大多數聚合物材料都極易燃燒，這嚴重限制了其在諸多領(lǐng)域中的實(shí)際應用。因此，增強聚合物的阻燃性能具有重大意義。納米黏土是天然、無(wú)毒、低成本、可生物降解且具有生物相容性的材料，常被用于合成各種聚合物納米復合材料，由于其較大的比表面積、阻隔性和熱穩定性，可有效改善聚合物材料的阻燃性和力學(xué)性能。
　　
　　生物來(lái)源的天然材料是地球上最豐富的原材料，由于其生物可降解性、低密度、可再生性及優(yōu)異的力學(xué)性能等特點(diǎn)，引起了科學(xué)和商業(yè)的廣泛關(guān)注。這些特性使它們成為開(kāi)發(fā)機械堅固、可持續和生物相容性較好的納米復合材料的有力候選者。
　　
　　1、果膠
　　
　　以果膠和鈉基蒙脫石為原料，通過(guò)簡(jiǎn)單、環(huán)保的冷凍干燥工藝制備可生物降解的氣凝膠復合材料。結果表明，氣凝膠復合材料的壓縮模量直接與蒙脫石的添加量相關(guān)，蒙脫石含量越高，壓縮模量就越高。據報道，密度為0.19g/cm3的果膠黏土氣凝膠的最高壓縮模量為114MPa。果膠(P)-黏土(C)氣凝膠在低聚合物負載(P5C5)和層間連接性較低的情況下顯示出類(lèi)似于其他聚合物黏土氣凝膠的“紙牌屋”微觀(guān)結構。然而，將其固含量提高到10%以上時(shí)，形成了具有高連通性的多孔層狀結構，從而可以在材料內更有效地傳遞載荷。
　　
　　同時(shí)，黏土也能顯著(zhù)改善果膠基材料的阻燃性能，將凹凸棒石摻入果膠基體中制成了一種低密度固體泡沫，通過(guò)紅外光譜確認了物質(zhì)間的相互作用；通過(guò)熱重分析證實(shí)了凹凸棒石的加入有效提高了生物質(zhì)納米復合泡沫的分解溫度；水平燃燒實(shí)驗表明，基于凹凸棒石/果膠的仿生納米復合泡沫材料具有可自動(dòng)熄滅的性能，在阻燃方面展現出較大的潛力。
 

　　
　　2、海藻酸鹽
　　
　　海藻酸鹽最有用的功能特性之一是其形成凝膠的能力，它可以被鈣離子交聯(lián)形成水凝膠；但由于其快速的膠凝速度，其不能形成均勻的水凝膠。采用CaCO3-GDL(葡萄糖酸內酯)系統控制鈣的釋放可以獲得均質(zhì)的海藻酸鹽水凝膠，在增強材料的機械強度方面非常有效，但是這種方法很復雜且很難工業(yè)化。為此，開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)交聯(lián)制備高機械強度的海藻酸鹽/黏土氣凝膠的簡(jiǎn)便方法，并且通過(guò)添加對甲苯磺酸進(jìn)一步提高了該材料的熱穩定性和防火安全性。所制備的A5C5氣凝膠的壓縮模量從(6.0±0.4)MPa顯著(zhù)增加到(17±3)MPa。燃燒測試表明，所有海藻酸鹽/黏土氣凝膠均具有出色的阻燃性。
　　
　　海藻酸鹽是一種天然的阻燃材料，極限氧指數(LOI)值為48.0%，峰值放熱率(PHRR)為4.99kW/m2，因此，這種聚合物在制備阻燃氣凝膠領(lǐng)域具有較大的應用潛力。研究發(fā)現，海藻酸鹽/黏土復合氣凝膠具有出色的阻燃性和良好的力學(xué)性能。然而，由高含量的不可燃聚合物制備的復合氣凝膠不能同時(shí)滿(mǎn)足氣凝膠的隔熱性能和超低密度。為了進(jìn)一步優(yōu)化氣凝膠的隔熱性能和密度，必須將聚合物含量降至最低(應同時(shí)滿(mǎn)足氣凝膠的力學(xué)性能要求)。將基于凹凸棒石的氣凝膠與極少量的海藻酸鹽結合以形成獨特的分級介孔-微孔結構，采用乙醇溶液置換法和冷凍干燥工藝，所得氣凝膠具有超低密度(0.035～0.052g/cm3)、實(shí)用機械強度(0.7～2.1MPa)和低導熱率(0.0332～0.165W·m－1·K－1(25～1000℃))。此外，由于高比例的凹凸棒石，所得氣凝膠顯示出優(yōu)異的阻燃性，并且可以承受超高溫火焰10min而不塌陷。這種基于凹凸棒石的具有3D框架的可再生氣凝膠是一種有前途的材料，可用于建筑和航空航天領(lǐng)域，可實(shí)現隔熱和高阻燃性的高要求應用。
 

