富勒烯在材料阻燃領域的應用研究進展

田利穎,許蘭娟,賈新磊,李倩雯

(濱州學院化工與安全學院，山東 濱州 256600)

1 引言

隨著科學技術的發展，越來越多的材料被人類所使用，且已成為現代社會生活中各方面不可缺少的一部分。但大多數材料屬于易燃物，它們在燃燒過程中熱釋放速度快，產生的火焰、高溫和有毒有害氣體會嚴重危害人身和財產安全，同時也嚴重污染了環境。因此，提高這些材料的阻燃性能是材料研究的主要內容。而富勒烯自身具有一定的阻燃功能，為材料的使用提供了一定的安全保障。

2 富勒烯的性質

富勒烯(C60)[1]是一種完全由碳原子組成的中空分子，形態多為球型、橢球型、柱型或管狀，不單有六元環結構還有五元環結構，偶爾還有七元環結構。正是由于C60的特殊構造，所以才會展現出特有的物理和化學性質。1985年，英國化學家Harold Walter和美國科學家Richard E.Smalley制備出了第一種富勒烯。在C60被發現30多年來，基礎研究和應用研究都取得了巨大的發展，人們對C60也越來越熟知。

由于其獨特的三維拓撲結構，C60具有極高的穩定性，且具有超高的自由基捕捉能力，這可能會對某些聚合物的燃燒和降解過程產生一定的影響，進而增強了材料的阻燃性能。此外，C60不僅可以單獨作為阻燃劑來提高材料的阻燃性能，還可以通過對其進行改性或與其它物質協同從而對材料的阻燃性能產生一定的影響。

3 富勒烯在材料阻燃領域的應用

3.1 富勒烯單獨阻燃

浙江大學方征平、宋平安等[2～6]采用C60對聚丙烯(PP)進行阻燃。他們采用熔融共混法來制備PP/C60納米復合材料，研究表明了C60能夠在PP基體中均勻分散，并且在較低(即≤2wt%)的添加量時，不僅能使PP的熱穩定和熱氧化性大大提高，而且還能大大降低PP燃燒熱釋放的速率和質量的損失，大大降低PP燃燒的速率。其效率明顯高于等含量的碳納米管及納米黏土。同時錐形量熱分析結果顯示，當C60的添加量是1%時，最大熱釋放速率(PHRR)下降了42%，并且點燃時間和煙氣釋放量也有明顯改善。此外，C60用于膨脹型性阻燃劑(PDBPP)的接枝修飾，該阻燃體系在獲得良好分散性的基礎上進一步提高了PP的抗熱氧化降解能力；等含量添加時，其阻燃效果比C60更為優異，不但延長了引燃時間，而且PHRR值也有較大幅度下降。

3.2 富勒烯改性阻燃

韓黎剛等人[7～9]以硅烷偶聯劑(KH-550)作為表面改性劑處理C60和氫氧化鋁(ATH)，研究了改性C60對聚乙烯(HDPE)阻燃性能的影響。通過UL-94垂直燃燒和氧指數測試顯示，只加入ATH時，需要160 phr才能使UL-94垂直燃燒等級達V0級別，而加入1phr C60時，只需120 phr ATH垂直燃燒等級就能達到V0，當HDPE/ATH為100/120時，加入改性后的C60可以顯著提高體系的燃燒等級和氧指數。這一實驗結果表明了改性后的C60與無機阻燃劑ATH復配能有效提高ATH對 HDPE的阻燃效率，降低ATH在基體中的添加量，使HDPE在較低ATH含量下實現 UL-94達到V0級別，同時提高材料的氧指數。

3.3 富勒烯協同阻燃

浙江大學方征平課題組[7，8，11，12]的研究證明了ATH和C60之間具有較好的協同阻燃作用。他們通過三步化學接枝將C60修飾到碳納米管上，從而得到了C60-d-CNTs復合型阻燃劑以用于PP的阻燃。他們還合成了膨脹型阻燃劑(PDBPP)，并把它修飾到了C60上，就得到另一種復合型阻燃劑C60-d-PDB- PP。研究表明，C60和PDBPP之間存在顯著的協同阻燃效果。卓東賢等[10]通過將C60與PEI改性石墨烯(PEI-rGO)上的氨基反應，成功制備了新型C60/石墨烯雜化材料(C60-PEI-rGO)，并將其應用于環氧樹脂的阻燃改性。結果表明，添加1wt.% C60-PEI-rGO雜化材料后，明顯提高了環氧樹脂的阻燃性能。制備的納米復合材料的PHRR值較純環氧樹脂降低了39%，點燃時間延長了21s，這主要歸因于C60的自由基捕捉機制的作用。Zhou等人[13]研究了C60和ATH/ C60復合對苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)熱穩定性、阻燃性和力學性能的影響。結果表明，C60與純SBS共混時，對LOI和UL-94的影響很小。在SBS/ATH/ C60體系中，當少量的ATH被C60取代時，LOI值從24.9%增加到26.1%和26.6%。同時，當UL-94達到V0級別時，SBS/ATH/ C60體系中阻燃劑的總含量(56%)低于SBS/ATH體系(60%)。同時，含有C60的復合材料的抗拉強度(5.1 MPa)高于不含C60的復合材料(3.9 MPa)。因此，在SBS基體中，ATH與C60具有協同阻燃的作用。Rui Wang等人[14]將C60固定在PEI改性氧化石墨烯(rGO)表面，制備了C60-PEI-rGO雜化劑，并對環氧樹脂(EP)進行了改性。結果表明，加入1.0wt% C60-PEI-rGO后，環氧樹脂的著火時間從68 s增加到89 s，同時改性環氧樹脂的熱釋放率和總熱釋放量峰值分別降低了40.0%和15.6%。這說明C60-PEI-rGO混合材料是一種高效的阻燃劑，具有良好的阻燃性能。

4 結論

富勒烯阻燃材料已成為近年來科學研究的熱點之一。通過對國內外相關研究進行分析，可以得出富勒烯不僅可以單獨作為阻燃劑，還可以通過改性或與其它物質協同來達到阻燃的效果。富勒烯在材料阻燃領域的應用為開發綠色、環保、質量優良、價格合理的阻燃材料打下了良好基礎。