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基本信息

項(xiàng)目名稱：
環(huán)境友好型粘土納米復(fù)合材料阻燃性能研究
小類：
能源化工
簡介：
本課題以陽離子粘土礦物蒙脫石、陰離子粘土礦物層狀雙金屬氫氧化物、非離子型粘土礦物高嶺石為原料，用有機(jī)插層方法對(duì)粘土礦物進(jìn)行有機(jī)化修飾，改善粘土礦物片層得疏水親油性，利用傳統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料加工工藝制備粘土礦物與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）等復(fù)合材料。用XRD、TEM技術(shù)研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，用TG技術(shù)研究材料的熱穩(wěn)定性，用錐型量熱、垂直水平燃燒、氧指數(shù)分析方法研究復(fù)合材料的阻燃性能。
詳細(xì)介紹：
1 本課題的立項(xiàng)背景 近50年來，聚合物材料的產(chǎn)量呈現(xiàn)空前的指數(shù)增長趨勢(shì)，幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)中的每個(gè)部門和每個(gè)人的日常生活中，在如日用品、建筑、電器、運(yùn)輸、醫(yī)藥等的[1]眾多領(lǐng)域扮演非常重要的角色。由于這類材料本身所固有的易燃性，使人們?cè)诟惺艿浇k麗多彩的聚合物材料帶來便利的同時(shí)也飽受到由它引起的火災(zāi)威脅。這些聚合物燃燒時(shí)，能即刻引起火災(zāi)，形成的揮發(fā)性易燃產(chǎn)物能對(duì)人類健康和環(huán)境造成嚴(yán)重的傷害。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，2009年僅前10個(gè)月，國內(nèi)共發(fā)生火災(zāi)106191起，死傷達(dá)1340人，直接經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失達(dá)到10.6億元。每次火災(zāi)事故都帶來巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。鑒于以上這些情況，如何改善聚合物材料的阻燃性能成為科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)，期望通過努力來減少火災(zāi)造成的損失。 2 阻燃劑的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)外使用的阻燃劑按阻燃元素種類主要有：鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、鋁鎂等無機(jī)阻燃劑等。鹵系阻燃劑阻燃效果好（中國專利91309789.4一種用十溴二苯醚、氯化石蠟、硼酸鋅、三氧化銻阻燃不飽和聚酯樹脂的方法），但其燃燒發(fā)煙量大，產(chǎn)生腐蝕性和有毒氣體，對(duì)環(huán)境造成污染，其使用已在歐盟國家受到限制并引起世界各國的廣泛關(guān)注；目前大多數(shù)磷系阻燃劑的制造使用了揮發(fā)性、毒性及腐蝕性大的有機(jī)溶劑，加之磷系阻燃劑燃燒時(shí)會(huì)放出磷的氧化物，對(duì)環(huán)境污染較大；無機(jī)阻燃劑主要是氫氧化鋁、氫氧化鎂等，具有抑煙阻燃和填料多重功能，應(yīng)用十分普遍。但氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑單獨(dú)使用時(shí)添加量需要在50%以上時(shí)才具有較好的阻燃效果，如此高的填料含量同時(shí)又降低了材料的機(jī)械性能和加工性能。開發(fā)無鹵、高效、低成本的環(huán)境友好型的聚合物阻燃體系成為阻燃材料研究的關(guān)鍵。近年來，納米材料的興起促進(jìn)了阻燃高分子材料研究領(lǐng)域的發(fā)展，納米復(fù)合材料因納米效應(yīng)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱性能以及電性能等。如采用納米級(jí)SB203、MG(OH)2等阻燃劑與聚合物基體復(fù)合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因?yàn)榧{米粒子的比表面積大、比表面能高，與樹脂基體混合時(shí)粒子容易團(tuán)聚，很難達(dá)到真正意義上的納米分散，成為此項(xiàng)研究的“瓶頸”。以蒙脫石為代表的粘土聚合物納米復(fù)合材料的增強(qiáng)作用引起從事聚合物材料研究的科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，但針對(duì)粘土納米復(fù)合材料的阻燃性能的研究不多，特別是針對(duì)陰離子型、陽離子型和非離子型粘土礦物復(fù)合材料，系統(tǒng)研究材料的結(jié)構(gòu)、阻燃性能對(duì)比的工作比較少。 3 本課題設(shè)計(jì)的思路 利用粘土礦物的層狀結(jié)構(gòu)特征和層間域環(huán)境，用有機(jī)插層方法修飾層狀環(huán)境，用復(fù)合工藝制備有機(jī)粘土聚合物納米復(fù)合材料，利用粘土片層得納米效應(yīng)、阻隔效應(yīng)、成炭作用實(shí)現(xiàn)阻燃效果。 4 本課題所獲得的結(jié)果 研究結(jié)果表明，蒙脫石、層狀雙金屬氫氧化物比高嶺石容易在聚合物中形成納米分散，形成的納米復(fù)合材料中，蒙脫石片層具有更大的徑厚比，因此蒙脫石聚合物納米復(fù)合材料具有更好的力學(xué)增強(qiáng)效果。粘土聚合物納米復(fù)合材料的阻燃作用主要體現(xiàn)在對(duì)聚合物熱釋放峰值（PHRR）的降低，復(fù)合阻燃劑PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR進(jìn)一步降低,當(dāng)PMMA中加入10%MMT時(shí)，熱釋放率的峰值降低55%；而加入10%LDH時(shí)熱釋放峰值降低45%；加入10%高嶺石為23%。 5 本作品的創(chuàng)新點(diǎn) ①該阻燃材料不使用氯、溴等物質(zhì)，燃燒過程中不釋放與阻燃劑有關(guān)的有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好； ②該材料是納米材料與阻燃材料的統(tǒng)一，利用納米材料的優(yōu)異性能對(duì)復(fù)合材料同時(shí)起到納米增強(qiáng)和阻燃的效果； ③阻燃劑的用量少，對(duì)復(fù)合材料的傳統(tǒng)加工方法和技術(shù)沒有影響； ④粘土礦物成本低、分布廣泛，有利于降低復(fù)合材料的成本。 6 參考文獻(xiàn) [1] 李正光,黃福堂,萬麗翎,等.聚丙烯生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:188-206 [2] 史翎,段雪.阻燃劑的發(fā)展及在塑料中的應(yīng)用[J].塑料,2002,31(3):11-15 [3] P.O. Darnerud. Toxic effects of brominated flame retardants in man and in wildlife[J]. Environment International,2003,(29):841-853 [4] V. Jaspers, A. Covaci, J. Maervoet, et al. Brominated flame retardants and organochlorine pollutants in eggs of little owls (Athene noctua) from Belgium[J]. Environmental Pollution,2005,136(1): 81-88 [5] M. Karlsson, A. Julander, B. Van Bavel, et al. Levels of brominated flame retardants in blood in relation to levels in household air and dust[J]. Environment International, 2007, 33(1):62-69