　　
　　3、木材
　　
　　一些研究人員已經(jīng)制備了混合木材/黏土材料，將納米黏土顆粒與三聚氰胺-尿素-甲醛混合，浸漬到木材中并固化，從而改善其力學(xué)性能、尺寸穩定性和阻燃性；但是因為沒(méi)有在木材內部纖維結構中插入黏土納米片，所以并未形成真正具有納米結構的木材/黏土復合材料。因此，將輕木(Balsawood)用作模型材料，選用蒙脫土納米黏土(由約1nm厚的硅酸鹽堆積層組成，直徑在100～400nm范圍內)，通過(guò)浸漬將蒙脫土納米片水解膠體引入脫木素木質(zhì)支架內，形成了具有高阻燃性的納米結構木質(zhì)雜化物。


　　
　　盡管在商業(yè)材料應用中已有將無(wú)機物與木材結合起來(lái)的先例，但控制納米級結構的方法仍未被嘗試。通過(guò)將膨潤土納米片浸漬到木材通道中然后進(jìn)行熱壓使材料致密化，制成了具有卓越阻燃性、隔熱性和機械強度的木材層壓板。
 

　　
　　膨潤土納米片的結構有利于形成氫鍵并增強與聚合物基體之間的界面相互作用，其厚度約為1nm，因此將膨潤土納米片嵌入到木腔或納米孔內是可行的。另外，木材纖維素和無(wú)機填料之間優(yōu)異的相容性有助于改善木材的阻燃性，且致密的木材層壓板結構可提高材料機械強度。阻燃測試表明，與天然椴木相比，這種木材層壓板的峰值放熱率降低了50%以上。直接暴露在明火中7min后，木質(zhì)層壓板才開(kāi)始燃燒，且從火焰中移出時(shí)會(huì )自動(dòng)熄滅，這表明復合材料具有出色的阻燃性。木質(zhì)層壓板還具有330MPa的高抗拉強度，比原始材料高八倍以上。此外，木質(zhì)層壓板在軸向和徑向上分別具有0.2W·m－1·K－1和0.18W·m－1·K－1的較低導熱率。這種廉價(jià)、無(wú)毒且堅固的木質(zhì)層壓板可以滿(mǎn)足節能建筑中高強度、阻燃性、終端絕緣材料的要求，在節能建筑領(lǐng)域具有廣闊的前景。
 

　　
　　4、棉織物
　　
　　表面改性是在棉織物中增加阻燃性能的一種有效便捷的方法，而作為表面改性方法的一種，逐層組裝技術(shù)(LbL)被認為是一種簡(jiǎn)單、功能強大且環(huán)保的表面改性方法，其由幾種陽(yáng)離子/陰離子循環(huán)沉積，通過(guò)產(chǎn)生3D多孔炭層使織物具有自熄性。將生物基陽(yáng)離子淀粉(CS)和蒙脫土形成的納米復合材料作為阻燃劑通過(guò)LbL技術(shù)層壓到純棉織物上；CS和黏土多層薄膜通過(guò)在高溫下形成陶瓷炭層和具有熱穩定的碳質(zhì)結構來(lái)提高織物的熱穩定性并改善阻燃性。錐形量熱測試顯示，LbL涂層織物的釋熱總值和熱量釋放能力較差；在垂直燃燒測試中，涂有LbL涂層的棉花樣品余輝時(shí)間減少。
　　
　　凹凸棒石是一種含有水合氧化鎂鋁硅酸鹽的非金屬黏土礦物，其比表面積大、熱穩定性高、環(huán)保高效、成本低。通過(guò)硫醇-烯點(diǎn)擊反應，可將凹凸棒石接枝到棉織物的表面來(lái)制備阻燃棉織物，此方法促進(jìn)了凹凸棒石在棉織物表面上的均勻接枝，所得的棉織物顯示出優(yōu)異的阻燃性能。與原始棉織物相比，所得阻燃棉織物的燃燒速率和最大煙密度值分別降低了42.39%和57.81%，而LOI值提高了38.38%。其優(yōu)異的阻燃性能可歸因于在燃燒過(guò)程中凹凸棒石分解形成了更穩定的氧化層，從而阻止了外部熱量和氧氣的輸入以及基材釋放的可燃氣體的輸出。用這種方法制得的阻燃棉織物對健康無(wú)危害，有利于促進(jìn)無(wú)鹵無(wú)磷阻燃棉織物的發(fā)展。
 

