阻燃片状纳米晶透明分散体及其复合材料可控制备机制

Two-dimensional inorganic nanocrystals are efficient flame retardants when they are introduced into polymer matrices to fabricate the organic-inorganic nanocomposites. The nanocomposites with two-dimensional nanocrystals are apt to form the peel-core structure to block the air in burning, which provides promising application in the fields of aerospace, electronic information and military project, etc. However, how to prepare the retardant nanocrystal with stability structure and controllable dispersion is the key challenge of innovation of new generation of organic-inorganic nanocomposites.In this proposal, the transparent dispersion of fire retardant nanocrystals in liquid solvents will be synthesized by our proposed novel high-gravity reaction coupled with phase transfer technology. Based on the theories of Ostwald ripening and oriented attachment, the mechanisms to describe crystal growth will be studied in high-gravity environment, and the easily dispersed nanocrystals with high-effective flame retardant property will be prepared. By incorporating the nanocrystal into fiber, the nanocomposite fiber with efficient fire retardant property will be fabricated by means of in-situ polymerization and surface layer co-extrusion or blending with water paint and coating. The mechanism of the interfacial reaction between nanocrystal and fiber matrix will be investigated, and the effect of dispersion state of nanocrystal in fiber matrix on the flame resistance and mechanical properties of the nanocomposite will be explored, which would provide theoretical and technical fundament for the applications of flame retardant nanocrystal and its transparent dispersion.

二维片状无机纳米晶体由于在材料燃烧时易形成"皮-芯"结构，易于阻隔空气，在航空航天、电子信息和军工等绿色高效阻燃领域具有重大的应用前景。但是结构稳定、可控分散性的阻燃纳米晶的制备技术是其在有机基体中应用的瓶颈和核心科学难题。本项目基于奥斯特瓦尔德熟化机制和取向接合生长理论，拟采用超重力技术结合相转移的方法制备透明阻燃纳米晶液相分散体，研究超重力环境下颗粒的生长机制，从而指导结构稳定、易分散的阻燃纳米晶的超重力法可控制备；采用原位聚合表层共挤/辐照或水相共混涂覆的方法制备高效阻燃纳米复合纤维材料，研究纳米晶和纤维基体界面作用机制以及晶体颗粒在基体中分散性对复合材料阻燃和力学等性能的影响，并指导具有目标导向可控分散性的阻燃纳米晶的制备。揭示片状纳米晶及其透明分散体的稳定形成机制，创制高效阻燃纳米复合纤维材料体系，为片状阻燃纳米晶及其透明分散体的重大应用提供理论指导。

合成树脂燃烧时易产生熔滴而烫伤皮肤并造成火势蔓延。无机纳米晶的添加可促使材料燃烧时形成碳壳，从而阻隔空气并包裹熔体，在绿色高效阻燃领域具有重大的应用前景。但纳米晶表面能高，在有机基体中易团聚，无法发挥纳米效应，甚至会严重破坏材料的力学性能。因此，阻燃纳米晶的可控制备和分散技术是其应用的瓶颈和核心科学难题。. 项目以氢氧化镁、氢氧化铝等绿色阻燃剂为研究对象，采用超重力技术结合改性相转移的方法制备液相纳米分散体，研究阻燃片状纳米材料的生长机制，从而指导结构稳定、易分散阻燃纳米晶的可控制备，形成高透明纳米分散体；根据应用树脂体系的特性选择合适液相介质中的纳米晶进行复合，制备绿色高效阻燃的有机无机复合材料，研究纳米晶和树脂界面作用机制以及纳米晶在基体中分散性对复合材料阻燃和力学性能等影响，实现纳米晶在基体中的纳米级分散。. 项目的研究内容和任务按计划已全面完成。我们基于化学工程和界面化学原理，采用超重力技术，结合改性相转移法稳定地制备出了能单分散在水相、醇相和苯类中的纳米晶，通过调节工艺控制纳米晶为明显的薄片状，其中片状氢氧化铝的生长符合取向分解机制。与传统搅拌法相比，超重力法制备的纳米晶厚度薄且分布窄，其液相分散体透明度好、固含量高。以乙二醇相Mg(OH)2分散体为原料，通过原位聚合法制备了聚对苯二甲酸二乙酯/Mg(OH)2纳米复合材料，与纯聚酯相比，纳米复合材料具有更好的热稳定性和阻燃性能，在1 wt%的Mg(OH)2含量下，热重剩余量提高了4.9 %，且纳米片的加入可促使燃烧时材料的碳化并包裹熔体，明显改善了材料的抗熔滴性。此外，采用溶液共混和/或熔融挤出等方法制备了多种具有良好透明度、力学和阻燃性能的有机无机纳米复合材料，实现了纳米颗粒在有机基体中的纳米级分散。项目的相关研究内容获授权美国专利1项、国家发明专利3项，申请国家发明专利1项，在国际刊物上发表SCI论文7 篇，培养硕士和博士生4名。