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基本信息

項目名稱:
環保高效膨脹型無鹵阻燃材料的制備及應用
小類:
能源化工
簡介:
近年來特大火災頻頻發生,提高材料的阻燃性能刻不容緩。針對現有膨脹型阻燃劑與聚合物相容性、熱穩定性和耐水性差等缺點,本作品開發出一種新型高效環保阻燃劑。通過分子設計合成一種多功能阻燃協效劑——有機陶瓷前軀體,填補了其在國內阻燃領域應用的空白,開發出高阻燃、低吸潮性、高熱穩定和抗遷移的阻燃聚丙烯材料,進一步拓展PP的應用領域,打破國外廠商在阻燃劑行業的壟斷局面,促進我國阻燃劑行業的健康發展。
詳細介紹:
近年來特大火災頻頻發生,對人們的生命財產造成了極大的危害,因此對材料進行阻燃改性刻不容緩。而傳統鹵系阻燃劑燃燒時發煙量大、釋放有毒氣體并造成二次污染,不符合國家在“十二五”規劃中提出的開發節能環保新材料政策,故開發一種高效、低毒的無鹵阻燃劑勢在必行。 膨脹型阻燃劑(IFR)作為一種無鹵阻燃劑,以其燃燒時煙霧少、放出氣體無害及綠色環保等一系列優點,在國內外聚合物阻燃研究中備受親睞。但其也存在著與聚合物相容性、熱穩定性和耐水性差等不可忽視的缺點。 針對現有IFR的缺點,本作品通過分子設計合成了一種多功能阻燃協效劑—有機陶瓷前軀體(PBSil),將其與IFR協同阻燃PP,將陶瓷的不燃性與聚合物優異性能相結合,開發出具有優良綜合性能的阻燃聚丙烯(PP)材料。 與市場所售同類產品相比,在達到相同性能指標下,該產品具有添加量少、成本低、耐濕性好、抗遷移等優點,填補了國內將有機陶瓷前驅體應用于阻燃領域的空白,拓展了PP的應用領域。本作品對打破國外廠商在阻燃劑行業的壟斷局面、促進我國阻燃劑行業的健康發展具有重大意義。

作品圖片

  • 環保高效膨脹型無鹵阻燃材料的制備及應用
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  • 環保高效膨脹型無鹵阻燃材料的制備及應用
  • 環保高效膨脹型無鹵阻燃材料的制備及應用

作品專業信息

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

目的:本作品為響應國家十二五規劃節能環保新材料政策的號召,針對目前含鹵阻燃劑釋放有毒氣體等問題,開發一種高效低毒的無鹵膨脹型阻燃材料。拓寬PBSil的應用領域,將其應用到塑料、橡膠、纖維等各領域,實現產品的多元化應用,促進我國阻燃劑及阻燃材料行業的健康發展。 基本思路:1.通過分子設計合成具有不同結構的PBSil。2.以成炭性聚合物為載體樹脂,通過熔融共混對IFR進行預處理,研究其用量對阻燃材料力學、阻燃和抗濕等性能的影響。3.將PBSil與預處理的IFR復配制備高效綠色環保的阻燃PP,并探索PBSil在其他聚合物體系中的應用,開發多元化高效阻燃產品. 創新點:1.首次合成了集四種阻燃元素于一體的多功能膨脹型阻燃協效劑——有機陶瓷前軀體,利用陶瓷的不燃性提高聚合物的阻燃性能,從而填補國內將有機陶瓷前驅體應用于阻燃領域的空白。2.通過對PBSil與IFR阻燃PP表面界面性能的研究,發現該體系能夠形成一種智能的表面界面層。3.以成炭性聚合物為載體樹脂,通過熔融共混對IFR進行預處理,制備了集酸源、氣源和炭源于一體的“三位一體”高效膨脹型阻燃母料。 技術關鍵:1.有機陶瓷前軀體(PBSil)合成單體的選取;2.預處理載體樹脂的選擇.3.PBSil與預處理IFR復配阻燃PP工藝條件的確定和優化. 主要技術指標:LOI>34%,UL94 通過V-0級,拉伸強度>30MP,缺口沖擊強度>3.3KJ/m2,70℃×168h水煮實驗后的阻燃性能達到UL-94 V-0級等

科學性、先進性

膨脹型阻燃劑(IFR)作為最有希望代替含鹵阻燃劑的一類無鹵環保阻燃劑,在國內外聚合物阻燃研究中越來越受到重視。IFR的阻燃機理為其在受熱時,成炭劑在脫水劑的作用下脫水成為含炭熔融體,該熔融炭在膨脹劑分解的氣體作用下形成蓬松多孔封閉結構的炭層。該炭層在凝聚相中起到隔熱、隔氧、抑煙和防止熔滴的作用,并提高聚合物的熱解溫度,起到阻燃作用。 雖然IFR具有上述優點,但其也存在著不容忽視的缺點,具體表現為:與聚合物相容性差;熱穩定性、抗遷移性差;易吸濕;相對于鹵系阻燃劑,添加量大、阻燃效率低。 本作品以綠色環保的IFR為主阻燃劑,對IFR進行進一步改進,制備出高效、綠色環保的膨脹型阻燃聚烯烴。 (1)采用成炭聚合物為載體樹脂,通過物理包覆制備了集酸源、氣源和炭源于一體的“三位一體”高效膨脹型阻燃母料,并將其阻燃PP; (2)通過分子設計合成具有特定結構的有機陶瓷前軀體,與IFR復配阻燃PP,通過原位包覆的方法有效改善IFR的遷移性和抗濕性及其與PP基體的相容性。

