基本信息
- 项目名称：
- 环境友好型粘土纳米复合材料阻燃性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本课题以阳离子粘土矿物蒙脱石、阴离子粘土矿物层状双金属氢氧化物、非离子型粘土矿物高岭石为原料，用有机插层方法对粘土矿物进行有机化修饰，改善粘土矿物片层得疏水亲油性，利用传统的聚合物复合材料加工工艺制备粘土矿物与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）等复合材料。用XRD、TEM技术研究复合材料的结构，用TG技术研究材料的热稳定性，用锥型量热、垂直水平燃烧、氧指数分析方法研究复合材料的阻燃性能。
- 详细介绍：
- 1 本课题的立项背景 近50年来，聚合物材料的产量呈现空前的指数增长趋势，几乎渗透到国民经济中的每个部门和每个人的日常生活中，在如日用品、建筑、电器、运输、医药等的[1]众多领域扮演非常重要的角色。由于这类材料本身所固有的易燃性，使人们在感受到绚丽多彩的聚合物材料带来便利的同时也饱受到由它引起的火灾威胁。这些聚合物燃烧时，能即刻引起火灾，形成的挥发性易燃产物能对人类健康和环境造成严重的伤害。据有关资料统计，2009年仅前10个月，国内共发生火灾106191起，死伤达1340人，直接经济财产损失达到10.6亿元。每次火灾事故都带来巨大的人员伤亡和经济损失。鉴于以上这些情况，如何改善聚合物材料的阻燃性能成为科学工作者的研究热点，期望通过努力来减少火灾造成的损失。 2 阻燃剂的研究现状 目前国内外使用的阻燃剂按阻燃元素种类主要有：卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、铝镁等无机阻燃剂等。卤系阻燃剂阻燃效果好（中国专利91309789.4一种用十溴二苯醚、氯化石蜡、硼酸锌、三氧化锑阻燃不饱和聚酯树脂的方法），但其燃烧发烟量大，产生腐蚀性和有毒气体，对环境造成污染，其使用已在欧盟国家受到限制并引起世界各国的广泛关注；目前大多数磷系阻燃剂的制造使用了挥发性、毒性及腐蚀性大的有机溶剂，加之磷系阻燃剂燃烧时会放出磷的氧化物，对环境污染较大；无机阻燃剂主要是氢氧化铝、氢氧化镁等，具有抑烟阻燃和填料多重功能，应用十分普遍。但氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂单独使用时添加量需要在50%以上时才具有较好的阻燃效果，如此高的填料含量同时又降低了材料的机械性能和加工性能。开发无卤、高效、低成本的环境友好型的聚合物阻燃体系成为阻燃材料研究的关键。近年来，纳米材料的兴起促进了阻燃高分子材料研究领域的发展，纳米复合材料因纳米效应而具有优异的力学性能、热性能以及电性能等。如采用纳米级SB203、MG(OH)2等阻燃剂与聚合物基体复合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因为纳米粒子的比表面积大、比表面能高，与树脂基体混合时粒子容易团聚，很难达到真正意义上的纳米分散，成为此项研究的“瓶颈”。以蒙脱石为代表的粘土聚合物纳米复合材料的增强作用引起从事聚合物材料研究的科学家们的广泛关注，但针对粘土纳米复合材料的阻燃性能的研究不多，特别是针对阴离子型、阳离子型和非离子型粘土矿物复合材料，系统研究材料的结构、阻燃性能对比的工作比较少。 3 本课题设计的思路 利用粘土矿物的层状结构特征和层间域环境，用有机插层方法修饰层状环境，用复合工艺制备有机粘土聚合物纳米复合材料，利用粘土片层得纳米效应、阻隔效应、成炭作用实现阻燃效果。 4 本课题所获得的结果 研究结果表明，蒙脱石、层状双金属氢氧化物比高岭石容易在聚合物中形成纳米分散，形成的纳米复合材料中，蒙脱石片层具有更大的径厚比，因此蒙脱石聚合物纳米复合材料具有更好的力学增强效果。粘土聚合物纳米复合材料的阻燃作用主要体现在对聚合物热释放峰值（PHRR）的降低，复合阻燃剂PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR进一步降低,当PMMA中加入10%MMT时，热释放率的峰值降低55%；而加入10%LDH时热释放峰值降低45%；加入10%高岭石为23%。 5 本作品的创新点 ①该阻燃材料不使用氯、溴等物质，燃烧过程中不释放与阻燃剂有关的有毒有害物质，对环境友好； ②该材料是纳米材料与阻燃材料的统一，利用纳米材料的优异性能对复合材料同时起到纳米增强和阻燃的效果； ③阻燃剂的用量少，对复合材料的传统加工方法和技术没有影响； ④粘土矿物成本低、分布广泛，有利于降低复合材料的成本。 6 参考文献 [1] 李正光,黄福堂,万丽翎,等.聚丙烯生产技术与应用[M].北京:石油工业出版社,2006:188-206 [2] 史翎,段雪.阻燃剂的发展及在塑料中的应用[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
