Применение и перспективы нанотехнологий в огнезащитных материалах

Применение и перспективы нанотехнологий в огнезащитных материалах

В настоящее время широко используются полимеры, такие как пластмассы, резины и волокна, но их воспламеняемость оказала определенное влияние на их использование и продвижение.Хотя огнезащитные материалы играют положительную роль в блокировании горения, замедлении распространения огня и в определенной степени в борьбе за время эвакуации и спасения, им также не хватает механических свойств, экономической эффективности, загрязнения окружающей среды и так далее.

С применением наноматериалов во многих областях, таких как механика, электромагнетизм, термология, оптика и т. д., нанотехнологии и наноматериалы открывают широкие перспективы развития.Исследования и разработки наноогнестойких материалов способствуют преодолению и улучшению недостатков традиционных материалов, что влечет за собой большие социальные эффекты и экономические выгоды.

1. Введение в наноматериалы

Наноматериалы относятся к материалам с нанометровой структурой и соответствующими функциональными характеристиками: 1 нанометр составляет одну миллиардную часть метра, а нанометровый масштаб обычно относится к 1 ~ 100 нм.Когда структура и размер частиц материалов входят в диапазон нанометрового масштаба, они проявляют различные специальные эффекты, такие как поверхностный эффект, эффект малого размера, квантово-размерный эффект и макроскопический эффект квантового туннелирования, которые делают материалы показать множество своеобразных функций.

Наноматериалы можно разделить на нанометаллические материалы, нанонеметаллические материалы, нанополимерные материалы и наноматериалы в зависимости от их материалов.Сочетание нанотехнологий и различных материалов существенно меняет комплексные характеристики материалов и обеспечивает мощную техническую поддержку для дальнейшей оптимизации функций материалов.

2. Классификация и требования к огнезащитным материалам

Огнезащитные материалы можно разделить на неорганические и органические, галогенированные и безгалогенные и другие типы.Неорганические в основном относятся к гидроксиду алюминия, гидроксиду магния, кремнию, триоксиду сурьмы и другим системам огнезащитных материалов, органические в основном к системам на основе галогенов, азота и фосфора, которые посредством соединения или реакции образуют добавки или реакционноспособные композиционные материалы, которые, в свою очередь, играть огнезащитную роль.

Сравнительно говоря, неорганические огнезащитные материалы имеют преимущества низкой стоимости, хороших термических свойств, меньшего количества токсичных газов при горении, но имеют также плохие механические свойства, крупный наполнитель и плохую совместимость с основой и другие дефекты.

Органические огнезащитные материалы обладают хорошими огнезащитными свойствами, хорошей совместимостью с основанием, мелким наполнителем и т. д., но имеют большое количество дыма и токсичных газов при горении и другие дефекты.Поэтому разработка малодымных, малотоксичных, безгалогенных, превосходных физико-механических свойств экологически чистых огнезащитных материалов стала важной темой исследований, появление и развитие нанотехнологий для решения существующих дефектов огнезащитных материалов. материалы дают возможность.

Исследования показывают, что наноогнезащитные материалы должны отвечать следующим требованиям: во-первых, материалы должны отвечать требованиям защиты окружающей среды и выделять меньше токсичных газов при горении.Во-вторых, материалы должны обладать высокой функциональностью и высокой огнезащитной эффективностью и в то же время преодолевать существующие недостатки механических и физических свойств традиционных огнезащитных материалов и расширять сферу применения материалов.В-третьих, общая стоимость должна быть снижена для повышения экономической эффективности материалов.

3. Виды наноогнезащитных материалов

Наноогнестойкие материалы можно получить путем очистки традиционных огнезащитных частиц до нанометрового уровня и применения их к родственным материалам.Применение нанотехнологий, приобретение наноразмерных частиц и уникальные множественные эффекты наноразмеров значительно повышают совместимость между антипиренами и материалами, в определенной степени уменьшая количество применения антипиренов, а также улучшая огнезащитные свойства и повышая стоимость. -эффективность огнезащитных материалов.В настоящее время широко используемые наноогнестойкие композиты, которые были разработаны, примерно следующие.

3.1. Наноматериалы из полимерной глины

Глинистые наноогнезащитные материалы включают в себя такое сырье, как катионный глинистый минерал монтмориллонит, анионный глинистый минерал, слоистый биметаллический гидроксид, неионный глинистый минерал каолинит и т. д., которые модифицируются с помощью метода интеркаляции для получения композиционных огнезащитных материалов, эффективных для полиметилметакрилат (ПММА) и полипропилен (ПП).

Слоистый силикат глиняного антипирена содержит карбонизированный слой, который может захватывать некоторые свободные радикалы при высокой температуре, что улучшает огнезащитные свойства материала, одновременно изменяя механические свойства материала, и позволяет избежать таких дефектов, как большое количество дыма, коррозионные и токсичные газы при горении с добавкой галогенированного антипирена.В случае пожара слой силикатной карбонизации замедляет скорость выхода летучих веществ из материала во время горения, в результате чего глинистые наноматериалы в процессе разложения конденсированной фазы превращаются в летучие вещества с низкой скоростью перетекания.

