復合共混材料阻燃性的研究進展

崔海鵬，縱華康，吳帥奎

（海南大學，海南省海口 570228）

復合共混材料指的是由兩種或兩種以上的不同性質的材料組合而成。在實際生活中，針對不同的材質，它們的制作方法也不同。被廣泛地用于汽車、建筑、制造、裝修等領域。由于我國森林資源匱乏，樹木砍伐嚴重，傳統的木頭材料已經被復合材料所取代，隨著人們生活水平的提高，環保意識逐漸增強，人們對復合材料的需求越來越廣泛。然而，由于復合材料本身易燃燒的屬性，一旦遇火就可能釀成火災，給人們財產及生命安全造成嚴重威脅。因此，對復合材料的阻燃性研究勢在必行。

近年來，阻燃劑的使用受到了世界各地研究者的廣泛關注，相關部門對阻燃劑的使用制定了嚴格的法規，要求開發無鹵阻燃材料。因此，急需要開發阻燃性能好、污染性能低的阻燃添加劑。磷阻燃劑是目前替代鹵代化合物的主要阻燃劑，可用于包括油基聚合物在內的材料的阻燃，也可用于木材等木質纖維素資源的阻燃。近年來的研究表明，人們對磷、膨脹系等阻燃劑的研究越來越多，認為它們對材料的阻燃效果較好，不產生有毒煙霧。膨脹型阻燃體系最早是在20 世紀60年代被開發出來，應用于涂料領域，而將膨脹型添加劑加入到高分子材料中則是一個相對較新的發展。當這些材料暴露在火焰中時，會產生膨脹的多細胞炭，能夠保護底層材料不受火焰的影響。燃燒時，這些添加劑在聚合物材料表面形成泡沫炭，在聚合物燃燒過程中，炭的形成與可燃性之間存在一定的關系。通過在燃燒過程中促進炭質炭層的形成，可以提高泡沫的阻燃性，炭作為一個固體絕緣層，可以保護聚合物免受燃燒熱，限制氧氣進入聚合物，從而減少煙霧的產生。

1 EVA/LLDPE復合材料的阻燃及力學性能研究

以線型低密度聚乙烯（LLDPE）和乙烯乙酸乙烯酯（EVA）為基體，添加氫氧化鎂（MH）、微膠囊化紅磷（MRP）等助劑制備了不同配比的EVA/LLDPE 復合材料，用不同的界面相容劑對復合材料進行界面改性，測定了復合材料的力學性能和阻燃性能，遴選出最優配比及最佳界面相容劑。實驗結果表明：EVA/LLDPE 復合材料的阻燃性能隨著MH 含量的增大而提高；MH 質量分數為40%時，復合材料綜合性能較好。協同阻燃劑MRP 提高了復合材料的阻燃性能，當MH、MRP、EVA、LLDPE 質量比為40 ∶10 ∶30 ∶70時，復合材料力學性能和阻燃性能較好。界面相容劑EVA-g-MAH 有效改善了阻燃劑與基體樹脂的界面相容性，提高了復合材料的力學性能，復合材料燃燒時透光率達到82%，其難燃級別達到一級。

