浙工大王旭教授/馬猛副教授團隊 CEJ: 兼具阻燃性、透明性和高機械性能的聚碳酸酯復合材料

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、力學性能均衡而被廣泛應用于建筑、航空、電子、汽車等領域。但是，PC固有的可燃性會對人身和財產安全造成嚴重危害。特別是在一些特殊領域，要求PC在滿足嚴格阻燃性的同時，還要兼顧高透明性和優(yōu)異的機械強度，限制了PC的實際應用。因此，迫切需要開發(fā)具有阻燃性、透明性和高機械強度的PC復合材料。

基于上述背景，浙江工業(yè)大學王旭教授、馬猛副教授團隊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復合材料（圖1）。由于PDPBS在PC復合材料燃燒過程中催化成炭和促進形成致密炭層的作用，以及柔性硅氧烷鏈段與PC基體的反應共混，改善了PDPBS與PC的相容性，PC/PDPBS復合材料可以保持與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復合材料仍能保持87.5%的透明度，拉伸強度和斷裂伸長率保持在與純PC相同的水平，且不影響PC復合材料的熱穩(wěn)定性（圖2）。燃燒試驗的結果表明，通過添加PDPBS使得PC復合材料通過了UL 94測試V-0等級，LOI明顯提升。同時，PC/PDPBS復合材料的放熱速率峰值(PHRR)和總放熱速率(THR)明顯降低，著火時間(TTI)得到提升（圖3）。從PC復合材料經(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構分析可知PDPBS的加入使得PC復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）。針對上述結果，論文提出了PC/PDPBS復合材料的阻燃機理（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)大學王旭教授、馬猛副教授，研究得到了國家自然科學基金，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室開放基金，浙江省自然基金和浙江省重點研發(fā)計劃等項目的支持。

圖1. 阻燃劑PDPBS的合成路線及PC/PDPBS復合材料的制備

圖2. PC/PDPBS復合材料的透明性、力學性能及熱穩(wěn)定性能

圖3. PC/PDPBS復合材料的阻燃性能

圖4. PC/PDPBS復合材料經(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復合材料的阻燃機理

該工作是團隊近期關于阻燃材料相關研究的最新進展之一。在過去的幾年中，該團隊著眼于新型阻燃劑的結構設計及阻燃聚合物復合材料的性能調控研究，采用靜電自組裝法設計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行反應共混制備了增韌阻燃PLLA復合材料（Int. J. Biol. Macromol, 2023, 251, 126206）；通過共聚單體設計合成制備了具有優(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良好的阻燃和結晶性能同時，可以促進了PLLA的生物降解性（Polymer, 2022, 2558, 125263）；以原位反應形成的PU彈性體為增韌相，聚磷酸銨（APP）為阻燃劑，通過反應共混制備了阻燃增韌PLLA復合材料，通過添加多元醇作為交聯(lián)劑，改善了PLLA復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）。這些研究工作實現(xiàn)了對聚合物的阻燃改性，并拓寬了聚合物的應用范圍，為聚合物的阻燃改性及其應用提供了新思路。

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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（責任編輯：xu）

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