3.2 Нано огнезащитные материалы на основе гидроксида магния

Наноразмерные огнезащитные материалы из гидроксида магния, огнестойкость, дымообразование, совместимость с подложкой и другие свойства лучше, чем соответствующие свойства огнезащитных материалов из гидроксида магния микронного размера.При определенной дозировке наноразмерный огнестойкий корпус из гидроксида магния может достигать уровня V-0 стандарта UL94.

Преимущества самого гидроксида металла очевидны, ключевой момент заключается в добавлении относительно большого количества, обычно более 60%, и большого объема наполнителя на физико-механические свойства огнезащитных материалов, которые оказывают большее влияние, а нанотехнологии - это просто хороший вариант. решение дисперсии и совместимости между огнезащитным составом и матрицей, сочетание двух технологий значительно расширило применение огнезащитных материалов из гидроксида магния и огнезащитных материалов после огнезащитных свойств.Огнезащитные материалы нано-гидроксида магния обладают широким спектром превосходных свойств, таких как отсутствие галогенов, малодымность, нетоксичность, отсутствие капель, кислотостойкость, хорошая стабильность, высокая температура разложения, некоррозионное оборудование и т. д. который имеет широкую перспективу применения.

3.3. Нанокомпозиты карбоната кальция

Благодаря нанопорошку карбоната кальция, покрытому станнатом цинка и нанесенному на поливинилхлорид (ПВХ), получается размер частиц продукта 40 ~ 60 нм, что уменьшает количество пластификатора в ПВХ и улучшает производительность обработки продукта в сочетании с высоким содержанием хлора. и высокой огнестойкостью самого жесткого ПВХ, предельный кислородный индекс (LOI) может достигать 45%, и получаются превосходные огнестойкие композиты.

Композиты in-situ наночастицы карбоната кальция/полистирола (ПС), обработанные метакриловой кислотой, также имеют размер частиц 100 нм или менее, а также обладают хорошими огнезащитными свойствами.Кроме того, можно также применять к жирным кислотам, титанатному связующему агенту и нанокарбонату кальция после обработки поверхности для получения композитов полипропилен/нанокарбонат кальция, после экспериментов и применения, которые должны поддерживать лучшие огнезащитные свойства на основе механических свойств. Материал был значительно улучшен, ударная вязкость материала также была улучшена.

3.4 Наноразмерные огнезащитные материалы на основе оксида сурьмы

Наноразмерные огнестойкие ПВХ-материалы из оксида сурьмы обладают высокими огнезащитными свойствами, низким дымообразованием, их характеристики лучше, чем соответствующие характеристики традиционных ПВХ-материалов, и подходят для использования в текстиле.Наноразмерные частицы оксида сурьмы используются в небольших количествах и не блокируют отверстия фильеры машины, что делает текстиль огнестойким.

Кроме того, наноразмерный материал оксида сурьмы имеет большую удельную площадь поверхности, хорошую проникающую способность некоторых тканей, обладает сильной адгезией, полученный текстильный материал также обладает хорошей стойкостью к стирке и не легко выцветает.Наночастицы оксида сурьмы имеют такие преимущества, как низкая стоимость, небольшой средний размер частиц, равномерная дисперсия в полиэфирных материалах и хорошая совместимость.

3.5 EVA/кремнеземные нанокомпозиты

Наномодифицированные кремнеземом полимеры получили широкое применение благодаря тому, что нанокомпозиты, полученные после наноразмеров и модификации, обладают рядом преимуществ, таких как легкий вес, высокая прочность и высокая ударная вязкость.

Слой нанонаполнителя в нанокомпозитах типа EVA образует изолирующий слой снаружи внутреннего полимерного слоя, который усиливает процесс обугливания, продлевает процесс разложения материала, обеспечивает очень низкую пиковую скорость тепловыделения, измеренную с помощью конический калориметр и существенно улучшает огнезащитные свойства по сравнению с традиционными огнезащитными материалами.

По механическим свойствам показано, что объемная доля заполнения в композитах EVA/кремнезем составляет 4 %, композиционный материал имеет наибольшую прочность на разрыв, которая примерно в два раза превышает прочность матрицы, что также полностью проявляет важная роль нанотехнологий в улучшении физико-механических свойств композитов.

4. Прогресс в процессе получения наноогнезащитных материалов.

Методы получения наноматериалов в основном следующие:

① Золь-гель метод.Золь-гель метод является более распространенным методом подготовки наноматериалов.Процесс заключается в следующем: растворить оксиды металлов или соли металлов в воде, посредством реакции гидролиза, образования зольподобных наноразмерных частиц, а затем испарить растворитель, после чего образуется гелевый объект.В результате образуются органические полимеры и неорганические молекулы, пронизывающие многослойную упорядоченную структуру огнезащитных материалов.Метод химической реакции мягкий, неорганические компоненты и органические компоненты смешиваются друг с другом, структура близка, но есть и недостатки, такие как легкая усадка материала и хрупкость при высыхании геля.

