浙工大王旭教授/马猛副教授团队 CEJ: 兼具阻燃性、透明性和高机械性能的聚碳酸酯复合材料

2023-09-09 来源：高分子科技

聚碳酸酯（PC）作为一种重要的工程塑料，因其透明性高、力学性能均衡而被广泛应用于建筑、航空、电子、汽车等领域。但是，PC固有的可燃性会对人身和财产安全造成严重危害。特别是在一些特殊领域，要求PC在满足严格阻燃性的同时，还要兼顾高透明性和优异的机械强度，限制了PC的实际应用。因此，迫切需要开发具有阻燃性、透明性和高机械强度的PC复合材料。

基于上述背景，浙江工业大学王旭教授、马猛副教授团队通过脱水缩聚法合成了线型大分子聚硼硅氧烷(PDPBS)，并通过熔融共混制备了PC/PDPBS复合材料（图1）。由于PDPBS在PC复合材料燃烧过程中催化成炭和促进形成致密炭层的作用，以及柔性硅氧烷链段与PC基体的反应共混，改善了PDPBS与PC的相容性，PC/PDPBS复合材料可以保持与PC几乎相同的透明性，并获得优异的阻燃性。PDPBS的添加使得PC复合材料仍能保持87.5%的透明度，拉伸强度和断裂伸长率保持在与纯PC相同的水平，且不影响PC复合材料的热稳定性（图2）。燃烧试验的结果表明，通过添加PDPBS使得PC复合材料通过了UL 94测试V-0等级，LOI明显提升。同时，PC/PDPBS复合材料的放热速率峰值(PHRR)和总放热速率(THR)明显降低，着火时间(TTI)得到提升（图3）。从PC复合材料经锥形量热测试后残炭的宏观/微观形貌可以看出残余炭层的高度和致密化程度提高（图4）。通过对残余炭层组成及结构分析可知PDPBS的加入使得PC复合材料的石墨化程度明显提高，残余物的氧化程度降低（图5）。针对上述结果，论文提出了PC/PDPBS复合材料的阻燃机理（图6），这一工作为获得兼具阻燃和透明性能的PC提供了一种新方法，也拓宽了PC在电子电器和汽车上的应用。研究成果近日以“Toward flame-retardant, transparency, and high mechanical property of polycarbonate based on low addition of linear polyborosiloxane”为题发表于《Chemical Engineering Journal》期刊。浙江工业大学硕士生刘宗胜为本论文的第一作者，论文的通讯作者为浙江工业大学王旭教授、马猛副教授，研究得到了国家自然科学基金，四川大学高分子材料工程国家重点实验室开放基金，浙江省自然基金和浙江省重点研发计划等项目的支持。

图1. 阻燃剂PDPBS的合成路线及PC/PDPBS复合材料的制备

图2. PC/PDPBS复合材料的透明性、力学性能及热稳定性能

图3. PC/PDPBS复合材料的阻燃性能

图4. PC/PDPBS复合材料经锥形量热测试后残炭的宏观/微观形貌

图5. PC/PDPBS复合材料经锥形量热测试后残炭的石墨化及氧化程度

图6. PC/PDPBS复合材料的阻燃机理

该工作是团队近期关于阻燃材料相关研究的最新进展之一。在过去的几年中，该团队着眼于新型阻燃剂的结构设计及阻燃聚合物复合材料的性能调控研究，采用静电自组装法设计制备了生物基阻燃剂APP@CS，并通过与原位生成的可降解聚氨酯（PU）弹性体作为增韧相进行反应共混制备了增韧阻燃PLLA复合材料（Int. J. Biol. Macromol, 2023, 251, 126206）；通过共聚单体设计合成制备了具有优异的阻燃性能和高透明性的阻燃透明有机玻璃P(MMA-co-MAM)/DMMP（ACS Appl. Polym. Mater, 2023, 5, 846）；利用精氨酸（AR）和植酸（PA）合成制备了一种具有阻燃性和成核性的生物基化合物PA-AR，该阻燃成核剂在赋予PLLA良好的阻燃和结晶性能同时，可以促进了PLLA的生物降解性（Polymer, 2022, 2558, 125263）；以原位反应形成的PU弹性体为增韧相，聚磷酸铵（APP）为阻燃剂，通过反应共混制备了阻燃增韧PLLA复合材料，通过添加多元醇作为交联剂，改善了PLLA复合材料在燃烧过程中的滴落行为，大大提高了其韧性（J. Mater. Sci, 2022, 57, 5645）。这些研究工作实现了对聚合物的阻燃改性，并拓宽了聚合物的应用范围，为聚合物的阻燃改性及其应用提供了新思路。

原文链接：

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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（责任编辑：xu）

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