分子筛型多孔磷酸镍在膨胀阻燃体系中的应用及其协效阻燃机理的研究

How to improve the efficiency of intumescent flame retardants(IFR) to make halogen-free intumescent flame retardant materials with excellent physical and flame retardant properties is a very important scientific problem faced in intumescent flame retardant technology. In order to solve above problem, the project plans to design and synthesize zeolite-typed nickel phosphate (ZT-NiP) with "four in one" multiple functions. Then ZT-NiP synergizes with the IFR which has excellent thermal stability and water resistance to prepare novel efficient intumescent flame retardant composites. The relationship of the composition and porous structure of ZT-NiP with the properties of flame retardant intumescent composites will be investigated to identify the optimal synergistic flame retardant structure of ZT-NiP and the optimal flame retardant system. Furthermore, the synergistic mechanism of ZT-NiP with IFR will be investigated by studying the influences of ZT-NiP on the expanding behavior of IFR, the structure and morphology of intumescent char layer and the thermal behavior of IFR. The research is helpful for revealing the effects of pore structure in the intumescent flame retardancy , and provides a novel design method for high efficient flame retardant system.

如何提高膨胀阻燃剂（IFR）的阻燃效率，使无卤膨胀阻燃聚合物材料兼具优异的阻燃性能和力学性能是国内外膨胀阻燃技术研究面临的重要科学问题。针对上述问题本项目拟建立一种"复合功能" 协效阻燃新思路，从分子设计角度出发合成具有"四合一"功能的分子筛型多孔磷酸镍（ZT-NiP），并将其应用于膨胀阻燃体系中，与具有优异耐水性、加工稳定性的IFR协同制备新型高效膨胀阻燃聚合物复合材料。研究ZT-NiP的组成、孔道结构与复合材料性能的关系，尤其是孔道结构与阻燃性能和力学性能的关系，探讨ZT-NiP最佳协效阻燃结构；研究ZT-NiP的组成、孔道结构与膨胀阻燃体系的膨胀行为、膨胀炭层的形貌、组成和结构以及膨胀阻燃体系的热解历程、热解产物之间的关系，揭示ZT-NiP与IFR协效阻燃机理。本项目有助于揭示孔道结构在膨胀阻燃中的作用机制，为新型高效阻燃体系的构建提供新的设计思想。

本项目合成具有“四合一”功能的分子筛型多孔磷酸镍（ZT-NiP），并将其应用于膨胀阻燃体系中，制备了高效膨胀阻燃聚丙烯（PP）复合材料。研究ZT-NiP的组成、结构与复合材料性能的关系，揭示ZT-NiP与IFR协效阻燃机理。研究表明不同类别的ZT-NiP组成、结构存在一定的差异。VSB-1的Ni和P 元素含量为15.11 wt%和38.01 wt%，孔径为0.85nm。 VSB-5的Ni和P 元素含量为12.84 wt%和40.66 wt%，孔径为1 nm。 多孔磷酸镍纳米管（NiPO-NT）的Ni和P 元素含量为13.2 wt%和30.5 wt%，孔径为3.5 nm。同时以VSB-1为对象研究合成条件对ZT-NiP的组成、结构的影响。研究表明调节合成条件所制备的VSB-1结构、组成相近，但VSB-1形貌之间存在较大差异，典型的形貌为针状和蘑菇状形貌。 将上述ZT-NiP其应用于膨胀阻燃体系中制备高效膨胀阻燃PP复合材料。研究表明ZT-NiP与IFR协效阻燃效果呈现规律性变化，在一定添加量情况下，复合材料阻燃效果随着ZT-NiP添加量的增加而提高，但超过一定量过后阻燃效果反而下降。不同种类的ZT-NiP具有不同的最佳添加量，且对复合材料阻燃效果提高程度不同。NiPO-NT在添加0.3wt%情况下即可达到最佳阻燃性能，NiPO-NT体现出更加优异的阻燃协效效率。含有ZT-NiP膨胀阻燃PP复合材料具有优异的耐水性能，在70℃热水中水煮168h后，复合材料仍让能通过UL-94 V-0 级别。在保持膨胀阻燃PP复合材料阻燃级别（UL-94 V-0）不变情况下，未加ZT-NiP的复合材料需要25wt%的IFR，而含有ZT-NiP的复合材料总添加量在20wt%即可达到UL-94 V-0 级别，并且材料力学性能相比含有25wt%IFR的复合材料有明显改善，含NiPO-NT复合材料的断裂伸长率明显优于含其它ZT-NiP的复合材料。机理研究表明ZT-NiP与IFR的协效阻燃机理属于凝聚相阻燃机理，不同的ZT-NiP在协效阻燃效率方面存在一定的差异，主要由NP中P、Ni元素含量不同、形貌、孔径结果不同导致，相比之下，ZT-NiP中孔径的大小比催化、阻燃元素Ni、P对阻燃效率的影响更加明显。本项目的研究成果为孔道结构在阻燃中作用提供了理论基础，为新型高效阻燃体系的构建提供新的设计思想。