聚合物催化炭化体系的炭保护层结构与阻燃性能的构效关系

To develop halogen-free, environmentally friendly flame retarded systems with high-efficiency, low smoke and low toxicity, has been one of the most important topics in the area of polymer materials. Catalytic carbonization system is considered to be one novel flame retarded stratagem for polymer materials, in which polymer itself is carbonized by the combined catalysts and synergists to form protective carbon layer. In our project, nanosized carbon black and nickel compounds will be employed as combined catalysts, inorganic binders as synergists, and polypropylene (PP) and polylactide (PLA) as the representative polymer matrix, to investigate the matching principle between the combined catalysts and synergists, and their control action to the carbon layer of polymers. The relationship between the carbon layer structure and flame retardancy in different test standard will be studied. Furthermore, the research results will be evaluated in other polymer systems to control their carbon structure and improve their comprehensive performances. This work will contribute to provide scientific guidance and experimental support for the design and application of polymer composites with good flame retardancy and other high performances.

开发高效、低烟低毒的无卤环保阻燃体系是当前高分子材料领域的重要研究课题之一。催化炭化阻燃，即通过添加催化剂和协效剂调控聚合物自身的碳化反应而形成保护性炭层，被认为是一种新型的聚合物阻燃策略。本项目选择纳米碳黑和金属镍氧化物作为组合催化剂，无机胶黏剂作为协效剂，聚丙烯（PP）和聚乳酸（PLA）分别作为非极性和极性聚合物基体的代表，深入研究协效剂与组合催化剂的匹配性以及其对聚合物炭层结构的调控规律，阐明不同测试标准中材料阻燃性能与炭层结构的构效关系。在此基础上，将上述研究结果推广到其它聚合物催化炭化体系，进一步探索聚合物炭层结构的调控方法和聚合物综合性能的优化途径。通过以上研究，将为环保高效的聚合物阻燃体系的开发和聚合物复合材料的高性能化提供理论基础和实验依据。

开发高效、低烟低毒的无卤环保阻燃体系是当前高分子材料领域的重要研究课题之一。基于凝聚相阻燃机理，构建高质量的阻隔炭层，是提高聚合物阻燃性能的有效途径。本项目以研究聚合物复合体系的炭层结构与阻燃性能的构效关系为目标，取得了丰硕的成果。首先围绕金属催化剂的催化碳化和炭层优化，分别构建了聚碳酸酯/纳米炭黑/三氧化二镍（PC/CB/Ni2O3）、聚丙烯/纳米炭黑/氧化镍/低熔点玻璃粉（PP/CB/NiO/LGP）、聚丙烯/富勒烯/氢氧化镍（PP/C60/Ni(OH)2）、聚乳酸/聚磷酸铵/含硅大分子成炭剂/纳米氧化镍（PLA/APP/CSi-MCA/NiO）四个催化碳化体系，分析了炭层组成和结构，阐明了协同阻燃机理。随后基于纳米阻燃剂的炭层优化和协同阻燃，研究了CB与聚磷酸铵（APP）在PP体系中的阻燃作用、CB 表面“化学接枝”阻燃剂及PLA和PC中的阻燃行为，重点分析了CB在炭层中的作用和协同阻燃机理。最后基于氢氧化镁的炭层调控和协同阻燃，通过Mg(OH)2和膨胀石墨（EG）复配，研究了这一组合在聚丁二酸丁二醇酯 （PBS）中的阻燃性能，重点研究了“梯度结构”炭层的形成过程及在凝聚相中的阻燃作用。在此基础上，进一步探索了炭层的表征方法和聚合物综合性能的调控策略。该项目对于高效环保阻燃聚合物材料的结构设计具有指导意义，同时有利于促进阻燃PC材料、高性能PLA材料和阻燃PBS包装材料的实际应用。项目执行以来，以第一作者或通讯作者共发表重要学术论文9篇，获得授权申请发明专利1项。