聚合物納米復合物加工、熱行為與阻燃性能

前言

　　人們普遍認為1990年日本豐田汽車公司宣布使用黏土／尼龍6納米復合材料標志著納米聚合物工業(yè)化的正式起步。統(tǒng)計資料表明，全世界已有50多個國家相繼加大了納米技術研發(fā)計劃的投入，其中美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)的納米材料科技研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化格局正在逐漸形成。我國制定了《國家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010）》，于2002年啟動了國家自然科學基金納米科技基礎研究重大研究計劃，2003年成立了國家納米科學中心。經(jīng)過近十年的累積，本領域的研發(fā)取得了可喜的成績?！　〕Ｓ玫木酆衔锊牧洗蠖嗍且兹嫉摹＞酆衔锛{米復合物（polymer nanocom posites，PNC）是由多種不同組分組成的聚合物多相體系，涵蓋的納米粒子種類繁多，如蒙脫土（MMT）、層狀雙羥基化物（LDH）、碳納米管（CNT）、多面體低聚硅倍半氧烷（POSS）、二氧化硅、二氧化鈦等無機物或有機化的無機物等。這些納米粒子的介入賦予了聚合物材料以新的生機和希望，為探索、提高聚合物材料抵抗熱與火的能力，彌補聚合物材料先天易燃的缺陷等提供了有益的思路。

內容概要

現(xiàn)代納米技術幾乎已經(jīng)滲透到各學科的每個角落，聚合物阻燃領域也不例外。無鹵阻燃聚合物材料順應全球綠色環(huán)保的潮流，正以快速強勁的步伐發(fā)展著。本書力求以此為重點，介紹近年來國內外本領域的新進展。全書共計11章，對各種納米阻燃技術及基礎、納米阻燃材料的表征與加工等給予了扼要介紹。內容涉及熱塑性、熱固性、彈性體聚合物等以及納米材料、納米技術的運用。此外，本書特辟專章，邀請國外業(yè)界專家對納米技術在線纜工業(yè)中的應用情況進行了概括性介紹。    本書可供與聚合物阻燃有關專業(yè)的本科生、研究生、教師以及科研人員、技術人員閱讀和參考。

