聚碳酸酯(PC)綜合性能優(yōu)良,用量居“五大工程塑料”之首。近年來,由于5G通信、人工智能等新技術(shù)的崛起,PC逐漸在電子設(shè)備、無人駕駛、通信基站、智能家居、建筑采光等領(lǐng)域嶄露頭角。但PC對缺口沖擊敏感,且阻燃等級不足,由此易引發(fā)火災(zāi)、熱失效和機(jī)械失效,限制了PC產(chǎn)品的適用場景。傳統(tǒng)策略通常以犧牲綜合性能為代價來降低火災(zāi)隱患,制備阻燃、耐熱、強(qiáng)韌、透明的PC復(fù)合材料仍是一項挑戰(zhàn)。
有鑒于此,研究人員以稀土金屬為配位中心、以DOPO及其衍生物為配體,通過調(diào)控化學(xué)組成和微觀形貌,制備出了兩種與PC相容性良好的稀土配合物。這一設(shè)計策略將稀土金屬以更穩(wěn)定的方式引入至PC中,又結(jié)合了稀土金屬凝聚相捕捉自由基和催化成炭作用與有機(jī)磷氮阻燃體系膨脹阻燃作用的優(yōu)勢,在提高了PC的阻燃性能、降低煙毒氣體釋放的同時,保持了PC優(yōu)良的耐熱、強(qiáng)韌、透明等綜合性能。
圖1. Ce(DPA)3配合物的結(jié)構(gòu)、PC/Ce(DPA)3復(fù)合材料的綜合性能
其中,3 wt%的Ce(DPA)3就可以分別使PC在垂直燃燒中通過工業(yè)中嚴(yán)格的UL-94 V-0級;峰值熱釋放速率(PHRR)下降了55%、總煙霧釋放量(TSR)則降低了24%。憑借PC分子鏈與配體間較強(qiáng)的π-π相互作用,配合物均以小于可見光波長的亞微米級尺度分散于聚合物基體中,因此,拉伸強(qiáng)度和透明性基本同本體PC相當(dāng),且3 wt%的Ce(DPA)3使PC的缺口沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率分別提升了20%和59%。與現(xiàn)有報道相比,所制備的PC復(fù)合材料表現(xiàn)出更全面的綜合性能,可獲得應(yīng)用的場景和產(chǎn)品范圍大大拓寬。
圖2. 阻燃機(jī)理分析:(a) PC、(e) PC/DPA-3 和 (i) PC/Ce(DPA)3-3的3D TG-IR譜圖;(b-d) PC、(f-h) PC/DPA-3和(j-l) PC/Ce(DPA)3-3燃燒后殘?zhí)繉拥暮暧^數(shù)碼照片和微觀SEM圖像
圖3. PC/Ce(DPA)3-3復(fù)合材料在熱分解過程中凝聚相產(chǎn)物的變溫XPS光譜:(a) P 2p、(b) C 1s
通過TG-IR、py-GC-MS等技術(shù)原位檢測了氣相中的熱裂解成分;通過不同降解階段產(chǎn)物的升溫間歇采樣,以XPS、IR等手段分析了凝聚相中材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的演變歷程,氣相-凝聚相并舉,深入探索了稀土配合物對PC熱降解和燃燒炭化過程的影響,提出了完整的阻燃改性的機(jī)理。
相關(guān)成果以“Fabrication and mechanism study of cerium-based P, N-containing complexes for reducing fire hazards of polycarbonate with superior thermostability and toughness”(鈰基P, N配合物的制備及其在聚碳酸酯阻燃、增韌、耐熱改性中的機(jī)理研究)為題,發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。浙大寧波理工學(xué)院、浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系等為共同署名單位,論文第一作者為博士生賽霆,通訊作者為冉詩雅副教授和方征平教授。
原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.1c07153
此外,團(tuán)隊以制備高性能火安全PC復(fù)合材料為目的,發(fā)表了一系列基于稀土金屬基阻燃劑的研究成果,原文鏈接如下:
Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128223)
Composites Part B-Engineering (https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107198)
Composites Part B-Engineering (https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.1080640)
高分子學(xué)報 (http://doi.org/10.11777/j.issn1000-3304.2019.19108)
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