纳米改性类水滑石单组分膨胀阻燃剂的设计合成及其协同阻燃机理研究

The research on the flame retardant with the synergistic reaction is a research focus in the field of flame retardant, and is an effective strategy to improve the safety of the flammable polymer materials and expand its application. From the molecular design point of view, by regarding the nano modified-hydrotalcite (LDH) as the subject, the carbon source, the acid source and the air source in combination with each other in the intumescent flame retardant system as objects, the single component intumescent flame retardant of the nanometer modified-LDH can be synthesized through the intercalation, grafting and adsorption methods. The effects of the combining modes and the matching relations among the intumescent flame retardant components, the metal ions in layer plates and the modified agents on the thermal stability, the flame retardance and mechanical properties of polyolefin are investigated. Accordingly, the polyolefin flame retardant composite materials with excellent comprehensive performances can be screened out. The interfacial compatibility, the melt rheological behavior, the oxidation degradation reaction, the carbon layer microstructure and the composition after burning, the char yield, the smoke generation rate and the total amount are analyzed comprehensively. The relationships among the chemical reaction of thermal degradation process, the intumescent characteristic, the catalytic action, the char formation and the flame retardant performance are explored. The synergistic flame retardance mechanism of polyolefin causing by the compatibilization, the intumescent, the catalytic synergy and smoke suppression is revealed. The present work provides a theoretical guidance and an experimental basis for the synthesis and application of the new efficient flame retardant with halogen-free, low smoke and low toxicity.

具有协同作用机制的阻燃剂研究是当前阻燃领域的热点，是提高易燃高聚物材料安全性并扩大其应用范围的有效策略之一。 本课题从分子设计角度出发，以纳米化的改性类水滑石（LDH）为主体，膨胀阻燃体系中的炭源、酸源和气源相互组合为客体，通过插层、接枝和吸附的方式合成纳米改性LDH单组分膨胀阻燃剂。研究膨胀阻燃组分、层板金属离子和改性剂的组合方式与配比关系对聚烯烃热稳定性、阻燃和力学性能的影响规律；筛选出综合性能优异的聚烯烃阻燃复合材料，对其界面相容性、熔体流变行为、氧化降解反应、燃烧后炭层的微观结构和组成、成炭率、烟生成速率和总量进行综合分析；探讨复合体系热降解过程中的化学反应、膨胀特性、催化作用和成炭行为与阻燃性能的关系；揭示增容、膨胀、催化协效和抑烟等利于阻燃的因素对聚烯烃的协同阻燃作用机理，为无卤、低烟、低毒的新型高效阻燃剂的设计合成和应用提供理论指导和实验依据。

课题组历时3年围绕计划任务书规定的研究内容与研究目标开展了基础研究工作。取得了多个研究成果，发表相关SCI研究论文7篇，授权的发明专利1项，省科学技术奖一等奖1项。在该项目的资助下，本课题从分子设计角度出发，（1）实现了将膨胀阻燃体系的炭源、酸源和气源分别引入到锌镁铝类水滑石的层间，对比研究硬脂酸钠表面改性的层间分别是季戊四醇、三聚氰胺和次磷酸钠的锌镁铝类水滑石对乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）阻燃、抑烟、热性能和力学性能的影响。含碳酸盐的复合材料在所有复合材料中有最低的热释放速率峰值（pK- HRR）和最好的CO抑制作用。阻燃剂的加入均明显提高了乙烯基链的热稳定性温度。含次磷酸盐的复合材料展示了较高的韧性。（2）实现了铜钴镍锌镁铝六元类水滑石的成功制备，获得了膦腈和类水滑石不同配比的复配阻燃剂。复配阻燃剂中六元类水滑石添加量为6g，膦腈为30g时复合材料的氧指数达到最大。当类水滑石与膦腈配比为5:1时其拉伸强度达到最高。其中当类水滑石与膦腈为1:1时断裂伸长率达到最高。（3）实现了含镍类水滑石对聚丙烯（PP）的阻燃研究。随着类水滑石含量的增加，热释放速率和CO生成率展示逐渐降低。并且，CO2的生成率曲线实际上反应了热释放速率（HRR）曲线的变化本质。不同复合材料有效燃烧热（EHC）和纯PP相比展示很小的改变。通过pK- HRR、平均质量损失速率和EHC结果证实复合材料燃烧主要发生的是凝聚相阻燃机理。（4）实现了分别将表面改性含过渡金属元素（Ni, Co, Cu）类水滑石与聚磷酸铵和成炭发泡剂（CFA）复配，对比研究复配阻燃剂与单独类水滑石作为阻燃剂的复合材料的阻燃、抑烟、热稳定性和力学性能的区别，复配阻燃剂阻燃的复合材料的CO生成率峰值、烟释放速率峰值和CO平均释放量均是明显低于EVA和类水滑石单独阻燃复合材料。在所有复合材料中，含Cu类水滑石复配阻燃剂复合材料不但有最高的强度，而且具有最好的韧性。以上研究工作为新型高效无卤阻燃剂的设计合成提供理论指导和实验依据。