蒙脱石阻燃纳米复合材料的研究.pdf

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第36卷第10期
化工技术与开发
Vol36 No10
2007年10月
Technology Development of Chemical Industry
Oct.2007
象送与送
聚丙烯/蒙脱石阻燃纳米复合材料的硏究
张国伟,王林江,张坤,吴新明,谢裹漓
(有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室;桂林工学院材料与化学工程系,广西桂林541004)
摘要:蘭述了纳米复合材料阻燃性研究的进展,介绍了其制备方法、微观结构的表征手段(XRD)及阻燃性测
试技术(锥形量熱仪,TGA,氧指数仪),讨论了其燃烧特性和阻燃机理。指出了这种阻燃方法目前存在的问题,展
望了该阻燃材料开发应用前景。
关键词:聚丙烯;蒙脱石;纳米复合材料;阻燃;研究进展
中图分类号:TQ314.248
文献标识码:A
文章编号:1671-9905(2007)10-0018-06
聚丙烯(PP)具有强度高、刚性大、绝缘性好、密规材料不具备的特殊性能,其中之一就是阻燃性的
度低等优良的综合性能,同时容易加エ,因此在电子提高。因此我们开展了对聚丙烯蒙脱石纳米复
电器、航空、石油化工、煤矿和汽车等领域得到了广合材料的研究2-1。
泛应用。但FP的氧指数低,容易燃,且燃烧速率1聚丙烯脱士阻燃纳米复合材料
快,伴有熔滴现象,容易引起火灾,故限制了其在实
际中的广泛应用。为提高PP的阻燃性能,人们对
的制备方法
PP的阻燃改性进行了大量研究,并取得了很大进1.1藜脱土的结构
展
蒙脱士为含水的层状硅铝酸盐,是一种典型的
最早的常规阻燃方法,不论是反应型阻燃剂,还无机粘矿,天然蒙脱土阳离子交换容量(CEC)大约
是添加型阻燃剂,在提高聚合物材料阻燃性的同时,为70-~140meq-(100g)。蒙脱土的晶体结构式
也会对材料本身和环境产生其它负面影响。如反应为:Nax(Al2-xMgx)(Si4Oo)(OH)2'mH2O,属于晶
型阻燃剂会大幅度增加材料燃烧时的发烟量,材料形为2:1三层结构的硅酸盐矿物。每个晶层由2层
废弃后在自然循环中会造成环境污染;添加型阻燃硅氧四面体中夹1层铝氧八面体构成,四面体的顶
剂使用量大(有时高达50%~60%),而且由于其两端氧指向结构层中央与八面体共用,并将3层联结
相界面极性不同,导致材料本身力学性能大幅度下在一起(如图1)。这种结构沿a,b轴向无限延长,
降,从而极大地限制了材料的使用范围。因此,研究沿c轴方向以一定的间距重叠。由于c轴方向晶层
开发符合火灾安全和环保要求的新型阻燃材料具有间的氧层联系力较小,可形成良好的解离面,层间易
重要意义。
侵入水分子或其它极性分子,引起c轴方向的膨
为了得到阻燃聚丙烯材料又不降低材料的其它胀。它的晶层间距离为0.96~2.14nm,其间铝
性能,甚至对其它性能还有所改善,人们将目光投向氧八面体上的三价铝被二价镁同晶置换,使层内表
了方兴未艾的纳米复合技术。纳米复合材料是指在面具有负电荷,过剩的负电荷通过层间吸附的K+
复合体系中至少有一相在一维的方向上以纳米尺度Nat、Ca2+、Mg2+等离子来平衡,以保持电中性。这
(0.1~100nm)分散于基体中。由于材料在纳米尺些金属阳离子被很弱的电场力吸附在MMT片层表
度这一介观领域,其物理化学性能会产生从宏观到面,很容易被无机金属离子、有机阳离子表面活性剂
微观的突变,如产生量子尺寸效应、表面效应、宏观和阳离子染料交换出来12?。在制备有机蒙脱士过
