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時獻研讀19 | 中南大學陳長坤教授、中國安全生產科學研究院史聰靈教授:碳納米粒子與膨脹型阻燃劑對TPU的協同阻燃、抑煙效果研究

  大多數高分子具有易燃特性,且在燃燒過程中易產生濃煙。通常情況下,傳統阻燃劑的添加易對聚合物的加工與機械性能產生較大負荷,阻燃效率不高且抑煙性能差。碳基材料由于成本低,資源豐富,重量輕,高強度,高模量等特點,近年來備受關注,少數碳基材料如碳納米管(CNT),石墨烯,碳納米纖維(CNF)等常被用于阻燃聚合物復合材料的工業生產中。

  中南大學陳長坤教授、中國安全生產科學研究院史聰靈教授將CNT / CNF和IFR(APP和MNP)復配添加用于熱塑性彈性體TPU材料,研究其在TPU材料中的阻燃、抑煙協同功效。



  研究者將C-TPU,APP,MNP,CNT和CNF真空干燥后,利用雙螺桿擠出機將上述材料按一定比例熔融共混,加工制備不同配比的C-TPU復合材料。



  隨后采用紅外-熱重分析對復合材料的熱穩定性進行評估,并采用錐形量熱測試、LOI測試、UL94測試等對碳納米粒子和膨脹型阻燃劑的引入對材料的燃燒性能和抑煙性能的提升進行評估。



  TG-FTIR測試結果表明,與僅有IFR的復合材料相比,含CNT/CNF/IFR的復合材料在高溫下顯示出更高的熱穩定性, 殘炭量最大可提升54%。TG-IR結果表明,該阻燃體系可以通過抑制分解產物的揮發減少煙霧顆粒釋放,從而產生抑煙效果。

  Smoke density test (煙密度測試)結果顯示CNT / CNF / IFR與阻燃劑C-TPU的結合極大地改善了煙霧釋放。C-TPU-3的光通量在沒有火焰和有火焰狀態下分別提升64%和93%。



  此外CONE測試顯示CNT/CNF/IFR的復配使用使復合材料的pHRR和THR顯著降低,C-TPU-3的pHRR值下降超過80%,煙氣釋放量降低50%;LOI結果提升明顯,抗滴落效果得以改善。且將他們復配使用時同等添加量條件下,UL-94V測試達到V-0等級。以上測試結果顯示了該碳基阻燃體系良好的潛在應用價值。



  最后,通過炭層掃描分析等,研究者該體系可能存在的機理進行分析:CNT/CNF/IFR的引入可在分解早期階段催化促進聚合物成炭,且在后期形成網狀結構炭層,從而促進燃燒性能的提升和滴落性能的改善。此外,通過抑制分解產物的揮發作用有效提升了抑煙效果。

  內容來源:

  《Journal of Materials Science》(53卷,8期,2018年4月,6053-6064頁)(注:其他作者為張小龍博士和陳杰博士)

  原文鏈接:

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

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