富勒烯在材料阻燃领域的应用研究进展

2020-11-27田利颖许兰娟贾新磊李倩雯

绿色科技 2020年20期

田利颖,许兰娟,贾新磊,李倩雯

(滨州学院化工与安全学院，山东滨州 256600)

1 引言

随着科学技术的发展，越来越多的材料被人类所使用，且已成为现代社会生活中各方面不可缺少的一部分。但大多数材料属于易燃物，它们在燃烧过程中热释放速度快，产生的火焰、高温和有毒有害气体会严重危害人身和财产安全，同时也严重污染了环境。因此，提高这些材料的阻燃性能是材料研究的主要内容。而富勒烯自身具有一定的阻燃功能，为材料的使用提供了一定的安全保障。

2 富勒烯的性质

富勒烯(C60)[1]是一种完全由碳原子组成的中空分子，形态多为球型、椭球型、柱型或管状，不单有六元环结构还有五元环结构，偶尔还有七元环结构。正是由于C60的特殊构造，所以才会展现出特有的物理和化学性质。1985年，英国化学家Harold Walter和美国科学家Richard E.Smalley制备出了第一种富勒烯。在C60被发现30多年来，基础研究和应用研究都取得了巨大的发展，人们对C60也越来越熟知。

由于其独特的三维拓扑结构，C60具有极高的稳定性，且具有超高的自由基捕捉能力，这可能会对某些聚合物的燃烧和降解过程产生一定的影响，进而增强了材料的阻燃性能。此外，C60不仅可以单独作为阻燃剂来提高材料的阻燃性能，还可以通过对其进行改性或与其它物质协同从而对材料的阻燃性能产生一定的影响。

3 富勒烯在材料阻燃领域的应用

3.1 富勒烯单独阻燃

浙江大学方征平、宋平安等[2～6]采用C60对聚丙烯(PP)进行阻燃。他们采用熔融共混法来制备PP/C60纳米复合材料，研究表明了C60能够在PP基体中均匀分散，并且在较低(即≤2wt%)的添加量时，不仅能使PP的热稳定和热氧化性大大提高，而且还能大大降低PP燃烧热释放的速率和质量的损失，大大降低PP燃烧的速率。其效率明显高于等含量的碳纳米管及纳米黏土。同时锥形量热分析结果显示，当C60的添加量是1%时，最大热释放速率(PHRR)下降了42%，并且点燃时间和烟气释放量也有明显改善。此外，C60用于膨胀型性阻燃剂(PDBPP)的接枝修饰，该阻燃体系在获得良好分散性的基础上进一步提高了PP的抗热氧化降解能力；等含量添加时，其阻燃效果比C60更为优异，不但延长了引燃时间，而且PHRR值也有较大幅度下降。

3.2 富勒烯改性阻燃

韩黎刚等人[7～9]以硅烷偶联剂(KH-550)作为表面改性剂处理C60和氢氧化铝(ATH)，研究了改性C60对聚乙烯(HDPE)阻燃性能的影响。通过UL-94垂直燃烧和氧指数测试显示，只加入ATH时，需要160 phr才能使UL-94垂直燃烧等级达V0级别，而加入1phr C60时，只需120 phr ATH垂直燃烧等级就能达到V0，当HDPE/ATH为100/120时，加入改性后的C60可以显著提高体系的燃烧等级和氧指数。这一实验结果表明了改性后的C60与无机阻燃剂ATH复配能有效提高ATH对 HDPE的阻燃效率，降低ATH在基体中的添加量，使HDPE在较低ATH含量下实现 UL-94达到V0级别，同时提高材料的氧指数。

3.3 富勒烯协同阻燃

浙江大学方征平课题组[7，8，11，12]的研究证明了ATH和C60之间具有较好的协同阻燃作用。他们通过三步化学接枝将C60修饰到碳纳米管上，从而得到了C60-d-CNTs复合型阻燃剂以用于PP的阻燃。他们还合成了膨胀型阻燃剂(PDBPP)，并把它修饰到了C60上，就得到另一种复合型阻燃剂C60-d-PDB- PP。研究表明，C60和PDBPP之间存在显著的协同阻燃效果。卓东贤等[10]通过将C60与PEI改性石墨烯(PEI-rGO)上的氨基反应，成功制备了新型C60/石墨烯杂化材料(C60-PEI-rGO)，并将其应用于环氧树脂的阻燃改性。结果表明，添加1wt.% C60-PEI-rGO杂化材料后，明显提高了环氧树脂的阻燃性能。制备的纳米复合材料的PHRR值较纯环氧树脂降低了39%，点燃时间延长了21s，这主要归因于C60的自由基捕捉机制的作用。Zhou等人[13]研究了C60和ATH/ C60复合对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)热稳定性、阻燃性和力学性能的影响。结果表明，C60与纯SBS共混时，对LOI和UL-94的影响很小。在SBS/ATH/ C60体系中，当少量的ATH被C60取代时，LOI值从24.9%增加到26.1%和26.6%。同时，当UL-94达到V0级别时，SBS/ATH/ C60体系中阻燃剂的总含量(56%)低于SBS/ATH体系(60%)。同时，含有C60的复合材料的抗拉强度(5.1 MPa)高于不含C60的复合材料(3.9 MPa)。因此，在SBS基体中，ATH与C60具有协同阻燃的作用。Rui Wang等人[14]将C60固定在PEI改性氧化石墨烯(rGO)表面，制备了C60-PEI-rGO杂化剂，并对环氧树脂(EP)进行了改性。结果表明，加入1.0wt% C60-PEI-rGO后，环氧树脂的着火时间从68 s增加到89 s，同时改性环氧树脂的热释放率和总热释放量峰值分别降低了40.0%和15.6%。这说明C60-PEI-rGO混合材料是一种高效的阻燃剂，具有良好的阻燃性能。