阻燃性复合材料的研究与进展

1. 引言

复合材料指的是由两种或两种以上的不同性质的材料组合而成。在实际生活中，针对不同的材质，它们的制作方法也不同。被广泛地用于汽车、建筑、制造、装修等领域。由于我国森林资源匮乏，树木砍伐严重，传统的木头材料已经被复合材料所取代，随着人们生活水平的提高，环保意识逐渐增强，人们对复合材料的需求越来越广泛。然而，由于复合材料本身易燃烧的属性，一旦遇火就可能酿成火灾，给人们财产及生命安全造成严重威胁。因此，对复合材料的阻燃性研究势在必行。

2. 阻燃性的研究现状

近年来，阻燃剂的使用受到了世界各地研究者的广泛关注，相关部门对阻燃剂的使用制定了严格的法规，要求开发无卤阻燃材料。因此，急需要开发阻燃性能好、污染性能低的阻燃添加剂。磷阻燃剂是目前替代卤代化合物的主要阻燃剂，可用于包括油基聚合物在内的材料的阻燃，也可用于木材等木质纤维素资源的阻燃。近年来的研究表明，人们对磷、膨胀系等阻燃剂的研究越来越多，认为它们对材料的阻燃效果较好，不产生有毒烟雾。膨胀型阻燃体系最早是在20世纪60年代被开发出来，应用于涂料领域，而将膨胀型添加剂加入到高分子材料中则是一个相对较新的发展。当这些材料暴露在火焰中时，会产生膨胀的多细胞炭，能够保护底层材料不受火焰的影响。燃烧时，这些添加剂在聚合物材料表面形成泡沫炭，在聚合物燃烧过程中，炭的形成与可燃性之间存在一定的关系。通过在燃烧过程中促进炭质炭层的形成，可以提高泡沫的阻燃性，炭作为一个固体绝缘层，可以保护聚合物免受燃烧热，限制氧气进入聚合物，从而减少烟雾的产生。

3. 硬聚氨酯甲酸乙酯阻燃性的研究

硬聚氨基甲酸乙酯(PUFs)因其优异的力学性能、绝缘性能等而广泛应用于工业领域。一般来说，PUF是易燃的，燃烧时释放有毒气体，这限制了它在耐火材料中的应用。添加阻燃剂是为了降低PUFs的可燃性，在硬质聚氨酯泡沫塑料中使用最广泛的阻燃剂是卤化或磷酸盐化合物或两者的结合体。膨胀石墨(EG)作为一种阻燃材料在PUF中的应用报道较少。EG是一种特殊类型的石墨片，其中硫酸(H2SO4)插在碳层之间。膨胀的体积使火焰窒息，并作为传热和传质的物理屏障。由于高密度刚性PUF或PIR-PUR泡沫已经具有良好的热稳定性和良好的阻燃性能，因此采用了较低的EG负荷来进一步增强这些泡沫的阻燃性。低密度、水吹低密度PUF在世界PUF市场占有很大份额。

4. 木塑复合材料的阻燃性能研究

木塑复合材料(WPC)结合了整体部件的最佳性能，从而表现出突出的性能。木粉是一种现成的、相对便宜的填料，可以降低树脂成本，提高硬度，并作为石油基塑料的环保替代品。聚磷酸铵(APP)与植酸改性层状双氢氧化物(Ph-LDH)相结合，开发了新型WPCs阻燃体系。热重分析表明，加入Ph-LDH后，WPCs的热降解较早，热稳定产物较多，改善了炭的形成。采用极限氧指数(LOI)、垂直燃烧(UL-94)和锥形量热法研究了WPCs的可燃性，结果表明，添加Ph-LDH对WPCs的着火性能有协同作用。用扫描电子显微镜(SEM)对经锥形量热试验后的煤渣进行了表征。通过冲击试验和拉伸试验，对阻燃塑料的力学性能进行了分析。聚丙烯(PP)部分取代APP会导致拉伸和冲击性能的恶化，而纳米填料的掺入则会提高阻燃WPCs的力学性能。该产品具有良好的阻燃性能和机械性能，可应用于高阻燃要求的建筑、家具等领域。Seefeldt等人研究了铺装板WPCs在一定条件下的燃烧行为。他们报告中表明，增加木材填料的含量可以降低燃烧强度。为了进一步降低WPCs的可燃性，可在复合过程中加入阻燃剂，Stark等人测试评估了各种用于木四/聚乙烯复合材料的无卤阻燃剂，他们测试了十溴二苯醚、氢氧化镁、硼酸锌、三聚氰胺磷酸盐(MP)和聚磷酸铵(APP)作为WPCs的阻燃剂，发现氢氧化镁和APP对WPCs的防火性能改善最大，而溴基阻燃剂和硼酸锌对WPCs的防火性能改善最小。Sain等人和Suppakarn等人应用氢氧化镁和硼酸锌改善天然纤维/聚丙烯复合材料，用氢氧化物作阻燃剂的优点是能增强火焰。

5. 环氧树脂的阻燃性研究

环氧树脂是重要的热固性塑料之一，具有较高的抗拉强度和杨氏模量，具有良好的尺寸热稳定性、耐溶剂性好、成本低、易加工等，广泛应用于结构层压板、灌封剂、模塑剂的制备。与金属材料相比，环氧树脂更容易燃烧，而先进的环氧树脂尤其适用于电路板应用，因为电路板的电气绝缘性能对阻燃性有严格要求。卤化化合物是环氧树脂常用的共聚物或助剂，对阻燃效果较好，但含卤化物质的燃烧会产生大量有毒高温烟气，对环境发展和人体健康产生负面影响。因此，无卤阻燃剂的研究开发是近年来的一个热点。近年来，有机磷化合物作为环氧树脂阻燃剂的性能得到了很好的证明，含磷/硅的环氧树脂的阻燃材料是由含磷/硅的环氧化合物加入二胺固化剂所制备出来的，并研究了含磷/硅环氧树脂的阻燃性能。此外，还证明了磷硅协同增强环氧树脂材料的LOI，提高其阻燃性能。在火焰作用下，磷提供了炭化的趋势，硅提供了炭化热稳定性的增强，表现出它们各自在阻燃方面的优势。在环氧树脂组合物中同时引入磷和硅，成功地将这两个因素结合在一起形成阻燃机理。含磷和硅的环氧树脂的LOI值在26%～36%之间增强。利用硅氧烷试剂代替硅烷，可以进一步提高磷硅对耐火材料的协同效应。

6. 展望

随着人类社会的发展，复合性材料的阻燃性能沿着高效、绿色、环境友好的道路发展，而且必须同时兼顾其抗老化能力、弯曲拉伸强度及冲击强度等力学性能。单一阻燃剂无法满足材料的高性能，对聚合物材料力学性能影响大，多种阻燃剂的协同效果是一个研究热点，但各种阻燃剂在复配过程中可能出现交互影响或其他新的问题，协同机制探讨及阻燃剂改性将成为阻燃剂研究的方向。

摘要：本文主要介绍了复合材料的定义及阻燃性研究现状，介绍了三种不同类型的阻燃性材料的研究，并对阻燃性复合材料进行了展望。

关键词：复合性材料,阻燃性,研究进展

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