2 巴旦木殼/高密度聚乙烯基復合材料的阻燃性

為有效利用食品加工行業產生的巴旦木果實外殼，用高密度聚乙烯（HDPE）、巴旦木殼、FRW 阻燃劑為原料合成一種具有阻燃特性的復合材料。結果表明，巴旦木外殼存在豐富的孔隙結構，能夠在較短時間內吸附較多的阻燃劑；當巴旦木殼載藥率為15%時，巴旦木殼/HDPE 復合材料的力學性能較好，與未添加阻燃劑的復合材相比彎曲強度提升10.93%，拉伸強度提升8.19%，彈性模量提升0.88%，沖擊強度提升29.44%。掃描電子顯微鏡觀察顯示，巴旦木殼的細胞壁上均勻分散著阻燃劑；當巴旦木殼載藥率為5%，15%，25%時，巴旦木殼/HDPE 復合材料的極限氧指數分別為25.7%，26.5%，27.1%，高于相同條件下制備的楊木/HDPE 復合材料。錐形量熱儀檢測結果表明，巴旦木殼/HDPE 復合材料相比楊木/HDPE 復合材料阻燃性能更好。當載藥率為15%時，巴旦木殼/HDPE復合材料的最高熱釋放速率、平均熱釋放速率、總熱釋放量、平均有效燃燒熱、點燃時間分別為256.12kW/m2、147.50kW/m2、73.78MJ/m2、21.47MJ/kg、27s，具有較好的阻燃性能。熱重分析顯示，巴旦木殼/HDPE 復合材料具有較好的熱穩定性。

3 環氧樹脂的阻燃研究

環氧樹脂是重要的熱固性塑料之一，具有較高的抗拉強度和楊氏模量，具有良好的尺寸熱穩定性、耐溶劑性好、成本低、易加工等，廣泛應用于結構層壓板、灌封劑、模塑劑的制備。與金屬材料相比，環氧樹脂更容易燃燒，而先進的 環氧樹脂尤其適用于電路板應用，因為電路板的電氣絕緣性 能對阻燃性有嚴格要求。鹵化化合物是環氧樹脂常用的共聚物或助劑，對阻燃效果較好，但含鹵化物質的燃燒會產生大量有毒高溫煙氣，對環境發展和人體健康產生負面影響。因此，無鹵阻燃劑的研究開發是近年來的一個熱點。近年來，有機磷化合物作為環氧樹脂阻燃劑的性能得到了很好的證明，含磷/硅的環氧樹脂的阻燃材料是由含磷/硅的環氧化合物加入二胺固化劑制備，并研究了含磷/硅環氧樹 脂的阻燃性能。此外，還證明了磷硅協同增強環氧樹脂材料 的LOI，提高其阻燃性能。在火焰作用下，磷提供了炭化的趨勢，硅提供了炭化熱穩定性的增強，表現出它們各自在阻燃方面的優勢。在環氧樹脂組合物中同時引入磷和硅，成功 地將這兩個因素結合在一起形成阻燃機理。含磷和硅的環氧樹脂的LOI 在26%～36%增強。利用硅氧烷試劑代替硅烷，可以進一步提高磷硅對耐火材料的協同效應。

4 水滑石-石墨烯復合阻燃研究

水滑石是由層間陰離子及帶正電荷層板堆積而成的二維層狀材料，具有主體層板金屬離子組成的可調變性、主體層板電荷密度及其分布的可調變性、插層陰離子客體種類及數量可調變性和層內空間可調變性等多種結構特點，可將其引入高分子基體中，從而廣泛應用于阻燃、吸附和催化等不同的領域。而石墨烯也是一種二維層狀材料，是目前已知最薄、最堅硬的納米材料，具有結構穩定、超強導電性、超高強度和優異的韌度等特性，可將其引入高分子基體中，由于其特殊的組成和結構，可廣泛應用在阻燃、電子信息和生物醫學等領域。因此，水滑石和石墨烯兩種二維層狀材料在阻燃領域均有一定的發展前景。為進一步提高高分子材料的阻燃性能，有不少研究者采用不同方法制備水滑石-石墨烯（LDHrGO）復合材料，并將其引入高分子體系中，制備聚合物基LDH-rGO復合材料，探究其阻燃性能。

5 展望

隨著人類社會的發展，復合性材料的阻燃性能沿著高效、綠色、環境友好的道路發展，而且必須同時兼顧其抗老化能力、彎曲拉伸強度及沖擊強度等力學性能。單一阻燃劑無法滿足材料的高性能，對聚合物材料力學性能影響大，多種阻燃劑的協同效果是一個研究熱點，但各種阻燃劑在復配過程中可能出現交互影響或其他新的問題，協同機制探討及阻燃劑改性將成為阻燃劑研究的方向。