作品圖片

  • 環(huán)境友好型粘土納米復(fù)合材料阻燃性能研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

撰寫目的：在聚合物中添加不超過10%無機(jī)粘土礦物阻燃材料，取代有機(jī)阻燃劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物材料的環(huán)境友好阻燃，且由于添加量低，不影響材料的加工性能和力學(xué)性能。 基本思路：利用粘土礦物的層狀結(jié)構(gòu)特征和層間域環(huán)境，用有機(jī)插層方法修飾層狀環(huán)境，用復(fù)合工藝制備有機(jī)粘土聚合物納米復(fù)合材料，利用粘土片層得納米效應(yīng)、阻隔效應(yīng)、成炭作用實(shí)現(xiàn)阻燃效果。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

科學(xué)性：1、該阻燃材料不使用氯、溴等物質(zhì)，燃燒過程中不釋放與阻燃劑有關(guān)的有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境友好；2、該材料是納米材料與阻燃材料的統(tǒng)一，利用納米材料的優(yōu)異性能對(duì)復(fù)合材料同時(shí)起到納米增強(qiáng)和阻燃的效果。 先進(jìn)性：阻燃劑的用量少，對(duì)復(fù)合材料的傳統(tǒng)加工方法和技術(shù)沒有影響。 獨(dú)特之處：粘土礦物成本低、分布廣泛，有利于降低復(fù)合材料的成本。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：利用粘土礦物納米復(fù)合技術(shù)對(duì)聚合物進(jìn)行環(huán)境友好阻燃，不僅有利于我國高分子材料及其相關(guān)電器電工產(chǎn)品在出口銷售時(shí)順利通過歐盟等國家的產(chǎn)品質(zhì)量要求，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 現(xiàn)實(shí)意義：該作品以粘土礦物為原料，為廉價(jià)的粘土礦物在先進(jìn)材料和高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用開拓新的途徑；該作品也為為納米復(fù)合阻燃材料的研究和制備提供新的思路。

