基本信息
- 项目名称：
- 环保高效膨胀型无卤阻燃材料的制备及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 近年来特大火灾频频发生，提高材料的阻燃性能刻不容缓。针对现有膨胀型阻燃剂与聚合物相容性、热稳定性和耐水性差等缺点，本作品开发出一种新型高效环保阻燃剂。通过分子设计合成一种多功能阻燃协效剂——有机陶瓷前躯体，填补了其在国内阻燃领域应用的空白，开发出高阻燃、低吸潮性、高热稳定和抗迁移的阻燃聚丙烯材料，进一步拓展PP的应用领域，打破国外厂商在阻燃剂行业的垄断局面，促进我国阻燃剂行业的健康发展。
- 详细介绍：
- 近年来特大火灾频频发生，对人们的生命财产造成了极大的危害，因此对材料进行阻燃改性刻不容缓。而传统卤系阻燃剂燃烧时发烟量大、释放有毒气体并造成二次污染，不符合国家在“十二五”规划中提出的开发节能环保新材料政策，故开发一种高效、低毒的无卤阻燃剂势在必行。 膨胀型阻燃剂（IFR）作为一种无卤阻燃剂，以其燃烧时烟雾少、放出气体无害及绿色环保等一系列优点，在国内外聚合物阻燃研究中备受亲睐。但其也存在着与聚合物相容性、热稳定性和耐水性差等不可忽视的缺点。 针对现有IFR的缺点，本作品通过分子设计合成了一种多功能阻燃协效剂—有机陶瓷前躯体（PBSil），将其与IFR协同阻燃PP，将陶瓷的不燃性与聚合物优异性能相结合，开发出具有优良综合性能的阻燃聚丙烯（PP）材料。 与市场所售同类产品相比，在达到相同性能指标下，该产品具有添加量少、成本低、耐湿性好、抗迁移等优点，填补了国内将有机陶瓷前驱体应用于阻燃领域的空白，拓展了PP的应用领域。本作品对打破国外厂商在阻燃剂行业的垄断局面、促进我国阻燃剂行业的健康发展具有重大意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：本作品为响应国家十二五规划节能环保新材料政策的号召，针对目前含卤阻燃剂释放有毒气体等问题，开发一种高效低毒的无卤膨胀型阻燃材料。拓宽PBSil的应用领域，将其应用到塑料、橡胶、纤维等各领域，实现产品的多元化应用，促进我国阻燃剂及阻燃材料行业的健康发展。 基本思路：1.通过分子设计合成具有不同结构的PBSil。2.以成炭性聚合物为载体树脂，通过熔融共混对IFR进行预处理，研究其用量对阻燃材料力学、阻燃和抗湿等性能的影响。3.将PBSil与预处理的IFR复配制备高效绿色环保的阻燃PP，并探索PBSil在其他聚合物体系中的应用，开发多元化高效阻燃产品. 创新点：1.首次合成了集四种阻燃元素于一体的多功能膨胀型阻燃协效剂——有机陶瓷前躯体，利用陶瓷的不燃性提高聚合物的阻燃性能，从而填补国内将有机陶瓷前驱体应用于阻燃领域的空白。2.通过对PBSil与IFR阻燃PP表面界面性能的研究，发现该体系能够形成一种智能的表面界面层。3.以成炭性聚合物为载体树脂，通过熔融共混对IFR进行预处理，制备了集酸源、气源和炭源于一体的“三位一体”高效膨胀型阻燃母料。 技术关键：1.有机陶瓷前躯体（PBSil）合成单体的选取;2.预处理载体树脂的选择.3.PBSil与预处理IFR复配阻燃PP工艺条件的确定和优化. 主要技术指标：LOI>34%，UL94 通过V-0级，拉伸强度>30MP,缺口冲击强度>3.3KJ/m2,70℃×168h水煮实验后的阻燃性能达到UL-94 V-0级等
科学性、先进性
- 膨胀型阻燃剂（IFR）作为最有希望代替含卤阻燃剂的一类无卤环保阻燃剂，在国内外聚合物阻燃研究中越来越受到重视。IFR的阻燃机理为其在受热时，成炭剂在脱水剂的作用下脱水成为含炭熔融体，该熔融炭在膨胀剂分解的气体作用下形成蓬松多孔封闭结构的炭层。该炭层在凝聚相中起到隔热、隔氧、抑烟和防止熔滴的作用，并提高聚合物的热解温度，起到阻燃作用。 虽然IFR具有上述优点，但其也存在着不容忽视的缺点，具体表现为：与聚合物相容性差；热稳定性、抗迁移性差；易吸湿；相对于卤系阻燃剂，添加量大、阻燃效率低。 本作品以绿色环保的IFR为主阻燃剂，对IFR进行进一步改进，制备出高效、绿色环保的膨胀型阻燃聚烯烃。 (1)采用成炭聚合物为载体树脂，通过物理包覆制备了集酸源、气源和炭源于一体的“三位一体”高效膨胀型阻燃母料，并将其阻燃PP； (2)通过分子设计合成具有特定结构的有机陶瓷前躯体，与IFR复配阻燃PP，通过原位包覆的方法有效改善IFR的迁移性和抗湿性及其与PP基体的相容性。