　　
　　5、纖維素
　　
　　在眾多種類(lèi)的纖維素中，具有納米尺寸、大比表面積、獨特微觀(guān)結構等特性的纖維素納米纖維(CNF)逐漸成為學(xué)者的重點(diǎn)研究對象，在大多數情況下，將CNF與無(wú)機或有機成分結合使用，可在不降低其熱穩定性的前提下，大幅提高阻燃性。
　　
　　海泡石是由八面體-四面體-八面體的塊狀結構組成，呈針狀和隧道狀。海泡石的基本單元是在黏土表面附著(zhù)有硅烷醇基的水合硅酸鎂，其表面的羥基有利于與纖維素相互作用形成復合物。通過(guò)冷凍干燥工藝合成以CNF和海泡石為基礎的有機-無(wú)機混合氣凝膠。通過(guò)改變海泡石和CNF的濃度使其尺寸穩定、導熱低以及阻燃。結果表明，制備的氣凝膠具有出色的阻燃性，UL-94達到V-0等級，水平燃燒測試和火焰滲透證實(shí)了其隔熱性和阻燃性。導熱率結果也表明所制備的復合氣凝膠具有良好的隔熱性能。當涉及這種混合泡沫的工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，所摻入組分的量及其來(lái)源起著(zhù)重要作用。實(shí)際上，使用盡可能少量的成分，尤其是來(lái)自豐富自然資源的成分，將有效地簡(jiǎn)化加工條件并實(shí)現可持續生產(chǎn)。因此，為了嘗試使用更少的組分來(lái)獲得所需的阻燃性能，使用冷凍澆鑄技術(shù)將磷酸化改性的CNF(P-CNF)與微纖維海泡石黏土混合，制得了輕質(zhì)且阻燃的納米結構泡沫。該泡沫具有出色的阻燃性能、較好的自熄行為和極低的熱釋放率。此外，還具有高耐火焰滲透性，這主要歸因于P-CNF的固有炭化能力以及海泡石在材料表面形成的熱保護膨脹型屏障的能力。由于海泡石顆粒的納米級尺寸、其大比表面積和剛度以及與P-CNF的緊密相互作用，黏土納米棒的摻入可顯著(zhù)提高納米復合泡沫的機械強度和剛度。在這項研究中制備的新型泡沫有望在可持續建筑領(lǐng)域中發(fā)揮其巨大的應用潛力。
 

　　
　　6、天然橡膠
　　
　　將納米黏土引入天然橡膠是一條經(jīng)濟、綠色的技術(shù)路線(xiàn)，可以顯著(zhù)提高天然橡膠的力學(xué)性能、耐熱性、阻隔性和阻燃性。
　　
　　Liu等對有機改性埃洛石納米管(OHNT)復合50%環(huán)氧化水平的天然橡膠(ENR-50)的理化性能進(jìn)行了評價(jià)，并采用溶劑鑄造技術(shù)制備了不同質(zhì)量比的OHNT/ENR-50納米復合材料。結果表明，ENR-50主要是通過(guò)氫鍵吸附在HNT表面，在ENR-50的存在下OHNT得到完全均勻分散，且隨著(zhù)OHNT含量的增加，ENR-50最大分解溫度(Tmax)有所提高。納米復合材料的力學(xué)性能表明，ENR-50的硬度和彈性模量隨OHNT的加入而增加。極限氧指數測試表明，制備的OHNT/ENR-50納米復合材料的LOI值高達48%～72%，屬于自熄滅材料。研究表明，埃洛石等黏土礦物在增強橡膠等聚合物阻燃性能的過(guò)程中發(fā)揮了積極作用，制備的黏土基礦物復合材料OHNT/ENR-50在耐火涂料領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。
　　
　　以N，N，N三(2-羥乙基)-N-十二烷基溴化銨(THDAB)對蒙脫石進(jìn)行修飾，然后將其與乙二胺和丙烯酸甲酯的分支基團復合，成功制備了三代樹(shù)枝狀聚合物改性的有機黏土(DOMMT)，用于制備天然橡膠復合材料。結果表明，這些DOMMT具有擴展的層空間，并表現出良好的熱穩定性。獲得的復合材料的拉伸強度從15.2MPa提高到了17.3MPa。另外，NR/DOMMT復合材料的最大失重率隨著(zhù)DOMMT添加量的增加而降低，復合材料的水平燃燒時(shí)間增加，阻燃性能得到改善。以天然橡膠(NR)和高分子改性的有機蒙脫土(FR-DOMt)復合制備了一系列阻燃納米復合材料，這些納米復合材料的優(yōu)點(diǎn)在于其良好的力學(xué)性能和阻燃性能。由于層狀硅酸鹽與彈性體之間復雜的相互作用，NR/FR-DOMt復合材料表現出較高的抗拉強度。通過(guò)錐形量熱儀分析，當FR-DOMt加載20%(質(zhì)量分數)時(shí)，NR的可燃性參數明顯降低，特別是燃燒過(guò)程產(chǎn)生的CO煙氣量遠遠低于純NR，這歸因于FR-DOMt中占據高比例的硼、硅等元素的抑煙能力。另外，炭渣緩慢燃燒結合有機黏土遷移到聚合物基體表面形成阻隔保護層，體現了黏土礦物優(yōu)異的壓制火焰能力。
 

　　
　　資料來(lái)源：《解維閔,梁曉正,趙曉光,楊華明.黏土礦物基納米復合阻燃材料的研究進(jìn)展[J].材料導報,2021,35(23):23192-23204》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！