學(xué)術(shù)論文摘要

以陽離子粘土礦物蒙脫石、陰離子粘土礦物層狀雙金屬氫氧化物（LDH）、非離子型粘土礦物高嶺石為原料，用有機(jī)插層方法對(duì)粘土礦物進(jìn)行有機(jī)化修飾，改善粘土礦物片層得疏水親油性，利用傳統(tǒng)的聚合物復(fù)合材料加工工藝制備粘土礦物與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）等復(fù)合材料。用XRD、TEM技術(shù)研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，用TG技術(shù)研究材料的熱穩(wěn)定性，用錐型量熱、垂直水平燃燒、氧指數(shù)分析方法研究復(fù)合材料的阻燃性能。研究結(jié)果表明，蒙脫石、層狀雙金屬氫氧化物比高嶺石容易在聚合物中形成納米分散，形成的納米復(fù)合材料中，蒙脫石片層具有更大的徑厚比，因此蒙脫石聚合物納米復(fù)合材料具有更好的力學(xué)增強(qiáng)效果。粘土聚合物納米復(fù)合材料的阻燃作用主要體現(xiàn)在對(duì)聚合物熱釋放峰值（PHRR）的降低，復(fù)合阻燃劑PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR進(jìn)一步降低,當(dāng)PMMA中加入10%MMT時(shí)，熱釋放率的峰值降低55%；而加入10%LDH時(shí)熱釋放峰值降低45%；加入10%高嶺石為23%。

獲獎(jiǎng)情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

[1] 李正光,黃福堂,萬麗翎,等.聚丙烯生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:188-206 [2] 史翎,段雪.阻燃劑的發(fā)展及在塑料中的應(yīng)用[J].塑料,2002,31(3):11-15 [3] P.O. Darnerud. Toxic effects of brominated flame retardants in man and in wildlife[J]. Environment International,2003,(29):841-853 [4] V. Jaspers, A. Covaci, J. Maervoet, et al. Brominated flame retardants and organochlorine pollutants in eggs of little owls (Athene noctua) from Belgium[J]. Environmental Pollution,2005,136(1): 81-88 [5] M. Karlsson, A. Julander, B. Van Bavel, et al. Levels of brominated flame retardants in blood in relation to levels in household air and dust[J]. Environment International, 2007, 33(1):62-69 [6] 何寬新.有機(jī)磷系阻燃劑的作用機(jī)理及研究現(xiàn)狀[J].科技信息,2008(22):28

同類課題研究水平概述

目前國內(nèi)外使用的阻燃劑按阻燃元素種類主要有：鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、鋁鎂等無機(jī)阻燃劑等。鹵系阻燃劑阻燃效果好（中國專利91309789.4一種用十溴二苯醚、氯化石蠟、硼酸鋅、三氧化銻阻燃不飽和聚酯樹脂的方法），但其燃燒發(fā)煙量大，產(chǎn)生腐蝕性和有毒氣體，對(duì)環(huán)境造成污染，其使用已在歐盟國家受到限制并引起世界各國的廣泛關(guān)注；目前大多數(shù)磷系阻燃劑的制造使用了揮發(fā)性、毒性及腐蝕性大的有機(jī)溶劑，加之磷系阻燃劑燃燒時(shí)會(huì)放出磷的氧化物，對(duì)環(huán)境污染較大；無機(jī)阻燃劑主要是氫氧化鋁、氫氧化鎂等，具有抑煙阻燃和填料多重功能，應(yīng)用十分普遍。但氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑單獨(dú)使用時(shí)添加量需要在50%以上時(shí)才具有較好的阻燃效果，如此高的填料含量同時(shí)又降低了材料的機(jī)械性能和加工性能。開發(fā)無鹵、高效、低成本的環(huán)境友好型的聚合物阻燃體系成為阻燃材料研究的關(guān)鍵。近年來，納米材料的興起促進(jìn)了阻燃高分子材料研究領(lǐng)域的發(fā)展，納米復(fù)合材料因納米效應(yīng)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱性能以及電性能等。如采用納米級(jí)SB203、MG(OH)2等阻燃劑與聚合物基體復(fù)合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因?yàn)榧{米粒子的比表面積大、比表面能高，與樹脂基體混合時(shí)粒子容易團(tuán)聚，很難達(dá)到真正意義上的納米分散，成為此項(xiàng)研究的“瓶頸”。以蒙脫石為代表的粘土聚合物納米復(fù)合材料的增強(qiáng)作用引起從事聚合物材料研究的科學(xué)家們的廣泛關(guān)注，但針對(duì)粘土納米復(fù)合材料的阻燃性能的研究不多，特別是針對(duì)陰離子型、陽離子型和非離子型粘土礦物復(fù)合材料，系統(tǒng)研究材料的結(jié)構(gòu)、阻燃性能對(duì)比的工作比較少。
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