阻燃聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究

引言
随着我国国民经济的发展，各种工程塑料，如PA6和ABS的需求越来越广泛。然而，很多未经阻燃处理的工程塑料为易燃物品，其氧指数较低，一旦着火不易熄灭且释放出大量烟气及有毒气体，所以，它们一方面给人类提供了丰富多彩的物质条件，另一方面也给人类埋下了极大的火灾隐患。
随着阻燃科学技术的进步，易燃的工程塑料合成材料都需要进行阻燃处理。
聚合物阻燃处理方法主要有以下几种[1]：
（1）添加型：在生产聚合物过程中，加入含磷、卤素、锑、铝、硼、氮等阻燃元素的添加型阻燃剂，得到阻燃性的聚合物。
（2）反应型：在生产聚合物的原料的分子中引入阻燃元素，或加入含阻燃元素的反应型阻燃剂，按聚合物生产工艺合成具有阻燃性聚合物。
（3）浸渍法：用含粘接剂的阻燃剂溶液（或分散液）浸渍处理聚合物，经过压轧除去多余溶液，烘干即可得到阻燃聚合物。
添加型阻燃处理的方法因其简单、灵活、易于操作等优点被广泛使用。但常规阻燃剂的加入通常会影响基体材料的其它性能[1-2]。近十几年聚合物/层状粘土纳米复合材料的研究引起人们广泛的关注，同时也得到了飞速发展。某些鳞片状无机物，如蒙脱土能够碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般在几到几十埃，它们不仅可以让某些聚合物嵌入到其纳米尺寸的夹层空间中，形成“嵌入纳米复合材料”, 而且在某些情况下，无机夹层甚至还会被聚合物撑开形成长径比很高的单片状无机物，均匀地分散在聚合物基体中，形成“层离纳米复合材料”。Gliman等人[3-5]系统地研究了聚合物/层状粘土纳米复合材料阻燃性能和其它相关的性能。研究发现：聚合物/粘土纳米复合材料的耐燃性比纯聚合物提高，同时材料的物理性能和热稳定性也有较大的提高。通常认为聚合物/层状硅酸盐纳米的阻燃机理是：利用层状无机化合物的片层结构特性，在高聚物中形成纳米复合微结构材料，燃烧过程中，硅酸盐本身不燃并且通过增强炭化层强度，使其不易损坏而缩短稳定炭化层形成的时间，进而促进炭化层形成，起到了隔热及减缓可燃性气体逸出的作用，降低了热降解产物的质量损失速率，增强了聚合物的阻燃性。Gliman 称这种纳米复合材料是提高聚合物阻燃性能一种新的变革方法。这是一种从纳米级或分子水平上设计考虑高聚物复合材料的结构，进而提高阻燃性能和力学性能的方法。
然而，聚合物/蒙脱土纳米复合体系却不能从根本上改变聚合物固有的易燃性，达不到UL94-V0的阻燃标准。目前，常规阻燃剂和层状粘土协同阻燃聚合物是阻燃聚合物纳米复合材料研究的一个重要方向。Zanetti等[11]研究报道了聚丙烯、改性粘土、含卤－锑阻燃剂之间的阻燃机理，研究发现改性粘土的加入和卤－锑阻燃剂一起对聚丙烯阻燃起到协效增强的作用。然而OMT在不同阻燃体系中的阻燃机理是不同的。作者从复合材料的阻燃机理出发，以无卤和含卤阻燃ABS/OMT纳米复合材料为对象，选用OMT配合不同的阻燃体系，分别制备了PA6和ABS两类阻燃纳米复合材料，着重研究OMT在不同阻燃体系中的阻燃效应，结果表明，OMT对于无卤体系中含磷量高的阻燃纳米复合材料来说，其阻燃增强作用明显。

本章选用改性蒙脱土OMT, 配合无卤和含卤阻燃的阻燃体系，分别制备了DB-AO-OMT/ PA6和MCA-OMT/ PA6及无卤或含卤阻燃ABS/OMT两类纳米阻燃复合材料，详细研究OMT在不同阻燃体系中的协同或增强阻燃效应，由此得出结论:
（1） 在DB-AO-OMT/ PA6和MCA-OMT/ PA6纳米阻燃复合材料中, 前者对PA6有良好的协效阻燃作用，在满足UL-94 V-0的阻燃级别的同时，热释放速率（HRR）峰值也比常规阻燃PA6-DB-AO降低38％; 而后者即MCA-OMT对PA6不能形成有效的阻燃体系，该材料体系虽然HRR峰值有所降低，但总的说来, 达不到UL-94 V-0级。
（2） 在无卤或含卤阻燃ABS/OMT两类纳米阻燃复合材料中, OMT对MH-RP含磷阻燃体系的阻燃效果有较好的促进作用。加入5％的OMT可使LOI提高1－1.5，同时5％的OMT代替10％MH可达到相同的阻燃效果; 在热释放速率（HRR）、UL-94垂直燃烧、氧指数测定中，ABS-DB-OMT和ABS-DB-AO-OMT阻燃纳米复合材料都表现出优于常规阻燃ABS的性能。