基于纳米纤维素的自增强膨胀型阻燃剂的构筑及其阻燃、增强机理研究

Intumescent flame retardant(IFRs)is considered as one of the current research focuses in flame-retardancy field worldwide due to its low smoke, low toxicity and high efficiency. However,IFRs remains not to effctively address the bottleneck problem that it cannot confer both excellent flame retardancy and mechanical properties on flame-retarding materials up to date. Considering the advantages of cellulose nanofibres (CNFs) including the high strength, high length-diamater ratio and lots of hydroxyl groups on its surface making CNFs easy to modify,above bottleneck of IFRs will be hopefully resolved if effectively combining CNFs and IFRs.The project aims to chemically graft phosphorus and nitrogen flame-retardant elements and metal as catalytically synergistic elememt onto the CNFs surface with high loading level via a smart molecular design,and fabricate catalytically IFRs with self-reinforcing effect using CNFs as the reinforcing agent and carbon source of IFRs,which will enable IFRs to possess both high-performance flame retardancy and effective reinforcement properties. This project will reveal the construction law of IFRs by investigating effects of chemical reation parameters on the loading level of phosphorous, nitrogen and metal elements on CNFs surface. Also,it establishs its structure-property relation between chemical composition and structure through investigating effcts of IFRs on the processing, flame-retardancy, and mechanical properties of PLA or PP,and further clarify its flame-retardancy and reinforcing mechanisms.This project will provide important scientific and technical data for creating high-performance IFRs and its wide applications.

膨胀型阻燃剂（IFRs）因具有低烟、低毒、高效等优点而成为目前国内外阻燃领域的研究热点之一。然而，IFRs至今仍未能满意解决使所阻燃材料同时兼具优异阻燃性能和力学性能的瓶颈和难点。考虑到纳米纤维素（CNFs）具有高强、高长径比及表面富含羟基而易于改性的特性，若将CNFs与IFRs有效结合便有望突破后者的研究瓶颈。本项目旨在以CNFs作为IFRs的增强剂和碳源，通过巧妙的分子设计，将磷-氮阻燃元素与金属催化协效元素高密度接枝到CNFs表面，构筑具有自增强效应的催化膨胀型阻燃剂，有望实现IFRs高效阻燃与有效增强的统一。考察化学工艺参数对阻燃剂中磷-氮-金属含量的影响，揭示其构筑规律。研究该类阻燃剂在聚乳酸和聚丙烯等树脂中的加工、阻燃及力学性能，建立其化学组成结构与综合性能间的构-效关系，并阐明其阻燃、增强机制。该项目的研究将为膨胀型阻燃剂的高性能化及广泛应用提供重要的科学依据。

目前，聚合物材料已广泛应用于各国民经济各领域，然而大多数聚合物极其易燃，对人们的生命财产安全构成极大隐患。添加阻燃剂是解决其易燃性的最简便有效的方法。膨胀型阻燃剂（IFRs）因具有低烟、低毒和高效等优点而成为目前国内外阻燃领域的研究热点之一。然而，IFRs至少仍未能满意解决使所阻燃材料同时兼具优异阻燃性能和力学性能的瓶颈和难点。考虑到纳米纤维素（CNFs）具有高强、高长经比及表面富含羟基而易于改性的特性，若将CNFs与IFRs有效结合便有望突破后者的研究瓶颈。本项目通过以CNF作为IFRs的增强剂和碳源，通过分子设计，将磷氮阻燃元素高密度接枝到CNF表面，构建具有自增强效应的膨胀型阻燃剂，实现了IFRs的高效阻燃与有效增强的统一。本项目考察了合成工艺参数对阻燃剂中的磷-氮含量的影响，建立其构建方法。研究所制阻燃剂对聚乳酸的加工、阻燃和力学性能的影响，建立起化学组成结构和综合性能间的构效关系，阐明了其阻燃机制和增强机制。研究结果表明，添加10wt%的所制备IFRs可使PLA的峰值热释放速率降低31%，且通过垂直燃烧的V-0。同时，我们发现纳米复合材料的流变行为（相对储能模量或相对复杂黏度）与燃烧行为（相对峰值热释放速率）间存在很好的线性关系。受高热时，磷-氮部分首先分解产生熔融碳层，纳米纤维素可充当该碳层的增强骨架，提高其强度，并有助于形成连续致密的膨胀碳层，可显著强化IFRs的隔热隔氧效应，因而极大提高聚合物的阻燃性能。另外，添加10wt%的所制备IFRs使PLA的拉伸强度和杨氏模量分别提高24%和26%。因为在外力作用下，改性纤维素与PLA间良好的界面黏附力可有效使应力从基体树脂传递给高强度的纳米纤维素，因而实现了纳米纤维素的有效增强。该项目的研究建立了一种阻燃剂的高性能化的新方法，开辟了一种制备高性能环保高分子材料的新途径，深化理解了复合材料结构与性能间的关系。