纳米PBT聚合物材料的阻燃研究进展

苏加强，牛 磊，刘 烨

（1.兰州工业研究院，甘肃 兰州 730000，2.兰州理工大学，甘肃 兰州 730050）

PBT纳米复合材料由于其易加工、质量轻以及综合性能好等优异性能，在日常生活中的得到大量使用。然而，PBT复合材料遇火后容易燃烧，具有相对高的可燃性，在燃烧过程中会产生腐蚀性的气体、有毒气体等，对人民的生命造成重大威胁[1]。因此，改善PBT复合材料的阻燃性能在实际应用中具有重大的意义。随着科学技术的进步和经济的发展，人们对聚合物材料阻燃性能的要求也越来越高，而各种阻燃添加剂，如卤化添加剂，因其对环境可能产生不利的影响而被逐步淘汰。因此，开发高效且环保的阻燃添加剂具有重要的现实意义。自纳米材料被发现以来，人们对其性能进行了大量研究，对于纳米材料在复合材料阻燃应用中的研究也逐渐成为关注的焦点[2]。研究者对纳米阻燃剂的改性、纳米复合材料结构和性能之间的关系以及纳米PBT复合材料的阻燃性能和阻燃机理等进行了研究，综合分析了影响聚合物纳米复合材料综合物理和阻燃性能的因素，提出了有效的阻燃研究方法。本文总结了近年来纳米PBT复合材料阻燃领域取得的研究进展，探讨了纳米阻燃研究中需要解决的实际问题。

1 碳族纳米复合材料阻燃研究

自碳族纳米材料被发现以来，其优异的综合性能引起了研究者广泛关注，对于碳族纳米复合材料的阻燃性能研究也呈现出逐年增长的趋势。采用直接成核生的方式在石墨烯表面合成锰钴氧化物/石墨烯（MnCO2O4-GNS）杂化物，并将其与聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）进行熔融共混，研究锰钴氧化物/石墨烯对PBT复合材料燃烧热降解的影响[3]。通过锥形量热仪对PBT及其复合材料的火灾危险性进行了评价，结果表明，加入锰钴氧化物/石墨烯的PBT复合材料的阻燃效果明显，HRR和SPR的峰值均低于纯PBT材料，含芳香族化合物、羰基化合物、一氧化碳和二氧化碳的热解产物也明显减少。Wei Yang[4]等人，研究了无机酸改性碳纳米管增强聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），结果表明：改性碳纳米管颗粒均匀地分散在PBT基体材料中，极少量的MCNT能显著提高PBT材料的结晶温度和热稳定性能。与纯PBT材料相比其PHRR从1189kw/m2下降到737kw/m2，降低38%，显著提高了材料的阻燃性能。而Marco Rallini等[5]研究了碳化硼纳米颗粒在碳纤维/环氧基树脂复合材料中阻燃性能的影响。宋平安等[6]构造出多功能的石墨烯、溴和nano-Sb2O3高性能纳米聚合物材料，纳米阻燃剂的加入可明显提高复合材料的阻燃性能。Yanxia Qi等[7]采用一步还原法成功地制备了次磷酸铝/还原氧化石墨烯（AHP/RGO）混合阻燃剂，将所得样品和聚对苯二甲酸丁二醇酯通过熔融共混的方式制备出阻燃实验样条，并通过极限氧指数（LOI）实验、UL-94实验和锥形量仪测试等研究了PBT复合材料的阻燃性能。在聚对苯二甲酸丁二醇酯中加入（AHP/RGO）混合阻燃剂，可显著降低PBT复合材料的热释放速率，并使PBT复合材料具有优异的抗滴落性能。

2 纳米金属氧化物聚合物阻燃研究

无机纳米颗粒由于其成本低，易于制造，在高温条件下吸热脱水而产生阻燃作用，通常作为阻燃剂而应用于复合材料的阻燃研究，这些无机纳米颗粒经表面功能化处理后，可以增加其在聚合物基体材料中的分散性，增强聚合物材料的综合性能等。Gallo[8]等人，研究了AlPi和nano-Fe2O3对聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的热解和阻燃性能，结果表明：AlPi发挥了气相阻燃作用，而少量的nano-Fe2O3促进了凝聚态炭的形成，起到固相阻燃作用，PBT纳米复合材料的阻燃性能显著提高。利用超声波辅助溶液插层技术制备的有机粘土纳米复合材料与溴化环氧树脂和氧化锑进行组合，研究其复配作用阻燃效果[9]，结果表明：聚苯乙烯/溴化环氧基共混纳米复合材料表现出混合插层-剥落纳米形貌，有机粘土对聚苯乙烯和分散溴化环氧树脂有增容作用，有利于基体中细小阻燃相的均匀分布。阻燃体系与纳米分散有机粘土的凝聚相物理作用相耦合，从而提高了整体的阻燃效果。而以氢氧化镁为载体的硅系阻燃剂阻燃PBT复合材料的研究表明[10]：添加硅系阻燃剂能显著的提高PBT复合材料的极限氧指数，将硅系阻燃剂和磷酸硼复配可使PBT复合材料的极限氧指数进一步的提高，同时PBT复合材料的热降解的速率得到降低，残炭量明显提高，同时降低了材料燃烧过程中的烟、热释放的速率，有效提高PBT材料的阻燃性能。JianweiHao等[11]研究了nano-Sb2O3颗粒和次磷酸铝在聚合物中的协效阻燃作用，极限氧指数达到33.6%，UL94等级达到V-0级。Song PA[12]研究了Br-Sb2O3@RGO在纳米复合材料中的性能，其极限氧指数可达到29.6%，阻燃性能提升明显。

3 其他阻燃剂阻燃PBT聚合物材料研究

Junfeng Xiao 等人[13]采用极限氧指数（LOI）和UL-94试验研究了二聚氰胺 （MA）和磷酸二苯酯（TPP）对聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）的阻燃效果研究。当添加10wt.%二聚氰胺（MA）和20wt.%磷酸二苯酯（TPP），极限氧指数从20.9%增加到26.6%，达到UL94V-0级。阻燃剂与PBT基体材料具有较好的相容，阻燃剂的加入有利于PBT材料的结晶，二聚氰胺（MA）和磷酸二苯酯（TPP）的加入改变了PBT材料的降解途径，同时也改变了气相产物和凝聚相产物的组成。另有学者研究了纳米黏土[14]、有机蒙脱土[15]等作为阻燃剂对PBT材料的阻燃均取得较好的阻燃效果，在燃烧聚合物表面可形成致密碳化层，提高了PBT聚合物材料的阻燃效果。

4 结论

本文综述了PBT纳米聚合物材料的阻燃性能，综述表明随着科技的发展和人们环保意识的增强，工业化生产中使用的卤素化合物因为健康和环境问题而被限制使用。开发新型高效、绿色环保、无毒的阻燃剂已经成为阻燃领域发展的方向，而少量的纳米阻燃剂或者纳米阻燃剂与传统阻燃剂复配使用，均能显示出较好的气相和凝固相阻燃效果。然而，纳米阻燃剂在聚合物材料中的分散性仍然是一个技术难题，纳米颗粒与基体材料之间的界面结合力对复合材料综合物理力学性能的影响等仍需进一步研究，对于纳米阻燃技术的深入研究将加快纳米材料的实际应用。