書籍目錄

前言第1章  聚合物納米復合物  1.1  聚合物納米復合物概述    1.1.1  概況    1.1.2  世界聚合物納米復合材料市場    1.1.3  PNC制備方法比較    1.1.4  PNC的檢測技術    1.1.5  納米復合物與常規(guī)阻燃劑間的協(xié)同作用  1.2  幾種重要的納米填料    1.2.1  蒙脫土    1.2.2  層狀雙羥基化物    1.2.3  海泡石    1.2.4  CNT  1.3  聚合物阻燃納米復合物與網(wǎng)絡結構    1.3.1  形成納米復合物的驅動力    1.3.2  納米填料對材料熱穩(wěn)定性與結晶度的影響    1.3.3  納米復合物的逾滲網(wǎng)絡與阻燃  1.4  環(huán)保問題    1.4.1  關于納米材料的毒性    1.4.2  CNT的“毒性”問題  參考文獻第2章  聚合物納米復合材料的形貌與界面表征  2.1  納米粒子的分散性與形貌控制    2.1.1  TEM    2.1.2  XRD分析及SAXS    2.1.3  XRD-TEM聯(lián)用    2.1.4  熔體的流變分析    2.1.5  固態(tài)NMR    2.1.6  自由程間隔測定法  2.2  聚合物阻燃納米復合物研究示例    2.2.1  PA6、PBT與PP的阻燃納米復合物    2.2.2  膨脹型阻燃納米復合物    2.2.3  網(wǎng)絡結構的生成  2.3  多相納米體系的表面/界面表征：XPS/AFM    2.3.1  取樣深度    2.3.2  表面阻擋層    2.3.3  表面(界面)富集    2.3.4  鈉米效應的顯示    2.3.5  AFM實例分析    2.3.6  有關XPS的幾點注釋  2.4  本章小結  參考文獻第3章  聚合物納米復合物的流變行為  3.1  聚合物流體流變特性    3.1.1  概況    3.1.2  非牛頓流動    3.1.3  聚合物流體的動態(tài)黏彈性  3.2  聚合物/MMT納米復合物的流變行為與熱穩(wěn)定/阻燃性能    3.2.1  黏土及其含量、長徑比的影響    3.2.2  相容劑的作用    3.2.3  基體聚合物及其他組分的影響  3.3  聚合物/CNT納米復合物的流變行為與熱穩(wěn)定/阻燃性能    3.3.1  CNT類型的比較    3.3.2  CNT含量、長徑比的影響    3.3.3  CNT表面處理及官能化的作用  3.4  聚合物/SiO2納米粒子復合物的流變與熱穩(wěn)定性  3.5  本章小結  參考文獻第4章  聚合物納米復合物的加工技術  4.1  概述  4.2  PNC的幾種制備加工技術  4.3  熔態(tài)擠出法    4.3.1  螺桿設計的基本參數(shù)    4.3.2  擠出機類型    4.3.3  拉伸流混合裝置EFM的使用    4.3.4  特殊螺桿設計    4.3.5  有機黏土的降解    4.3.6  相容劑與流變行為    4.3.7  螺桿組合與分散性    4.3.8  結晶與分散  4.4  黏土漿液法  4.5  逾滲網(wǎng)絡與流變行為    4.5.1  納米黏土網(wǎng)絡與流變行為    4.5.2  CNT加工與網(wǎng)絡結構  參考文獻第5章  膨脹阻燃與納米技術  5.1  概述    5.1.1  膨脹阻燃發(fā)展概述    5.1.2  膨脹阻燃的概念及作用機理    5.1.3  協(xié)同膨脹阻燃研究進展  5.2  MMT與膨脹阻燃    5.2.1  聚烯烴    5.2.2  聚酯類  5.3  LDH與膨脹阻燃    5.3.1  LDH與APP膨脹阻燃PS    5.3.2  LDH與APP膨脹阻燃PA6/PP    5.3.3  LDH與APP膨脹阻燃PVA    5.3.4  LDH與APP膨脹阻燃PP  5.4  碳納米填料與膨脹阻燃    5.4.1  CNT表面接枝膨脹型阻燃劑    5.4.2  CNT表面纏繞膨脹型阻燃劑    5.4.3  C60表面接枝膨脹型阻燃劑    5.4.4  CNF、協(xié)效膨脹阻燃PA11與PA12  5.5  其他納米填料與膨脹阻燃體系的結合    5.5.1  層狀納米磷酸鋯與膨脹阻燃    5.5.2  納米多孔鎳磷酸鹽與膨脹阻燃    5.5.3  POSS與膨脹阻燃  5.6  膨脹型納米阻燃聚合物材料展望  參考文獻第6章  非層狀無機納米粒子/聚合物復合物的加工與性能  6.1  非層狀無機納米粒子的特性    6.1.1  納米SiO2    6.1.2  納米CaC03    6.1.3  其他非層狀無機納米粒子  6.2  非層狀無機納米粒子/聚合物復合材料的加工分散技術    6.2.1  非層狀無機納米粒子的表面改性    6.2.2  接枝改性-熔融共混加工分散技術    6.2.3  預牽伸加工分散技術    6.2.4  原位反應性增容加工分散技術  6.3  非層狀無機納米粒子/聚合物復合材料的性能    6.3.1  力學性能    6.3.2  熱性能    6.3.3  阻燃性能    6.3.4  抗磨損性能    參考文獻第7章  聚合物/籠形低聚硅倍半氧烷納米復合物的熱行為與阻燃性能  7.1  POSS化合物概述    7.1.1  POSS籠的結構性質與合成方法    7.1.2  POSS基聚合物與分子鏈運動    7.1.3  POSS/聚合物復合材料的優(yōu)點  7.2  POSS與聚合物的相容性    7.2.1  POSS接枝聚合物相容性    7.2.2  POSS與聚合物共混相容性    7.2.3  POSS交聯(lián)聚合物相容性  7.3  聚合物/POSS復合物的熱降解與阻燃性質    7.3.1  聚合物/POSS復合物的熱降解    7.3.2  聚合物/P0sS復合物的阻燃性能    7.3.3  POSS對聚合物涂層性能的影響  7.4  POSS應用展望  參考文獻第8章  