炭化作用在聚烯烴材料中的應用
近年來，為(wei) 了提高阻燃聚合物的炭化效率，出現了協同阻燃、有機矽係阻燃、納米阻燃材料等多種新技術[2]。
早在20世紀70年代,Krevelen[1]等人就提出了高聚物在燃燒過程中可形成炭層,其阻燃性可以得到明顯改善,且高聚物燃燒時生成的炭量與(yu) 其極限氧指數(LOI)有很好的相關(guan) 性，高聚物成炭性與(yu) 其阻燃性能密切相關(guan) 。對聚合物來說，目前存在的主要問題是炭化劑炭化效果差，而且聚合物自身分解產(chan) 物參與(yu) 成炭的程度較小，阻燃劑在燃燒過程中生成的炭的速度又慢，造成成炭量少，炭層質量差，難以起到很好的隔熱隔氧作用。在燃燒過程中，炭化對聚合物的阻燃性有巨大的影響。因此，研製開發高效的炭化劑，特別是能促進聚烯烴自身更多的參與(yu) 成炭的膨脹型阻燃劑，具有重大的意義(yi) 。
聚烯烴是烯烴(以乙烯、丙烯為(wei) 主)的聚合物，它是一種質輕、無毒,具有優(you) 良的介電性能、電絕緣性能和耐化學腐蝕性能的熱塑性材料。聚烯烴價(jia) 格低廉,加工流動性好,易加工成各種形狀複雜的製品,被廣泛應用於(yu) 電子、電器、化工、食品、機械、交通運輸等行業(ye) ,其中應用於(yu) 電線電纜行業(ye) 最多。但聚烯烴的氧指數僅(jin) 有17左右,屬易燃材料。因此,聚烯烴的阻燃研究備受關(guan) 注,而炭化阻燃是該研究領域的一項重要內(nei) 容。
1.協同
雙金屬氫氧化物(LDH)是近年來才興(xing) 起的一種無鹵阻燃劑，它是一類陰離子型的層狀材料，其化學組成式為(wei) ，其中和分別代表二價(jia) 和三價(jia) 金屬離子，A為(wei) 層間陰離子。LDH廣泛應用於(yu) 各種工業(ye) 領域，受熱在50-200℃失去層間水，300℃以上時層間的碳酸根與(yu) 羥基脫出，在此過程中，大量吸收熱量，可以起到阻燃的作用。此外，分解後的固體(ti) 產(chan) 物具有較大的比表麵積和較強的堿性，能及時地吸收材料熱分解釋放的酸性氣體(ti) 和煙霧，起到抑煙的作用[3]。
最近發展起來一種新型的無鹵無機膨脹型阻燃劑-膨脹石墨（EG）[4]。它是在硫酸中氧化石墨製得的，為(wei) 黑色片狀物，當其被迅速加熱到300℃以上時，可以沿晶體(ti) 結構的C-C方向膨脹數百倍，有優(you) 良的膨脹成炭效果，在成炭阻燃方麵具有良好的應用前景。田春明[5]等將EG/APP體(ti) 係用於(yu) 高密度聚乙烯HDPE，的研究,熱分析表明,EG/APP的添加使得HDPE材料的熱穩定性增強,降解過程變緩,剩炭率增加;SEM表明,EG/APP加入使樣品生成連續、致密的炭層。
2.有機矽係
有機矽係阻燃劑是一種新型高效、低毒、防熔滴、環境友好的非鹵阻燃劑,也是一種成炭型抑煙劑。有機矽係阻燃劑能促進炭的生成,提高炭層的穩定性和改善炭層結構。該炭層還具有一定的抑煙作用[1-2]。李鳳嶺[6]等研究發現,加入Al(OH)3或SiO2可提高聚丙烯膨脹體(ti) 係的絕熱性能,但極限氧指數(LOI)卻下降,但如果添加一定量的有機矽化合物卻可使蜂窩狀炭結構更加穩定和致密,提高了聚丙烯的極限氧指數。
何繼輝[7]等采用含活性乙烯基的矽橡膠(PDMS)與(yu) 線性低密度聚乙烯(LLDPE)進行熔融共混,並添加阻燃母料(FM),製得LLDPE/PDMS阻燃共混物。結果表明,未加PDMS的阻燃材料燃燒後殘留的炭層由阻燃劑分解產(chan) 生的無機粒子堆砌而成,結構疏鬆;而加入15%PDMS的阻燃共混物燃燒後形成結構緊密的板結炭層,阻燃材料氧指數從(cong) 22提高到28。
3.新型納米成炭材料
上世紀80年代末及90年代初興(xing) 起的聚合物分子材料阻燃的新途徑。由於(yu) 納米效應，聚合物/常規聚合物/填料複合材料無法比擬的優(you) 點，如密度小，耐熱性好，阻燃性能大大提升等，引起了廣泛的關(guan) 注。特別是自1991年碳納米管被發現以來，其優(you) 異的力學性能、熱學性能，良好的導電性能和較大的比表麵積引起全世界範圍內(nei) 的廣泛研究。碳納米管具有非極性，與(yu) 聚烯烴有良好的相容性，既不需要像蒙脫土那樣進行有機改性，也不需要加增溶劑進行改性。目前，關(guan) 於(yu) 碳納米管在提升聚合物的熱穩定性方麵也有一定的報道。
王彪[8]等用熔融共混法製備了聚丙烯/多壁碳納米管(PP/MWNTs)複合材料,TGA研究表明在氮氣氣氛下碳納米管顯著增加了聚丙烯基體(ti) 的熱穩定性，3wt%MWNTs可使PP熱分解起始溫度提高44℃，具有良好的提升熱穩定性作用。
胡小平[9]等用兩(liang) 種新型阻燃劑(SPS和PTEN)與(yu) 聚磷酸銨(APP)及碳納米管(MWNT)複配,並應用於(yu) 低密度聚乙烯(LDPE),得到膨脹型阻燃LDPE/MWNT複合材料。通過氧指數(LOI)、垂直燃燒(UL-94)、錐形量熱試驗(CONE)對膨脹型阻燃LDPE/MWNT複合材料的阻燃性能和燃燒性能進行了研究。結果表明,在該膨脹型阻燃體(ti) 係中,IFR與(yu) MWNT之間存在明顯的協效阻燃作用,並且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和熱釋放速率(HRR),而且燃燒後的殘炭量大大增加。
碳納米管具有良好的提升聚合物熱穩定性性能，其較大的比表麵積可以吸附燃燒中的有害氣體(ti) 和煙塵，因此具有良好的發展潛力，隨著碳納米管的成本逐漸降低，其應用必將越來越廣。
4.結束語
炭化對聚烯烴材料的燃燒行為(wei) 阻燃性能有很大影響。炭層結構、成炭量、剩炭率是評價(jia) 材料阻燃性能好壞的重要依據，促進形成穩定、連續、致密、均勻的高質量炭層,增加成炭量,提高成炭率,提高與(yu) 聚合物基體(ti) 的相容性,降低聚合物材料的性能損失,並兼顧環保要求將是成炭阻燃聚烯烴的基本要求和研究重點，隨著技術的發展，成炭材料將會(hui) 在聚烯烴阻燃中發揮更大的應用。avcVJQ