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：在聚合物中添加不超过10%无机粘土矿物阻燃材料，取代有机阻燃剂，实现对聚合物材料的环境友好阻燃，且由于添加量低，不影响材料的加工性能和力学性能。 基本思路：利用粘土矿物的层状结构特征和层间域环境，用有机插层方法修饰层状环境，用复合工艺制备有机粘土聚合物纳米复合材料，利用粘土片层得纳米效应、阻隔效应、成炭作用实现阻燃效果。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：1、该阻燃材料不使用氯、溴等物质，燃烧过程中不释放与阻燃剂有关的有毒有害物质，对环境友好；2、该材料是纳米材料与阻燃材料的统一，利用纳米材料的优异性能对复合材料同时起到纳米增强和阻燃的效果。 先进性：阻燃剂的用量少，对复合材料的传统加工方法和技术没有影响。 独特之处：粘土矿物成本低、分布广泛，有利于降低复合材料的成本。
应用价值和现实意义
- 实际应用价值：利用粘土矿物纳米复合技术对聚合物进行环境友好阻燃，不仅有利于我国高分子材料及其相关电器电工产品在出口销售时顺利通过欧盟等国家的产品质量要求，而且对环境保护、保护人民生命财产安全具有重要的现实意义。 现实意义：该作品以粘土矿物为原料，为廉价的粘土矿物在先进材料和高技术领域的应用开拓新的途径；该作品也为为纳米复合阻燃材料的研究和制备提供新的思路。
学术论文摘要
- 以阳离子粘土矿物蒙脱石、阴离子粘土矿物层状双金属氢氧化物（LDH）、非离子型粘土矿物高岭石为原料，用有机插层方法对粘土矿物进行有机化修饰，改善粘土矿物片层得疏水亲油性，利用传统的聚合物复合材料加工工艺制备粘土矿物与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）等复合材料。用XRD、TEM技术研究复合材料的结构，用TG技术研究材料的热稳定性，用锥型量热、垂直水平燃烧、氧指数分析方法研究复合材料的阻燃性能。研究结果表明，蒙脱石、层状双金属氢氧化物比高岭石容易在聚合物中形成纳米分散，形成的纳米复合材料中，蒙脱石片层具有更大的径厚比，因此蒙脱石聚合物纳米复合材料具有更好的力学增强效果。粘土聚合物纳米复合材料的阻燃作用主要体现在对聚合物热释放峰值（PHRR）的降低，复合阻燃剂PP/OMMT的加入，有利于提高材料的阻燃性能，PHRR进一步降低,当PMMA中加入10%MMT时，热释放率的峰值降低55%；而加入10%LDH时热释放峰值降低45%；加入10%高岭石为23%。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 李正光,黄福堂,万丽翎,等.聚丙烯生产技术与应用[M].北京:石油工业出版社,2006:188-206 [2] 史翎,段雪.阻燃剂的发展及在塑料中的应用[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] 何宽新.有机磷系阻燃剂的作用机理及研究现状[J].科技信息,2008(22):28
同类课题研究水平概述
- 目前国内外使用的阻燃剂按阻燃元素种类主要有：卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、铝镁等无机阻燃剂等。卤系阻燃剂阻燃效果好（中国专利91309789.4一种用十溴二苯醚、氯化石蜡、硼酸锌、三氧化锑阻燃不饱和聚酯树脂的方法），但其燃烧发烟量大，产生腐蚀性和有毒气体，对环境造成污染，其使用已在欧盟国家受到限制并引起世界各国的广泛关注；目前大多数磷系阻燃剂的制造使用了挥发性、毒性及腐蚀性大的有机溶剂，加之磷系阻燃剂燃烧时会放出磷的氧化物，对环境污染较大；无机阻燃剂主要是氢氧化铝、氢氧化镁等，具有抑烟阻燃和填料多重功能，应用十分普遍。但氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂单独使用时添加量需要在50%以上时才具有较好的阻燃效果，如此高的填料含量同时又降低了材料的机械性能和加工性能。开发无卤、高效、低成本的环境友好型的聚合物阻燃体系成为阻燃材料研究的关键。近年来，纳米材料的兴起促进了阻燃高分子材料研究领域的发展，纳米复合材料因纳米效应而具有优异的力学性能、热性能以及电性能等。如采用纳米级SB203、MG(OH)2等阻燃剂与聚合物基体复合能使聚合物的阻燃性有一定提高，但是因为纳米粒子的比表面积大、比表面能高，与树脂基体混合时粒子容易团聚，很难达到真正意义上的纳米分散，成为此项研究的“瓶颈”。以蒙脱石为代表的粘土聚合物纳米复合材料的增强作用引起从事聚合物材料研究的科学家们的广泛关注，但针对粘土纳米复合材料的阻燃性能的研究不多，特别是针对阴离子型、阳离子型和非离子型粘土矿物复合材料，系统研究材料的结构、阻燃性能对比的工作比较少。
