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浙工大王旭教授/馬猛副教授團(tuán)隊(duì) CEJ: 兼具阻燃性、透明性和高機(jī)械性能的聚碳酸酯復(fù)合材料
2023-09-09  來源：高分子科技

  聚碳酸酯（PC）作為一種重要的工程塑料，因其透明性高、力學(xué)性能均衡而被廣泛應(yīng)用于建筑、航空、電子、汽車等領(lǐng)域。但是，PC固有的可燃性會(huì)對人身和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害。特別是在一些特殊領(lǐng)域，要求PC在滿足嚴(yán)格阻燃性的同時(shí)，還要兼顧高透明性和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，限制了PC的實(shí)際應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)具有阻燃性、透明性和高機(jī)械強(qiáng)度的PC復(fù)合材料。


  基于上述背景，浙江工業(yè)大學(xué)王旭教授、馬猛副教授團(tuán)隊(duì)通過脫水縮聚法合成了線型大分子聚硼硅氧烷(PDPBS)，并通過熔融共混制備了PC/PDPBS復(fù)合材料（圖1）。由于PDPBS在PC復(fù)合材料燃燒過程中催化成炭和促進(jìn)形成致密炭層的作用，以及柔性硅氧烷鏈段與PC基體的反應(yīng)共混，改善了PDPBS與PC的相容性，PC/PDPBS復(fù)合材料可以保持與PC幾乎相同的透明性，并獲得優(yōu)異的阻燃性。PDPBS的添加使得PC復(fù)合材料仍能保持87.5%的透明度，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率保持在與純PC相同的水平，且不影響PC復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性（圖2）。燃燒試驗(yàn)的結(jié)果表明，通過添加PDPBS使得PC復(fù)合材料通過了UL 94測試V-0等級，LOI明顯提升。同時(shí)，PC/PDPBS復(fù)合材料的放熱速率峰值(PHRR)和總放熱速率(THR)明顯降低，著火時(shí)間(TTI)得到提升（圖3）。從PC復(fù)合材料經(jīng)錐形量熱測試后殘?zhí)康暮暧^/微觀形貌可以看出殘余炭層的高度和致密化程度提高（圖4）。通過對殘余炭層組成及結(jié)構(gòu)分析可知PDPBS的加入使得PC復(fù)合材料的石墨化程度明顯提高，殘余物的氧化程度降低（圖5）。針對上述結(jié)果，論文提出了PC/PDPBS復(fù)合材料的阻燃機(jī)理（圖6），這一工作為獲得兼具阻燃和透明性能的PC提供了一種新方法，也拓寬了PC在電子電器和汽車上的應(yīng)用。研究成果近日以“Toward flame-retardant, transparency, and high mechanical property of polycarbonate based on low addition of linear polyborosiloxane”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》期刊。浙江工業(yè)大學(xué)碩士生劉宗勝為本論文的第一作者，論文的通訊作者為浙江工業(yè)大學(xué)王旭教授、馬猛副教授，研究得到了國家自然科學(xué)基金，四川大學(xué)高分子材料工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金，浙江省自然基金和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。 


圖1. 阻燃劑PDPBS的合成路線及PC/PDPBS復(fù)合材料的制備 


圖2. PC/PDPBS復(fù)合材料的透明性、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性能 


圖3. PC/PDPBS復(fù)合材料的阻燃性能 


圖4. PC/PDPBS復(fù)合材料經(jīng)錐形量熱測試后殘?zhí)康暮暧^/微觀形貌 


圖5. PC/PDPBS復(fù)合材料經(jīng)錐形量熱測試后殘?zhí)康氖把趸潭?/span>


圖6. PC/PDPBS復(fù)合材料的阻燃機(jī)理


  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于阻燃材料相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。在過去的幾年中，該團(tuán)隊(duì)著眼于新型阻燃劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及阻燃聚合物復(fù)合材料的性能調(diào)控研究，采用靜電自組裝法設(shè)計(jì)制備了生物基阻燃劑APP@CS，并通過與原位生成的可降解聚氨酯（PU）彈性體作為增韌相進(jìn)行反應(yīng)共混制備了增韌阻燃PLLA復(fù)合材料（Int. J. Biol. Macromol, 2023, 251, 126206）；通過共聚單體設(shè)計(jì)合成制備了具有優(yōu)異的阻燃性能和高透明性的阻燃透明有機(jī)玻璃P(MMA-co-MAM)/DMMP（ACS Appl. Polym. Mater, 2023, 5, 846）；利用精氨酸（AR）和植酸（PA）合成制備了一種具有阻燃性和成核性的生物基化合物PA-AR，該阻燃成核劑在賦予PLLA良好的阻燃和結(jié)晶性能同時(shí)，可以促進(jìn)了PLLA的生物降解性（Polymer, 2022, 2558, 125263）；以原位反應(yīng)形成的PU彈性體為增韌相，聚磷酸銨（APP）為阻燃劑，通過反應(yīng)共混制備了阻燃增韌PLLA復(fù)合材料，通過添加多元醇作為交聯(lián)劑，改善了PLLA復(fù)合材料在燃燒過程中的滴落行為，大大提高了其韌性（J. Mater. Sci, 2022, 57, 5645）。這些研究工作實(shí)現(xiàn)了對聚合物的阻燃改性，并拓寬了聚合物的應(yīng)用范圍，為聚合物的阻燃改性及其應(yīng)用提供了新思路。


  原文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145799

  https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126206

  https://doi.org/10.1021/acsapm.2c01786

  https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.125263

  http://doi.org/10.1007/s10853-022-06887-5

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