基本信息
- 項目名稱：
- 環(huán)境友好型粘土納米復合材料阻燃性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 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，用有機插層方法對粘土礦物進行有機化修飾，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）等復合材料。用XRD、TEM技術研究復合材料的結構，用TG技術研究材料的熱穩(wěn)定性，用錐型量熱、垂直水平燃燒、氧指數(shù)分析方法研究復合材料的阻燃性能。
- 詳細介紹：
- 1 本課題的立項背景 近50年來，聚合物材料的產量呈現(xiàn)空前的指數(shù)增長趨勢，幾乎滲透到國民經濟中的每個部門和每個人的日常生活中，在如日用品、建筑、電器、運輸、醫(yī)藥等的[1]眾多領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，使人們在感受到絢麗多彩的聚合物材料帶來便利的同時也飽受到由它引起的火災威脅。這些聚合物燃燒時，能即刻引起火災，形成的揮發(fā)性易燃產物能對人類健康和環(huán)境造成嚴重的傷害。據(jù)有關資料統(tǒng)計，2009年僅前10個月，國內共發(fā)生火災106191起，死傷達1340人，直接經濟財產損失達到10.6億元。每次火災事故都帶來巨大的人員傷亡和經濟損失。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工作者的研究熱點，期望通過努力來減少火災造成的損失。 2 阻燃劑的研究現(xiàn)狀 目前國內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，產生腐蝕性和有毒氣體，對環(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溶劑，加之磷系阻燃劑燃燒時會放出磷的氧化物，對環(huán)境污染較大；無機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，應用十分普遍。但氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑單獨使用時添加量需要在50%以上時才具有較好的阻燃效果，如此高的填料含量同時又降低了材料的機械性能和加工性能。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鍵。近年來，納米材料的興起促進了阻燃高分子材料研究領域的發(fā)展，納米復合材料因納米效應而具有優(yōu)異的力學性能、熱性能以及電性能等。如采用納米級SB203、MG(OH)2等阻燃劑與聚合物基體復合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因為納米粒子的比表面積大、比表面能高，與樹脂基體混合時粒子容易團聚，很難達到真正意義上的納米分散，成為此項研究的“瓶頸”。以蒙脫石為代表的粘土聚合物納米復合材料的增強作用引起從事聚合物材料研究的科學家們的廣泛關注，但針對粘土納米復合材料的阻燃性能的研究不多，特別是針對陰離子型、陽離子型和非離子型粘土礦物復合材料，系統(tǒng)研究材料的結構、阻燃性能對比的工作比較少。 3 本課題設計的思路 利用粘土礦物的層狀結構特征和層間域環(huán)境，用有機插層方法修飾層狀環(huán)境，用復合工藝制備有機粘土聚合物納米復合材料，利用粘土片層得納米效應、阻隔效應、成炭作用實現(xiàn)阻燃效果。 4 本課題所獲得的結果 研究結果表明，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合材料具有更好的力學增強效果。粘土聚合物納米復合材料的阻燃作用主要體現(xiàn)在對聚合物熱釋放峰值（PHRR）的降低，復合阻燃劑PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR進一步降低,當PMMA中加入10%MMT時，熱釋放率的峰值降低55%；而加入10%LDH時熱釋放峰值降低45%；加入10%高嶺石為23%。 5 本作品的創(chuàng)新點 ①該阻燃材料不使用氯、溴等物質，燃燒過程中不釋放與阻燃劑有關的有毒有害物質，對環(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)異性能對復合材料同時起到納米增強和阻燃的效果； ③阻燃劑的用量少，對復合材料的傳統(tǒng)加工方法和技術沒有影響； ④粘土礦物成本低、分布廣泛，有利于降低復合材料的成本。 6 參考文獻 [1] 李正光,黃福堂,萬麗翎,等.聚丙烯生產技術與應用[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
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%無機粘土礦物阻燃材料，取代有機阻燃劑，實現(xiàn)對聚合物材料的環(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性能。 基本思路：利用粘土礦物的層狀結構特征和層間域環(huán)境，用有機插層方法修飾層狀環(huán)境，用復合工藝制備有機粘土聚合物納米復合材料，利用粘土片層得納米效應、阻隔效應、成炭作用實現(xiàn)阻燃效果。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：1、該阻燃材料不使用氯、溴等物質，燃燒過程中不釋放與阻燃劑有關的有毒有害物質，對環(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)異性能對復合材料同時起到納米增強和阻燃的效果。 先進性：阻燃劑的用量少，對復合材料的傳統(tǒng)加工方法和技術沒有影響。 獨特之處：粘土礦物成本低、分布廣泛，有利于降低復合材料的成本。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 實際應用價值：利用粘土礦物納米復合技術對聚合物進行環(huán)境友好阻燃，不僅有利于我國高分子材料及其相關電器電工產品在出口銷售時順利通過歐盟等國家的產品質量要求，而且對環(huán)境保護、保護人民生命財產安全具有重要的現(xiàn)實意義。 現(xiàn)實意義：該作品以粘土礦物為原料，為廉價的粘土礦物在先進材料和高技術領域的應用開拓新的途徑；該作品也為為納米復合阻燃材料的研究和制備提供新的思路。
學術論文摘要
- 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，用有機插層方法對粘土礦物進行有機化修飾，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）等復合材料。用XRD、TEM技術研究復合材料的結構，用TG技術研究材料的熱穩(wěn)定性，用錐型量熱、垂直水平燃燒、氧指數(shù)分析方法研究復合材料的阻燃性能。研究結果表明，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合材料具有更好的力學增強效果。粘土聚合物納米復合材料的阻燃作用主要體現(xiàn)在對聚合物熱釋放峰值（PHRR）的降低，復合阻燃劑PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR進一步降低,當PMMA中加入10%MMT時，熱釋放率的峰值降低55%；而加入10%LDH時熱釋放峰值降低45%；加入10%高嶺石為23%。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 無
參考文獻
- [1] 李正光,黃福堂,萬麗翎,等.聚丙烯生產技術與應用[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.有機磷系阻燃劑的作用機理及研究現(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，產生腐蝕性和有毒氣體，對環(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溶劑，加之磷系阻燃劑燃燒時會放出磷的氧化物，對環(huán)境污染較大；無機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，應用十分普遍。但氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑單獨使用時添加量需要在50%以上時才具有較好的阻燃效果，如此高的填料含量同時又降低了材料的機械性能和加工性能。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鍵。近年來，納米材料的興起促進了阻燃高分子材料研究領域的發(fā)展，納米復合材料因納米效應而具有優(yōu)異的力學性能、熱性能以及電性能等。如采用納米級SB203、MG(OH)2等阻燃劑與聚合物基體復合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因為納米粒子的比表面積大、比表面能高，與樹脂基體混合時粒子容易團聚，很難達到真正意義上的納米分散，成為此項研究的“瓶頸”。以蒙脫石為代表的粘土聚合物納米復合材料的增強作用引起從事聚合物材料研究的科學家們的廣泛關注，但針對粘土納米復合材料的阻燃性能的研究不多，特別是針對陰離子型、陽離子型和非離子型粘土礦物復合材料，系統(tǒng)研究材料的結構、阻燃性能對比的工作比較少。
