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王玉忠院士团队《Adv. Mater.》:高分子材料阻燃新方法

访问量:发布时间:2022-01-05

高分子材料因其诸多优点如质轻、比强度高、易于加工成形、绝缘、耐酸碱腐蚀等,在国民经济、国防军工及人们日常生活的各个领域得到广泛的应用。然而,由于其固有的基于碳氢的有机结构,绝大多数高分子材料属于易燃、可燃材料,在燃烧时热释放速率大、热值高、火焰传播速度快,不易熄灭;某些材料燃烧时还产生浓烟及有毒有害气体,对人类生命健康和财产安全构成巨大威胁。随着对健康与安全意识的日益增强,各行各业对高分子材料的阻燃性提出了越来越高的要求,如高阻燃效率、阻燃持久性、低热/烟释放、不破坏力学等其它使用性能等。传统的阻燃方法虽然起到了较好的阻燃效果,但却逐渐难以满足日益提升的高火安全要求,一系列新阻燃方法在过去的一二十年间应运而生(Polym. Adv. Technol., 2010, 21:1-26; Materials, 2010, 3:4746-4760; Polym. Chem.2014, 5:3737-3749; Macromol. Rapid Comm., 2017, 38:1700451; 科学通报, 2020, 65:3160-3172)

近日,我院王玉忠院士团队系统总结了近年来发展起来的高分子阻燃新方法,重点介绍了以有机-无机杂化阻燃、三源一体膨胀阻燃、纳米协同阻燃、原位增强阻燃、可控碳化阻燃、生物基阻燃剂阻燃为代表的添加型阻燃新方法,以离聚物、高温自交联、高温重排为代表的共聚型炭化阻燃新方法,以及以等离子体/紫外辅助处理、溶胶-凝胶、层层自组装、仿生涂层为代表的表面处理阻燃新方法。提出了该领域的挑战及未来发展方向:

1)阻燃剂的低毒与环境友好:随着大众对生态、环保意识的提高,以及相关法律法规的发布,阻燃方法的环保性和低毒性已逐渐成为决定其应用的先决条件;这不仅要求阻燃剂本身不存在残留、生物积累和毒性(PBT)以及低VOCs释放,而且还要求其原材料和制备过程也应尽可能环保。

2)控制燃烧产物的阻燃:传统的阻燃仅考虑抑制点燃、离火自息性、降低燃烧热等,已不能满足某些特定领域(如高层建筑、飞机、高铁等)对低烟低毒释放的要求,因此能控制燃烧产物低烟低毒的阻燃方法将是未来的发展方向。

3)高效阻燃:阻燃剂(包括添加型、反应型和表面处理)的用量应尽可能低,以尽量减少对高分子材料基体固有性能的负面影响。

4)阻燃持久性:添加型阻燃剂的迁移析出以及表面处理阻燃成分随外部磨损侵蚀而损失将导致阻燃性的降低(例如,织物经阻燃整理后的阻燃性大都会在50次洗涤后大幅降低),因此需要研究开发不易迁移和与高分子结合力强的阻燃剂。

5)大分子阻燃剂:以具有原位成纤增强效果的热致液晶高分子阻燃剂为代表的大分子阻燃剂,不仅可使阻燃高分子材料保持较好的综合性能,也可解决阻燃剂的“PBT”问题,因此大分子阻燃剂是添加型阻燃剂的重要发展方向。

6)不含传统阻燃元素的阻燃方法:以高温自交联炭化和高温重排为代表的在高分子体系中引入不含传统阻燃元素的化学结构实现阻燃的方法,使满足那些既不允许使用阻燃剂而又需要火安全性的不合理要求成为可能;这种极具挑战性的阻燃方式,是阻燃领域的发展新方向。

7)可持续阻燃体系:研究开发生物基、可生物降解、可回收/循环的阻燃剂和阻燃高分子材料。

1. (a) 高分子材料燃烧过程示意图;(b)添加型阻燃方法;(c)共聚型阻燃方法;(d)表面处理阻燃方法。

2. (a)典型有机-无机杂化阻燃剂;(b)传统膨胀阻燃和三源一体膨胀阻燃示意图;(c)基于聚磷酸铵(APP)的三源一体膨胀阻燃剂;(d)典型三源一体膨胀阻燃的成炭、抑热、抑烟效果。

3. a共聚型炭化阻燃方法示意图;典型离聚物、高温自交联/重排阻燃单体(b)及成交联/重排结构(c);(d)典型高温重排阻燃效果。

该文以“Advanced Flame-Retardant Methods for Polymeric Materials”为题发表在《Advanced Materials》上。共同第一作者为四川大学省部共建环境与火安全高分子材料协同创新中心刘博文研究员和赵海波教授,通讯作者为王玉忠教授。本文报道的作者相关研究工作先后得到国家自然科学基金重大项目、重点项目、面上和青年项目以及人才基金等不同类项目的资助。

 

论文信息:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107905

Advanced Flame-Retardant Methods for Polymeric Materials

Bo-Wen Liu#, Hai-Bo Zhao#, Yu-Zhong Wang*

Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.202107905

 

 

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