量子隧道效应、优良分散性、基体与纳米蒙脱土的界程中,插层剂离子和MMT层间离子进行交换,扩张
面结合增强等,从而使纳米复合材料有可能具备常其层间距,改善层间微环境,使MMT变成亲油性
基金项目:广西高校中青年学术骨干项目和广西科技攻关项目
通讯联系人:张国伟,E-mail:2gw41509163.om
收稿日期:2007-04-10
第10期
张国伟等:聚丙烯蒙脱石阻燃纳米复合材料的研究
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以增强与聚合物分子间的亲和性。MMT具有良好进入到蒙脱土的片层间,从而导致层间距扩大,说明
的膨胀性、吸附性和阳离子交换性,为许多客体物质层间距已经被撑开。
进行层间复合或插入反应,提供了较有力的条件,更
a-钠基蒙脱土
有利于制成有机蒙脱土,为纳米复合材料的制备做
B-OMMT
好了前提准备。
rめ
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40+2(OH)
图2OMMT和钠甚黥脱土的XRD图
4A或6Mg
P40+2(HO)
1.3聚丙烯/蒙脱石纳米复合材料的制备
合物插层法和都层聚合法2种。聚合物插层法又但电
含溶液插层法、熔融插层法。溶液插层法需要大量子
ー0ーHa-A』ーSi
图1蒙脱土的晶体结构
溶剂,并且溶剂的选择必须满足溶剂分子从蒙脱土吊
1.2有机蒙脱土的制备与表征
层间去除体系所产生的增量要超过聚丙烯链插人秤
对P2来说,由于其极性很弱,用常规方法制备蒙脱土片层体系构象嫡减量,插层才能继续进
对尼龙类极性影合物有很好应用效果的政性蒙脱行U以。因此溶液层法在制备粟两烯像脱士韩米电
石,仅对复合后P的夸弯曲强度和热变趣温度。材料时应用校少,而熔磁层和插层聚合法在制备子
定改善,而对材料的拉伸强度、冲击强度等主要机械聚丙烯脱土纳米复合材料中广泛应用。
性能指标改善效果不明显。为了在提高阻燃性的同
1.3.1熔融插层法
车
时不降低某些力学性能,需要根据PP的结构特征,
熔融插层法是制备聚丙烯蒙脱士层状物纳米衡
有针对性地选择分散性强、价格低廉的插层剂和研复合材料的主要方法之一。由于聚丙烯极性比较「
究插层工艺,这是制备性能优良的聚丙烯纳米复合弱,而蒙脱土的极性比较强,二者的极性相差较大,
材料的重要方面
因此聚丙烯与蒙脱土片层之间的相容性较差,二者
各种专
1.2.1一般有机蒙脱土的制备过程
共混时很难达到纳米级分散而形成纳米复合材料。
钠化脱土ー有机阳离子覆盖插层剂→一洗涤过刚开始采用的方法是在聚两烯破脱士共混体系中用
滤→烘于粉碎→有机紫脱士粉末。其中选择恰当的引人极性基团对聚丙烯进行改性,调整聚丙烯与蒙秤
插层剂是至关重要的,它强烈影响制备的纳米复合脱土的极性,在蒙脱土层和聚丙烯基体之间起着连
材料的性能
接的作用。但这种方法一般需要使用有机溶剂网电
1.2.2有机蒙脱土的结构表征
来增强极性基团的插层能力,而且在聚丙烯基体中址话
层间距扩张到一定距离オ能有利于聚丙烯高分的以纳米级分散的蒙脱土是少量的。
子或丙烯单体的插入,一般是通过XRD来测试表征
后来出现一种更简单快捷的方法,是用马来酸三
有机蒙脱士的处理效果。以十六烷基三甲基溴化胺酐接枝聚丙烯(P2g-MA)作为大分子相容剤,与有に
改性蒙脱士为例,图2是十六烷基三甲基溴化胺改机蒙脱土士熔融挤出制各吧MAA纳米母,へ
00
性蒙脱土的XRD图。
将母料混入聚丙烯基料中,经挤出造粒制备聚丙烯?
从图2可看到,钠基蒙脱土的(00)晶面衍射峰纳米复合材料。梁国栋等』将马来酸酐接枝聚内-
28为6.94,对应的层间距为1.27m。而改性蒙脱烯(PP- G-MAH)与