晶格氧催化成炭协效无卤阻燃聚丙烯的阻燃机理、结构与性能研究

环境友好无卤阻燃聚丙烯（PP）体系凝聚相阻燃机理中的基础科学问题之一是如何实现凝聚相炭层质量的控制和改善。本项目提出了采用晶格氧催化剂催化成炭无机阻燃PP的方法，利用晶格氧催化剂的催化氧化脱氢和不同活性氧物种的部分氧化作用，使得PP大分子链发生脱氢交联成炭和形成含氧官能团，而后者又可与无机阻燃剂反应继而交联成炭，从而可大幅提高被阻燃基体树脂PP分子链自身参与成炭的能力，显著改善阻燃性能和降低无机阻燃剂的使用量。为此本项目将深入研究晶格氧催化成炭阻燃PP的机理及协效阻燃机理，活性氧种的含量、活性、种类、晶格氧迁移传递能力等对PP成炭反应的影响，研究活性氧物种参与催化成炭的作用机制及相关热氧降解动力学，建立活性氧种的活性－聚丙烯成炭－阻燃性能之间的关系。研究晶格氧催化成炭反应过程中的流变学问题，阻燃剂分散、界面相容性等相关问题，发展催化成炭阻燃的新理论新方法，具有创新性和重要的理论和实际意义。

氢氧化物等无机阻燃剂由于环境友好而日益受到人们的广泛关注，然而其缺点在于其低阻燃效率高添加量，为达到较好的阻燃性能一般需要添加60 wt%以上的阻燃剂，这势必会严重损害相应阻燃材料的力学性能。针对传统无机阻燃聚丙烯（PP）中的关键问题，本项目将晶格氧催化成炭的概念和理论引入到环境友好的无机阻燃聚丙烯复合体系中，建立了晶格氧催化成炭无机阻燃聚丙烯的新技术，采用过渡金属氧化物、负载型金属氧化物等晶格氧催化剂协效催化无机阻燃PP，采用过渡金属盐表面改性的无机阻燃剂阻燃PP以使阻燃材料在燃烧过程中原位生成晶格氧催化剂，利用晶格氧催化剂的催化氧化脱氢和不同活性氧物种的催化部分氧化作用，使得PP大分子链发生脱氢交联成炭和形成含氧官能团，而后者又会与无机阻燃剂反应交联成炭，从而大幅提高被阻燃基体树脂PP 大分子链自身参与成炭的能力，显著改善阻燃性能和降低无机阻燃剂的使用量。深入系统研究了晶格氧催化剂催化协效无机阻燃PP的阻燃机理，为实现无机阻燃聚丙烯复合材料的高性能低成本化提供新思路。本项目的研究发现，我们设计和采用的晶格氧催化剂对无机氢氧化物如氢氧化镁、氢氧化铝等阻燃聚丙烯具有显著的协效催化阻燃作用，可明显降低无机氢氧化物的负载量和提高材料的阻燃性能（垂直燃烧UL94 V-0级），尤其可显著降低阻燃材料的热释放速率，延迟CO的释放及降低CO的释放量，这对发生火灾时人员的逃生和救援具有极其重要的意义。通过进一步采用氢氧化镁的表面接枝改性技术，在维持优良阻燃性能（UL94 V-0级）的同时，显著提高了无机氢氧化镁阻燃聚丙烯复合材料的力学性能，尤其缺口冲击强度，达到5.4kJ/m2。发表学术期刊论文4篇，其中，国际期刊论文1篇，国内期刊论文3 篇，已投稿国内SCI期刊论文1篇(已提交修改稿)，发表学术会议论文4篇，其中，国际会议论文1篇，国内会议论文3篇，申请中国发明专利1项，本项目所取得的成果作为支撑材料之一获得了2012年教育部技术发明奖二等奖“环境友好高性能无卤阻燃高分子材料制备新技术”，研究成果受到国内外同行的关注。