聚合物_蒙脱土纳米复合材料阻燃机理的研究进展.pdf

第25卷第3期高分子材料科学与工程Vol.25,No.3
2009年3月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMar.2009

聚合物/蒙脱土纳米复合材料阻燃机理的研究进展

欧育湘,赵毅,李向梅
(北京理工大学国家专业阻燃实验室,北京100081)

摘要:综述和讨论了聚合物/蒙脱土纳米复合材料(PMN)的成炭性及炭层结构,基于化学反应(如芳构化、交联、催化成
炭)的成炭机理,蒙脱土表面富集的成炭机理,用于改性蒙脱土的季铵盐对PMN热分解及阻燃性的影响。

关键词:阻燃机理;聚合物/蒙脱土纳米复合材料;成炭
中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:100027555(2009)0320166204

自1986年,日本丰田公司首次制备出聚合物/蒙高性能含碳硅酸盐层的结构可由SEM、TEM及
脱土纳米复合材料(PMN)[1],即尼龙6/MMT纳米复XRD研究。PE/MMT纳米复合材料燃烧时形成的这
合材料以来,至今已整整20多年。但对PMN阻燃性种硅酸盐炭层在微观尺寸时具有MMT片的类网状结
能的系统研究,直到1997年,美国Gilman等人才发表构,但在宏观尺寸时显示类海绵状结构,后者与膨胀型
了有关PA6/MMT阻燃性较详细的研究报告[2]。至阻燃高分子材料燃烧时形成的泡沫体结构相似。对于
于对PMN的阻燃机理,迄今仍不完全明了。在近年一些不能成炭的高聚物,如PE、PP、EVA等,它们的
(2000～2006年)出版的国外期刊及专利上,业内专家PMN燃烧时形成的含碳硅酸盐层含95%的陶土和
根据实验结果,特别是锥形量热仪的实验结果,对5%的碳(空气流中TGA测定),但此少量的碳对材料
PMN的阻燃机理提出了一些观点,加之国内同行对的阻燃性十分重要,因为它能将硅酸盐粘接形成石墨/
[4,5]
PMN阻燃机理多有兴趣的理论阐释,本文整理综述和陶土保护层。
讨论了PMN阻燃机理方面的一些最新研究进展。PMN燃烧时形成的表面保护层(含有MMT颗粒
和炭)的理想结构应当是类网状的,有足够的物理强
1PMN的成炭性及炭层结构度,不会被上升的气泡所破坏或扰动,而且在PMN整
PMN燃烧或受强热时,其中的MMT颗粒发生热个燃烧时间内,保护层应保持完整。PMN燃烧时产生
裂,在聚合物表面形成多层的含碳硅酸盐层,此层作为的气泡的冲击,会使PMN表面富集的MMT颗粒由
优良的绝缘和传质屏障能提高材料的阻燃性能,延缓受气泡冲击区移走,形成“岛状”的絮状物,使PMN表
材料热分解时产生的挥发性产物的逸出。另外,此耐面不再存在完整坚实的保护炭层,这将大大降低材料
热硅酸盐层的导热性低,可通过自我调节传热传质过的阻燃性[3]。影响这种PMN表面现象的因素有:聚
程而对材料热保护。合物中MMT的初始含量,形成炭层的特性,PMN熔
实验证明,含2%及5%MMT的PA6/MMT燃烧体的黏度,MMT的长径比等[3]。
时,生成絮状黑色残余物,由残余物迁移至材料表面形
成保护层。此残余物的组成为80%的MMT及20%2基于化学反应的成炭机理
的热稳定石墨组分。在PMN燃烧和气化过程中,聚合物降解时炭层的形成是一个十分复杂的过
MMT表面的聚合物裂解,如裸露的MMT片则被上程,其中包含几个步骤,如共轭双键的产生、环化、芳构
升气泡冲至材料表面,仅形成分离的絮状物而不形成化、芳香环的熔融,湍流炭的形成及石墨化[6]。有人
结构密实的炭层,则不能发挥对材料的阻燃作用[3]。曾提出过一个有机分子氧化键反应的机理[7],认为存

收稿日期:2007212227
基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z500)
通讯联系人:李向梅,主要从事阻燃高分子材料应用及加工研究,E2mail:[e-mail]
第3期欧育湘等:聚合物/蒙脱土纳米复合材料阻燃机理的研究进展167

在两个彼此竞争的反应。首先,在较低温度下,氧化是降。这说明MMT对成炭反应具催化作用[8]。对
自由基链式反应的机理,主要产物是氢过氧化物和被MMT与高聚物的一般混合物,聚合物的气化比成炭
氧化的物系。其次,在较高的温度下,很可能是氢抽出更容易,因为在这种混合物中,层状MMT的结构被破
反应,发生氧化脱氢化。在一般高聚物正常的燃烧条坏而变为粉末,它们不具备成炭催化性[5,9]。以纳米
件下,上述第一个过程占优势,且热氧化引起键的断形态分散于聚合物基材中的层状MMT对PP[10]、
裂,并使聚合物随后气化。对PMN,则是第二个过程EVA[11]、PE[12]和PS[13]的催化成炭都十分有效。
占优势,这时聚合物芳构化程度提高,而氧化速度下

Fig.1Schematicrepresentationofcombustionmecha