高导热可膨胀石墨微胶囊的制备及阻燃天然橡胶机理

Natural rubber (NR) is highly combustible. The common fire retardant is additive flame retardant, which has a poor compatibility with the NR. Although the current microencapsulation technique can eliminate the defect to a certain level, the shell material (organic) impedes heat transfer in the matrix and increases the fire hazard of NR (low thermal conductivity) because of the heat accumulation. In this project, the expansible graphite (EG) with a high flame retardant efficiency is microencapsulated by organic material to enhance the compatibility with NR. Furthermore, the carbon nanotube (CNT) is embedded into the organic shell, which can improve the thermal conductivity of the shell. Consequently, the CNT-doped microencapsulated EG material with high thermal conductivity is synthesized and incorporated in the NR to improve the flame retardant property. This project is focusing on the control of the microencapsulation morphological and boundary structure, the flame retardant mechanism of microencapsulation and the heat transfer law in NR between CNT and EG, the effect of microencapsulation on the fire behavior of NR. The research is an innovative exploration of new methods to enhance the safety performance of NR and expand the application of the EG in organic materials.

天然橡胶极易燃烧，常用的阻燃剂主要为添加型阻燃剂，与橡胶基体的相容性差，现有的微胶囊包覆技术可以一定程度地解决这一问题，但是包覆使用的有机物材料不利于热量在基体内部的传递，增加了天然橡胶（自身导热系数很低）由于热量积聚导致燃烧的风险。本项目利用包覆技术在高阻燃效率的可膨胀石墨外部包覆有机材料形成微胶囊，提高其与天然橡胶基体的相容性，并在微胶囊囊壁中嵌入碳纳米管，以解决有机包覆材料导热效果差的问题，得到高导热可膨胀石墨微胶囊，然后将其充填至天然橡胶内部，以提高橡胶的阻燃性能。本项目拟研究控制高导热可膨胀石墨微胶囊形态结构以及微胶囊/天然橡胶材料的结构与性能，探究微胶囊在橡胶内部构成传热网络的导热规律和对天然橡胶燃烧行为的影响，揭示微胶囊在天然橡胶中的阻燃机理，探索有效增强天然橡胶安全性能的新方法，同时拓展可膨胀石墨在阻燃有机材料中的应用范围。

天然橡胶极易燃烧，常用的阻燃剂主要为添加型阻燃剂，与橡胶基体的相容性差，现有的微胶囊包覆技术可以一定程度地解决这一问题，但是包覆使用的有机物材料不利于热量在基体内部的传递，增加了天然橡胶（自身导热系数很低）由于热量积聚导致燃烧的风险。为此，本项目提出和研究了“高导热可膨胀石墨微胶囊的制备及阻燃天然橡胶机理”这个关键科学问题，主要工作及取得成果如下：1）分别利用聚甲基丙烯酸甲酯、聚脲材料包覆聚磷酸铵制备微胶囊，研究了微胶囊的结构特征、热分解行为以及对聚合物阻燃性能的影响。聚甲基丙烯酸甲酯、聚脲材料囊壁有效地防止了芯材的潮解，明显提高了聚合物材料的阻燃性能。并且提高了其与聚合物材料基体的相容性，有利于保持聚合物材料的力学性能。2）利用聚甲基丙烯酸甲酯包覆正十八烷制备微胶囊，并在微胶囊囊壁中嵌入碳纳米管和改性碳纳米管，得到高导热微胶囊。研究了碳纳米管对微胶囊导热性能的影响。微胶囊囊壁中嵌入的碳纳米管起到了沟通微胶囊内外热量传递的作用，提高了热传递效率。3）分别利用聚甲基丙烯酸甲酯、聚脲材料包覆可膨胀石墨制备微胶囊，并在微胶囊囊壁中分别嵌入氧化铜、氮化硼和碳纳米管，得到高导热可膨胀石墨微胶囊。研究了高导热可膨胀石墨微胶囊的基础参数及其对天然橡胶阻燃性能、导热性能等性能参数的影响。结果表明，高导热可膨胀石墨微胶囊不仅提高了可膨胀石墨与天然橡胶基体的相容性，还明显改善了其阻燃性能和导热性能，分析了囊壁中的高导热材料与可膨胀石墨构成的导热网络的热传导特性及高导热可膨胀石墨微胶囊在不同外部条件下的热响应行为和阻燃机理，解决了以往可膨胀石墨微胶囊由于导热性能差增加了天然橡胶火灾危险的问题。