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纳米涂层自组装技术:带来更防火的聚氨酯泡沫
发布:kittyll   时间:2016/5/5 10:01:52   阅读:459 
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聚氨酯泡沫 图片来源:网络
 
随着材料产业的发展,大量建筑材料及家用材料都使用到了有机高分子材料,而高分子材料普遍易于燃烧,这些材料的燃烧也是目前家庭火灾的主要因素。
 
软性聚氨酯泡沫塑料被广泛用于家庭装饰以及家具行业,但是聚氨酯泡沫塑料本身易燃烧,因此需要利用先进的阻燃技术来提高其阻燃性,从而提高其安全性。
 
自2002年以来,阻燃产业随着欧盟颁布WEEE及ROHS指令,限制了含有卤素阻燃剂技术的应用,新型高效绿色环保阻燃技术也是目前该领域的研究热点。目前,阻燃技术中除了传统的添加绿色环保阻燃剂外,新型的纳米填料也被引入提升材料的阻燃性能。
 
针对纳米材料提升材料阻燃性能的主要机理是:在燃烧过程中,纳米材料可以促使在其表面形成一个致密连续的炭层结构。纳米填料本身具有纳米效应,并可以改善材料的一些其他性能,如吸湿性、透气性及力学性能等。不同种类的纳米填料可以发挥良好的协同作用,大大改善材料的阻燃性能。
 
层层自组装技术是一种简单而通用的表面改性的方法。其基本原理就是利用带电荷基材依次在带相反电荷的聚电解质溶液中浸没,通过静电相互作用从而形成多层膜结构。
 
该技术被广泛用于制备材料表面的涂层结构,目前也被用于制备聚氨酯泡沫塑料的阻燃涂层,该技术的关键在于阻燃涂层的厚度、稳定性与阻燃性能三者之间的关系,当然该涂层技术的成本控制也决定了其是否具有潜在广阔的市场应用前景。
 
  
 
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室、中科大苏州研究院以及中国地质大学的最新研究成果:利用二维氧化石墨烯材料协同一维β-羟基氧化铁利用层层自组装技术将纳米涂层引入到聚氨酯泡沫的表层提升材料的阻燃性能,已发表在《Composites Science and Technology》杂志上,通讯作者是中国科学技术大学的Hu Yuan教授以及中国地质大学的Zhang Xiaotao教授。
 
在该论文中,他们对比了单一纳米填料涂层以及双重纳米填料涂层对聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影响。涂层的制备工艺见下图,配备一定浓度和pH的聚乙烯亚胺(PEI)溶液、氧化石墨烯(GO)和海藻酸钠混合溶液以及β-羟基氧化铁(β-FeOOH)悬浮液,将聚氨酯泡沫塑料先进行表面预处理,然后依次浸没在不同电荷的溶液中,通过控制循环次数来控制涂层厚度,从而可以更好地满足材料性能的需求,在该研究中,为了对比纳米填料的种类对聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影响,因此设定涂层工艺循环次数均为5次。
 





同时在涂层中引入氧化石墨烯及β-羟基氧化铁这两种纳米填料,在材料表层形成一定的物理网状结构,在热稳定性能测试过程中可以有效的控制裂解产物的释放,材料的热稳定性得到了显著的提高。
 
锥形量热仪测试是可以模拟材料在真实火灾中的燃烧情况,其中最关键的参数指标为热释放速率峰值(PHRR),这一数值往往与火灾的蔓延速率以及引燃行为相关。
 
研究结果表明:纯的聚氨酯泡沫塑料的PHRR有2个峰,峰值分别为307 kW m-2和738 kW m-2。单纯引入β-羟基氧化铁到涂层结构中并不能十分有效地降低材料的PHRR值,这是由于一维结构很难形成网状结构来提供良好的屏蔽效应,虽然随着涂层的循环次数的增加,材料的PHRR值有一定的下降,单纯引入氧化石墨烯到涂层结构可以有效地降低材料的PHRR值,但是二者单独使用都无法消除第二个PHRR峰。
 
当两种纳米填料同时引入时,由于二者的协同效应,可以完善纳米材料在表面形成网状结构,此外β-羟基氧化铁可以延缓氧化石墨烯的分解过程,因此最终良好温度下的三维网状结构延缓了多元醇降解产物释放到气相中,第二个PHRR峰并未出现。
 
最终锥形量热仪测试后的产物表明:单纯的聚氨酯泡沫塑料无成炭能力,5层β-羟基氧化铁的涂层结构形成破碎不连续的炭层结构,而引入氧化石墨烯和β-羟基氧化铁与氧化石墨烯的多重纳米填料涂层体系具有致密的炭层结构,因此也具有降低的PHRR值和良好的阻燃性能。

目前该技术尚处于实验室阶段,由于层层自组装技术的简易可操作性,且涂层材料多为环保型材料(海藻酸钠、壳聚糖等),且涂层技术相比传统的阻燃剂添加技术对材料的本身性能几乎无影响,成本也大大降低,因此该技术在阻燃材料制备方面具有潜在的市场应用前景,该技术的成熟应用也势必会大大降低阻燃材料的成本,扩大阻燃材料的应用。

 
文章来源:《Composites Science and Technology》129(2016):116-122
译者:德意
来源:材料与测试

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