获奖情况及鉴定结果
- 1、第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛广东省三等奖 2、华南理工大学“赛莱拉”第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛校一等奖 1、2010-2011华南理工大学第一届材料创新大赛名列前茅（3/42） 2、获得华南理工大学2010—2011年度“百步梯”攀登计划一等奖资金支持
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品，图片，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的技术优点和优势： 1．新型协效作用 产品受热燃烧时，在膨胀炭层的表面形成玻璃质/陶瓷保护层，与膨胀炭层共同发挥良好的隔热隔氧作用。 2．高效的阻燃性，优异的抗湿性 本作品开发的产品在达到与市售同类产品性能相当的同时降低了IFR的添加量，提高了阻燃效率，并且产品能在潮湿环境中继续保持优异的阻燃性能。 3．环保绿色产品 适应范围及推广前景： 本作品可应用于PP塑料能应用的所有领域，如家电行业，汽车行业以及装饰行业等。 市场分析及经济效益预测： 本作品开发的产品充分利用了IFR无卤，环保等优点，根据相似相容原理，采用包覆和协同作用，改善IFR与聚合物相容性差，易吸湿等缺点。综合二者的协效作用，达到较好的阻燃效果，同时该产品具有优异的力学性能和抗湿性，解决了IFR添加量大、成本较高的问题，便于实现IFR的工业化生产，并降低阻燃材料制作的成本，提高产品的附加值，开发具有自主知识产权的阻燃体系，利润空间广阔。
同类课题研究水平概述
- 近年来，为了提高膨胀型阻燃PP的成炭效率、改善炭层结构和提高炭层质量，阻燃科研工作者对分子筛（Zeolite 4A）、粘土（Clay）、硼酸锌（ZnB）和金属氧化物等的协同作用进行了大量的实验研究。其中，以Bourbigot S等关于Zeolite对APP/PER膨胀阻燃体系的协同作用研究最为突出，研究表明，在高温下Zeolite可以作为膨胀阻燃体系的催化剂，能促进体系交联和成炭，从而提高体系的阻燃性能。Tang Y.[24]和Marosi G.发现有机蒙脱土（OMMT）与IFR具有很好的协同阻燃作用，加入少量（0.5wt%-2wt%）的OMMT可以使PP的氧指数（LOI)）有较大提高、热释放速率峰值（PHRR）大幅度下降，并研究了其与有机陶瓷前驱体复配协同阻燃PP，发现PP的熔滴现象得到明显改善，加入0.5wt%的OMMT和2wt%的有机陶瓷前驱体时，氧指数由29.0%提高到35.0%。Chen等人以铁粉、羟基硅油、二氧化硅和粘土为协效剂，研究了其对IFR体系的协效作用，发现各协效剂对IFR体系的阻燃性能均有不同程度的提高，加入粘土后体系的热稳定性得到提高，加入二氧化硅后熔滴现象得到抑制。Wang以环糊精和低聚硅氧烷为协效剂协同IFR阻燃聚丙烯，研究了不同添加量对体系氧指数、力学性能的影响，低添加时可代替部分成炭剂，当IFR体系中含6.25wt%环糊精/低聚硅氧烷时，可得到阻燃性能高的阻燃PP。 虽然以上常用协效剂各具优点，但其也存在不足：片层结构的纳米有机蒙脱土虽然具有优良的阻隔性能且添加量少，但其片层燃烧时难以连结在一起，而且其垂直燃烧效果不好；二氧化硅/硅土、分子筛在燃烧时可以形成一定的物理网络，有效地防止了熔滴，但严重恶化了材料的加工性能和力学性能；聚倍半硅氧烷与聚合物有一定的相容性，但其燃烧形成粉末状的硅灰不能连接在一起，阻隔效果不好，阻燃效率低；硼酸锌类硼化物在燃烧 时可形成玻璃质的阻隔层起到很好隔氧隔热的作用，但其易吸水抗湿性差（在湿度很大的环境中很容易就迁移至材料表面而损失掉，失去阻燃性能），但协效阻燃作为一种简单易行、行而有效的方法将会得到进一步研究。 因而开发一种着火时可在材料表面形成类似玻璃质连续的表面层、同时有具有一定的抗湿性的协效阻燃剂势在必行。
