二维超薄过渡金属基材料可控制备及其在聚氨酯中阻燃和可持续循环研究

It is well known that two dimensional ultrathin materials of transition metal compounds possess excellent catalytic performance and barrier effect. This proposal covers the synergistic optimization of catalytic carbonization and catalytic oxidation of two dimensional ultrathin materials of transition metal compounds for acquisition of polyurethane/two dimensional ultrathin materials of transition metal compound composites with efficient flame retardant and sustainable recycling. Available pathways will be designed for preparation and surface modification of two dimensional ultrathin materials of transition metal compounds, which affect flame retardancy and sustainable recycling in polyurethane composites. Based on the establishment of a series of preparation methods for two dimensional ultrathin materials, it will be further studied about the correlations among pyrolysis, charring, heat and smoke release, and sustainable recycling performances, which will reveal the flame retardant and smoke production mechanism of polyurethane composites, and their catalytic carbonization behaviors in closed system. The relationship of compositions, microstructures and performances of polyurethane composites will be established to controllably prepare polyurethane composites with efficient flame retardancy and sustainable recycling. This project will provide new principle and material system for the design and application of new high performance flame retardant polymer composites.

基于二维过渡金属化合物超薄材料优异的催化性能和阻隔效应，本项目拟以聚氨酯/二维超薄过渡金属化合物复合材料为主要研究对象，聚焦二维过渡金属化合物超薄材料的调控与催化炭化、催化氧化性能的大幅度提高，以二维过渡金属化合物超薄材料的可控制备、表面修饰及其热塑性聚氨酯复合材料的阻燃、可持续循环性能为研究主线，在建立系列二维超薄材料制备方法的基础上，深入开展聚氨酯复合材料热解过程、成炭行为、热释放和烟气释放及可持续循环的研究，揭示聚氨酯复合材料的阻燃、生烟机制，阐明转化聚氨酯复合材料为碳材料的行为及机理，建立燃烧和受热过程中复合材料的组成-微观结构-性能之间的构效关系，实现互为制约的结构与性能的协同调控，研制出高性能兼具阻燃和可持续循环性能的聚氨酯复合材料，进而为制备系列高性能阻燃和可持续循环的聚合物复合材料提供理论基础。本项目的研究将为新型高性能阻燃聚合物复合材料的设计和应用提供新原理和新材料体系

本项目针对二维过渡金属化合物超薄材料优异的催化性能和阻隔效应，以聚合物/二维超薄过渡金属化合物复合材料为主要研究对象，以材料的阻燃、可持续循环性能为研究主线，开展复合材料热解过程、成炭行为、热释放和烟气释放及可持续循环的研究。主要结论如下：(1)设计合成了Co(OH)2超薄纳米片，TPU/Co(OH)2表现出优异的性能阻燃和抑烟性。与TPU相比，添加4 wt%的超薄Co(OH)2纳米片导致pHRR降低超过52%。TSP与纯TPU相比下降了约35.7%。在密封高压釜中进行绿色自催化过程为回收TPU/Co(OH)2纳米复合材料，生成Co/CNTs纳米复合材料，碳化效率超过85%。(2)合成CuPP纳米片，用于制备的EP/CuPP纳米复合材料。LOI和UL-94数据表明4wt%CuPP显著提高EP的阻燃性能。CuPP的显着降低了复合材料的HRR，THR，SPR，TSP，COP和CO2P。这归因于紧凑的膨胀型碳质/高强度和热稳定性炭层，可有效抑制聚合物基体与火焰之间的传热传质。(3)设计出的超薄FePP纳米片制备EP/FePP纳米复合材料。结果表明FePP纳米片提高了EP/FePP纳米复合材料的残留量。EP/4wt%FePP纳米复接近V0等级，LOI值高达35.1%。与纯EP相比，EP/4wt%FePP纳米复合材料的PHRR，THR，TSP和COP峰值明显降低了分别为42.6%，26.3%，33.3%和49.8%。FePP纳米片具有出色的催化作用，铁的碳化性能和优异的协同磷阻燃的能力，产生致密而坚硬的碳质无机层，抑制EP纳米复合材料与火焰之间的传热和传质。(4)制备蒙脱土层间钴化合物，利用酸化壳聚糖为改性剂，获得CTS-Co-OMT；制备了PP/IFR/CTS-Co-OMT纳米复合材料。结果表明CTS-Co-OMT能有效提高复合材料的热性能；PP/IFR/4CTS-Co-OMT纳米复合材料的LOI达到最高为32.1，通过V-0阻燃级别。加5wt%CTS-Co-OMT的纳米复合材料的烟总释放量降低约33.5%，成炭量提高了18.4%，抑烟和阻燃性能良好。这归因蒙脱土的片层阻隔作用和钴化合物的催化成炭作用，在聚合物表面形成了致密炭层，延缓了易燃气体挥发和氧气扩散，提升阻燃效果。本项研究将为新型高性能阻燃聚合物复合材料的设计和应用提供新原理和新材料体系。