聚合物/碳納米管復合材料的熱性能和阻燃行為  8.1  碳納米管概述    8.1.1  CNT的結構與制備    8.1.2  CNT的性能  8.2  CNT表面修飾及其在聚合物基體中的分散和取向    8.2.1  CNT表面修飾方法    8.2.2  CNT在聚合物基體中的分散    8.2.3  CNT在聚合物基體中的取向  8.3  聚合物/CNT復合材料的熱性能    8.3.1  聚合物/CNT復合材料導熱性能    8.3.2  聚合物/CNT復合材料的熱穩(wěn)定性  8.4  聚合物/CNT復合材料的阻燃行為    8.4.1  CNT對聚合物阻燃的影響    8.4.2  CNT與其他物質的協(xié)同阻燃作用  8.5  聚合物/CNT復合材料的發(fā)展方向和應用前景  參考文獻第9章  熱固性聚合物納米復合物  9.1  概述  9.2  熱固性聚合物納米復合物的制備方法與結構形成機理    9.2.1  層狀無機物插層聚合法    9.2.2  溶膠-凝膠原位生成法    9.2.3  原位分散聚合法    9.2.4  影響熱固性聚合物納米復合物結構形成的主要因素  9.3  熱固性聚合物納米復合物的化學流變、微觀結構形態(tài)與力學行為    9.3.1  概況    9.3.2  熱固性聚合物納米復合物固化過程中的化學流變行為    9.3.3  熱固性聚合物納米復合物的微觀結構形態(tài)、界面行為與材料的增韌增強    9.3.4  熱固性聚合物納米復合物加工條件的設計  9.4  熱固性聚合物納米復合物的熱降解與阻燃    9.4.1  熱固性聚合物納米復合物的熱行為    9.4.2  熱固性聚合物納米復合物的燃燒行為和阻燃機理    9.4.3  熱固性聚合物納米復合物的阻燃綜合改性技術  9.5  熱固性聚合物納米復合物的發(fā)展前景  9.6  本章小結  參考文獻第10章  彈性體納米復合材料的熱性能及阻燃性能  10.1  概述  10.2  彈性體納米復合材料的基本結構與基本性能    10.2.1  納米粉體/橡膠納米復合材料    10.2.2  層狀硅酸鹽/橡膠納米復合材料    10.2.3  納米顆粒原位生成的復合材料    10.2.4  丙烯酸金屬鹽/橡膠納米復合材料    10.2.5  納米纖維/橡膠復合材料及其納米復合技術    10.2.6  木質素/橡膠復合材料    10.2.7  納米微區(qū)自增強的嵌段型彈性體  10.3  彈性體納米復合材料的熱性能與阻燃性能    10.3.1  彈性體納米復合材料的熱性能    10.3.2  彈性體納米復合材料的阻燃性能  10.4  生物彈性體納米復合材料的生物降解性能  參考文獻第11章  納米阻燃添加劑的工業(yè)應用  11.1  納米填充復合物簡介    11.1.1  概況    11.1.2  高耐熱有機黏土的新進展  11.2  納米填充復合物的工業(yè)應用實例及納米復合物的現(xiàn)狀與討論    11.2.1  工業(yè)應用實例    11.2.2  有機黏土納米復合物的現(xiàn)狀與討論    11.2.3  CNT復合物的現(xiàn)狀與討論  11.3  本章小結  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　接觸面的大小不僅依賴于各個組分，還與其形貌和界面特性關系密切。阻燃聚合物的歷史可追溯到20世紀70年代前，當時氣相阻燃的含鹵（Cl、Br）復合體系占主導地位此類體系中相界面存在與否并未引起人們的重視。隨著以磷元素等為主體的無鹵阻燃復合體系的興起，阻燃反應主要發(fā)生在凝縮相之中，此時相界面的重要性日益突顯。盡管如此，鑒于多方面的原因，如檢測上的困難等，相界面的作用大多停留在一般性的討論之中。自20世紀90年代末期，特別是1997年在法國里爾（Lille）舉辦國際阻燃會議之后，納米技術與材料開始成為阻燃界的探討熱點，促使業(yè)界人士對體系內是否存在相界面給予應有的重視?！　【酆衔锛{米復合體系內相界面的結構、狀態(tài)和組成對復合物的形貌、分散、催化等性質有著重要的影響，最終決定了包括阻燃性能在內的許多宏觀性質。如含有某些低表面能組分（如含si、F等原子）的體系，由于各組分表面能的差異可導致表面富集現(xiàn)象，因此，對體系以及富集層內的組分分布等均需給予確切的測定。遺憾的是，迄今使用的測試技術（如IR、XRD、TGA等）大多是針對體相性質的測試。以體相的測量結果去理解界面上的作用確實存在一定的風險。問題在于二者的信息“取樣深度”不同?！氨砻妗被颉敖缑妗钡亩x取決于所使用測試技術的取樣深度。在取樣深度的認定上還存在著某些模糊不清之處。為避免可能帶來的不確定性，2.3 節(jié)將就此給出討論與分析。此外，實驗證明聚合物的流變行為與分散性之間存有某些關聯(lián)，為此，第3章將對聚合物流變學的相關特點給予較為系統(tǒng)的介紹。第4章與第12章將分別側重于對納米產(chǎn)品（如電線電纜工業(yè)）的加工、制備及研發(fā)等方面進行討論?！　?.1.5 納米復合物與常規(guī)阻燃劑間的協(xié)同作用　　談到聚合物阻燃的未來，人們不禁要問聚合物納米復合材料將在阻燃產(chǎn)品商業(yè)化的發(fā)展道路上所起的作用?？v觀近十多年的研發(fā)成果可以認為，單純依靠納米技術的投入未必能達到聚合物阻燃的工業(yè)標準，特別是垂直燃燒標準（UL94、LOI）。也就是說少量傳統(tǒng)阻燃劑的介入是不可避免的。當然，絲毫不可低估納米材料與技術的價值。道理很簡單，納米效應的應用不僅可以提高許多性能的技術指標，還可以在保證提高阻燃性能的前提下降低常規(guī)阻燃劑的用量。因此為滿足業(yè)界的阻燃標準要求（uL94、LOI等），探討納米復合物與常規(guī)阻燃劑間的協(xié)同作用顯得尤為重要（詳細內容可見本書后續(xù)有關章節(jié)）。這一點可由表1-7中的兩個實例得到驗證。

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