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时献研读19 | 中南大学陈长坤教授、中国安全生产科学研究院史聪灵教授:碳纳米粒子与膨胀型阻燃剂对TPU的协同阻燃、抑烟效果研究

  大多数高分子具有易燃特性,且在燃烧过程中易产生浓烟。通常情况下,传统阻燃剂的添加易对聚合物的加工与机械性能产生较大负荷,阻燃效率不高且抑烟性能差。碳基材料由于成本低,资源丰富,重量轻,高强度,高模量等特点,近年来备受关注,少数碳基材料如碳纳米管(CNT),石墨烯,碳纳米纤维(CNF)等常被用于阻燃聚合物复合材料的工业生产中。

  中南大学陈长坤教授、中国安全生产科学研究院史聪灵教授将CNT / CNF和IFR(APP和MNP)复配添加用于热塑性弹性体TPU材料,研究其在TPU材料中的阻燃、抑烟协同功效。



  研究者将C-TPU,APP,MNP,CNT和CNF真空干燥后,利用双螺杆挤出机将上述材料按一定比例熔融共混,加工制备不同配比的C-TPU复合材料。



  随后采用红外-热重分析对复合材料的热稳定性进行评估,并采用锥形量热测试、LOI测试、UL94测试等对碳纳米粒子和膨胀型阻燃剂的引入对材料的燃烧性能和抑烟性能的提升进行评估。



  TG-FTIR测试结果表明,与仅有IFR的复合材料相比,含CNT/CNF/IFR的复合材料在高温下显示出更高的热稳定性, 残炭量最大可提升54%。TG-IR结果表明,该阻燃体系可以通过抑制分解产物的挥发减少烟雾颗粒释放,从而产生抑烟效果。

  Smoke density test (烟密度测试)结果显示CNT / CNF / IFR与阻燃剂C-TPU的结合极大地改善了烟雾释放。C-TPU-3的光通量在没有火焰和有火焰状态下分别提升64%和93%。



  此外CONE测试显示CNT/CNF/IFR的复配使用使复合材料的pHRR和THR显着降低,C-TPU-3的pHRR值下降超过80%,烟气释放量降低50%;LOI结果提升明显,抗滴落效果得以改善。且将他们复配使用时同等添加量条件下,UL-94V测试达到V-0等级。以上测试结果显示了该碳基阻燃体系良好的潜在应用价值。



  最后,通过炭层扫描分析等,研究者该体系可能存在的机理进行分析:CNT/CNF/IFR的引入可在分解早期阶段催化促进聚合物成炭,且在后期形成网状结构炭层,从而促进燃烧性能的提升和滴落性能的改善。此外,通过抑制分解产物的挥发作用有效提升了抑烟效果。

  内容来源:

  《Journal of Materials Science》(53卷,8期,2018年4月,6053-6064页)(注:其他作者为张小龙博士和陈杰博士)

  原文链接:

  https://link.springer.com/article/10.1007/s10853-017-1970-0

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