獲獎情況及鑒定結果

1、第十一屆“挑戰杯”廣東大學生課外學術科技作品競賽廣東省三等獎 2、華南理工大學“賽萊拉”第十二屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽校一等獎 1、2010-2011華南理工大學第一屆材料創新大賽名列前茅(3/42) 2、獲得華南理工大學2010—2011年度“百步梯”攀登計劃一等獎資金支持

作品所處階段

實驗室階段

技術轉讓方式

作品可展示的形式

實物、產品,圖片,樣品

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

本作品的技術優點和優勢: 1.新型協效作用 產品受熱燃燒時,在膨脹炭層的表面形成玻璃質/陶瓷保護層,與膨脹炭層共同發揮良好的隔熱隔氧作用。 2.高效的阻燃性,優異的抗濕性 本作品開發的產品在達到與市售同類產品性能相當的同時降低了IFR的添加量,提高了阻燃效率,并且產品能在潮濕環境中繼續保持優異的阻燃性能。 3.環保綠色產品 適應范圍及推廣前景: 本作品可應用于PP塑料能應用的所有領域,如家電行業,汽車行業以及裝飾行業等。 市場分析及經濟效益預測: 本作品開發的產品充分利用了IFR無鹵,環保等優點,根據相似相容原理,采用包覆和協同作用,改善IFR與聚合物相容性差,易吸濕等缺點。綜合二者的協效作用,達到較好的阻燃效果,同時該產品具有優異的力學性能和抗濕性,解決了IFR添加量大、成本較高的問題,便于實現IFR的工業化生產,并降低阻燃材料制作的成本,提高產品的附加值,開發具有自主知識產權的阻燃體系,利潤空間廣闊。

同類課題研究水平概述

近年來,為了提高膨脹型阻燃PP的成炭效率、改善炭層結構和提高炭層質量,阻燃科研工作者對分子篩(Zeolite 4A)、粘土(Clay)、硼酸鋅(ZnB)和金屬氧化物等的協同作用進行了大量的實驗研究。其中,以Bourbigot S等關于Zeolite對APP/PER膨脹阻燃體系的協同作用研究最為突出,研究表明,在高溫下Zeolite可以作為膨脹阻燃體系的催化劑,能促進體系交聯和成炭,從而提高體系的阻燃性能。Tang Y.[24]和Marosi G.發現有機蒙脫土(OMMT)與IFR具有很好的協同阻燃作用,加入少量(0.5wt%-2wt%)的OMMT可以使PP的氧指數(LOI))有較大提高、熱釋放速率峰值(PHRR)大幅度下降,并研究了其與有機陶瓷前驅體復配協同阻燃PP,發現PP的熔滴現象得到明顯改善,加入0.5wt%的OMMT和2wt%的有機陶瓷前驅體時,氧指數由29.0%提高到35.0%。Chen等人以鐵粉、羥基硅油、二氧化硅和粘土為協效劑,研究了其對IFR體系的協效作用,發現各協效劑對IFR體系的阻燃性能均有不同程度的提高,加入粘土后體系的熱穩定性得到提高,加入二氧化硅后熔滴現象得到抑制。Wang以環糊精和低聚硅氧烷為協效劑協同IFR阻燃聚丙烯,研究了不同添加量對體系氧指數、力學性能的影響,低添加時可代替部分成炭劑,當IFR體系中含6.25wt%環糊精/低聚硅氧烷時,可得到阻燃性能高的阻燃PP。 雖然以上常用協效劑各具優點,但其也存在不足:片層結構的納米有機蒙脫土雖然具有優良的阻隔性能且添加量少,但其片層燃燒時難以連結在一起,而且其垂直燃燒效果不好;二氧化硅/硅土、分子篩在燃燒時可以形成一定的物理網絡,有效地防止了熔滴,但嚴重惡化了材料的加工性能和力學性能;聚倍半硅氧烷與聚合物有一定的相容性,但其燃燒形成粉末狀的硅灰不能連接在一起,阻隔效果不好,阻燃效率低;硼酸鋅類硼化物在燃燒 時可形成玻璃質的阻隔層起到很好隔氧隔熱的作用,但其易吸水抗濕性差(在濕度很大的環境中很容易就遷移至材料表面而損失掉,失去阻燃性能),但協效阻燃作為一種簡單易行、行而有效的方法將會得到進一步研究。 因而開發一種著火時可在材料表面形成類似玻璃質連續的表面層、同時有具有一定的抗濕性的協效阻燃劑勢在必行。
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