② Метод соосаждения.Метод соосаждения относится к предварительному образованию неорганических наночастиц и органических полимеров, смешанных методом осаждения с образованием огнезащитных материалов.В этом методе наночастицы и синтез материалов производятся отдельно, размер и структуру наночастиц можно хорошо контролировать, в то время как наночастицы равномерно распределяются в полимере с хорошими комплексными характеристиками.Однако в этом методе наночастицы легко агломерируются, и равномерное диспергирование наночастиц является самой большой проблемой.Метод совместного осаждения можно разделить на метод совместного осаждения из раствора, метод эмульсионного соосаждения, метод соосаждения из расплава и другие способы.

③ Метод интерполяции.Процесс метода интеркаляции заключается в том, чтобы наночастицы превращались в слои, а затем вставлялись в слой органического полимера, в результате чего получались наноразмерные композиты.Существуют различные типы этих методов, такие как метод интеркаляции полимеризацией, метод интеркаляции в расплаве и метод интеркаляции в растворе.

④ Метод сополимеризации in-situ.Метод сополимеризации in-situ подразумевает равномерное диспергирование наночастиц в растворе, а затем с помощью нагрева, излучения и других средств, так что полимеризация и наночастицы полимеризуются и проходят ряд других реакций и, наконец, получают наноразмерную дисперсию пламени. огнестойкие материалы.Огнезащитные материалы, полученные этим методом, обладают преимуществами хороших характеристик наночастиц и низкого энтальпийно-энтропийного барьера между слоями. ⑤ Метод самосборки на месте.Метод самосборки на месте относится к использованию полимерных молекул и наночастиц между межмолекулярной силой, межслойной электростатической силой и т. Д., Самосборка на месте, генерация неорганических основных кристаллических ядер, и, наконец, будет создан полимер. кристаллом, окруженным.Этот метод синтеза бис-гидроксинанокомплексов более выгоден, и нанофаза может распределяться упорядоченно.

5. Перспективы наноогнезащитных материалов.

В области антипиренов неорганические добавки-антипирены имеют самое раннее применение и имеют наибольшее количество.Такие как система сурьмы, система алюминия, система фосфора, антипирены системы бора и так далее.Однако в настоящее время существуют в основном такие проблемы, как плохая совместимость антипиренов и основных материалов и большое влияние на физико-механические свойства.Исследования показывают, что использование нанотехнологий позволяет улучшить огнестойкость и механические свойства пластиковых изделий, усилить огнестойкость и антистатическую способность волокнистых изделий, усилить огнестойкость резиновых изделий и снизить выделение токсичных газов и количество дыма при производстве. горение.Нано-огнестойкие материалы могут значительно улучшить комплексные характеристики неорганических огнезащитных материалов с помощью нанотехнологий на основе преимуществ неорганических огнезащитных материалов, таких как низкогалогенные или негалогенные материалы, низкий дымовыделение и низкая коррозия. .

Кроме того, наноогнестойкие материалы также будут развиваться с точки зрения улучшения термической стабильности материалов, уменьшения агломерации используемых материалов, оптимизации дозировки, размера частиц, пластинчатой ​​структуры и компаундирования между антипирены и материалы, оптимизация хранения и транспортировки материалов и процесса их добавления, усиление огнезащитного эффекта материалов, повышение многофункциональности материалов и так далее.Усиление исследований в области микроструктуры и механизма формирования наноогнестойких композиционных материалов, деталей огнезащитного механизма материалов и других основных теорий, а также постоянное ускорение развития бизнеса наноогнестойких материалов в восходе солнца способствуют плавная реализация и расширение индустриализации сопутствующих товаров.

Таким образом, наноогнестойкие материалы обладают хорошими огнезащитными характеристиками, хорошим эффектом защиты окружающей среды, меньшим количеством токсичных газов, выделяющихся во время сгорания, меньшей дозировкой наполнения, а продукты имеют многофункциональные характеристики разработки, которые могут широко использоваться в автомобильной промышленности. , авиация, электронная бытовая техника и другие отрасли промышленности, и имеет много возможностей для развития.

Однако при разработке наноогнестойких материалов еще предстоит решить множество практических проблем, таких как контроль морфологии наночастиц, процесс распределения наночастиц и единство мультифункциональности.Считается, что с непрерывным прогрессом полимерного материаловедения и инженерных технологий, а также с появлением, применением и быстрым развитием нанотехнологий, исследования наноогнестойких материалов, безусловно, добьются большого прогресса и предоставят надежные материалы и технологии. гарантия лучшей защиты жизни и имущества людей.