優良的阻燃性能和力學性能。

此外,王新龍考察了納米氫氧化鋁/磷酸酯復配體系對環氧樹脂阻燃性能和熱穩定性能的影響,評價了納米氫氧化鋁/磷酸酯體系的良好協同阻燃效果。

 

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