基于聚酯体系自组装纳米阻燃剂的成炭行为及阻燃机理

In order to explore the char-forming behavior and the flame retardant mechanism of a self-assembly nano flame retardant based on polyester, this project is proposed to use mulit-wall nano carbontube(MWCN), Na-montmorillonite(MMT) and compounds contained phosphorus and nitrogen to prepare nano flame retardant by self-assembly and then the nano flame retardant will be incoporated in polycarbon(PC) and poly(ethylene terephthalate)(PET) respectively. The effects of chemical composition and molecular structure of the nano flame retardant (the structural alignment, the number of layer of nano flame retardant and the content of flame retardant groups), the influence of the thermal degradation of PC and PET on the char-forming behavior, the chemical reactions of composites in their gas, solid and interface phases, and thermo energy transmission during the combusion process will be investigated. Considering the nonuniformity of the cmoposites and their change at the different steps of a combusion process, the kinetics mechanism of the char-forming and its effect on the flame retardant behavior of composites will be expounded, and then the composites’ flame retardant property during the physical process in the condensed phase will be controlled. We will reveal the flame retardant mechanism, char-forming behavior and their relationship of the nano flame retardant polyester systems through a systemic study of the types of released gases of the composites at different temperatures, the variation of the chemical groups of residues, surface morphology and elemental composition. This project will offer a theoretical guidance for researching and developing nano flame retardant with high flame retardant effeiciency.

为了探索基于聚酯体系的自组装纳米阻燃剂的成炭行为及阻燃机理，本项目拟采用多壁碳纳米管（MWCNT）和钠基蒙脱土（MMT）与磷氮化合物通过自组装技术制备含有阻燃基团的多层复合纳米阻燃剂来阻燃聚碳酸酯（PC）和聚对苯二甲酸乙二酯（PET），研究自组装纳米阻燃剂结构（包括纳米阻燃剂复合层数，微观排列结构，阻燃基团含量等）以及聚酯的热分解对复合材料成炭行为的影响，研究复合材料燃烧过程中在其固态、气态和界面相中的化学反应和热能传输现象，结合复合材料的非均匀性及其在燃烧不同阶段的变化，阐明成炭过程的动力学机制及其对阻燃性能的影响，进而对发生在凝聚相的物理过程中的阻燃性能进行调控。在系统研究材料随温度变化而释放的气体成分、残留物的基团变化、表面形态及其元素组成的基础上，揭示聚酯体系中纳米阻燃体系的成炭行为、阻燃机理以及它们之间的关系。本项目研成果将为获得具有更高阻燃效率的纳米阻燃复合材料提供理论指导。

本项目主要针对常规阻燃剂用量大，对材料力学性能影响较大，阻燃效率不高的问题。通过自组装和分子结构设计方法，以多壁碳纳米管（MWCNT）和蒙脱土（MMT）与磷氮化合物（苯膦酰二氯（PPD）和4,4'-二氨基二苯甲烷（DDM），六氯环三磷腈（HCP），对苯二胺（PDA），三聚氰酸三烯丙酯（TAC））为原料，采用自组装技术制备了几种含有阻燃基团的纳米阻燃剂（CNT-PD,PCP-CNT,PTAC-MMT,PD-OMMT-CNT）并将其用于阻燃聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）和环氧树脂。研究了反应条件对纳米阻燃剂结构（包括纳米阻燃剂包覆率，阻燃基团含量等）的影响，获得了较优的反应路线。通过研究阻燃剂壳层材料的组成、结构与基体材料性能之间的关系；壳层材料与CNT和MMT协同成炭的机制；聚酯的热分解对复合材料成炭行为的影响；材料随温度变化而释放的气体成分、残留物的基团变化、表面形态及其元素组成等方面，揭示阻燃体系中纳米阻燃体系的成炭行为、阻燃机理以及它们之间的关系。研究结果表明使用含磷氮化合物为外包覆层制备的CNT或MMT纳米阻燃剂对于聚酯和环氧树脂都有良好的阻燃效果。这是由于含有阻燃基团的外包覆层与CNT或MMT达到了纳米级的相互结合，共同作用促进成炭，从而具有较好的阻燃性能。本项目研究成果为获得具有更高阻燃效率的纳米阻燃复合材料的设计与产业化生产提供了重要的理论指导和必要的数据支撑。