Aplicación y perspectivas de la nanotecnología en materiales ignífugos

Aplicación y perspectivas de la nanotecnología en materiales ignífugos

Actualmente, los polímeros como plásticos, cauchos y fibras se utilizan ampliamente, pero su inflamabilidad ha provocado cierto impacto en su uso y promoción.Aunque los materiales retardantes de llama desempeñan un papel positivo al bloquear la combustión, ralentizar la propagación del fuego y luchar por el tiempo de escape y rescate hasta cierto punto, también son deficientes en propiedades mecánicas, rentabilidad, contaminación ambiental, etc.

Con la aplicación de los nanomateriales en muchos campos como la mecánica, el electromagnetismo, la termología, la óptica, etc., la nanotecnología y los nanomateriales muestran una amplia perspectiva de desarrollo.La investigación y el desarrollo de nanomateriales retardantes de llama conducen a superar y mejorar las deficiencias de los materiales tradicionales, lo que implica grandes efectos sociales y beneficios económicos.

1. Introducción a los Nanomateriales

Los nanomateriales se refieren a materiales con estructura a escala nanométrica y sus correspondientes características funcionales, 1 nanómetro es una milmillonésima parte de un metro y la escala nanométrica generalmente se refiere a 1 ~ 100 nm.Cuando la estructura y el tamaño de las partículas de los materiales entran en el rango de la escala nanométrica, muestran una variedad de efectos especiales, como el efecto de superficie, el efecto de tamaño pequeño, el efecto de tamaño cuántico y el efecto de túnel cuántico macroscópico, que hacen que los materiales muestran una variedad de funciones peculiares.

Los nanomateriales se pueden clasificar en materiales nanometálicos, materiales nanometálicos, materiales nanopolímeros y nanomateriales según sus materiales.La combinación de nanotecnología y una variedad de materiales cambia en gran medida las características integrales de los materiales y proporciona un poderoso soporte técnico para optimizar aún más la función de los materiales.

2. Clasificación y requisitos de los materiales ignífugos.

Los materiales retardantes de llama se pueden dividir en inorgánicos y orgánicos, halogenados y libres de halógenos y otros tipos.Inorgánico se refiere principalmente a hidróxido de aluminio, hidróxido de magnesio, silicio, trióxido de antimonio y otros sistemas de materiales retardantes de llama, orgánicos, principalmente sistemas a base de halógeno, nitrógeno y fósforo, que mediante combinación o reacción para formar un aditivo o materiales compuestos reactivos, que a su vez Juega un papel retardante de llama.

Comparativamente hablando, los materiales retardantes de llama inorgánicos tienen las ventajas de bajo costo, buenas propiedades térmicas, gases menos tóxicos durante la combustión, pero también tienen malas propiedades mecánicas, gran carga y poca compatibilidad con el sustrato y otros defectos.

Los materiales retardantes de llama orgánicos tienen buenas propiedades retardantes de llama, buena compatibilidad con el sustrato, poco relleno, etc., pero tienen una gran cantidad de humo y gases tóxicos durante la combustión y otros defectos.Por lo tanto, el desarrollo de propiedades físicas y mecánicas superiores con bajo nivel de humo, baja toxicidad y libres de halógenos de materiales retardantes de llama respetuosos con el medio ambiente ha sido un tema de investigación importante, la aparición y el desarrollo de la nanotecnología para resolver los defectos existentes del retardante de llama. materiales proporciona una posible.

Las investigaciones muestran que los materiales nanorretardantes de llama deben cumplir los siguientes requisitos: en primer lugar, los materiales deben cumplir los requisitos de protección ambiental y producir gases menos tóxicos durante la combustión.En segundo lugar, los materiales deben caracterizarse por una fuerte funcionalidad y una alta eficiencia retardante de llama y, al mismo tiempo, deben superar los defectos existentes en las propiedades mecánicas y físicas de los materiales retardantes de llama tradicionales y ampliar el ámbito de aplicación de los materiales.En tercer lugar, se debe reducir el costo integral para mejorar la rentabilidad de los materiales.

3. Tipos de materiales nanorretardantes de llama

Los materiales nanorretardantes de llama se pueden obtener refinando partículas retardantes de llama tradicionales a un nivel nanométrico y aplicándolas a materiales relacionados.La aplicación de la nanotecnología, la adquisición de partículas a nanoescala y los múltiples efectos únicos de la nanoescala mejoran en gran medida la compatibilidad entre los retardantes de llama y los materiales, reduciendo la cantidad de aplicación de retardantes de llama hasta cierto punto, pero también mejoran las propiedades retardantes de llama y aumentan el costo. -efectividad de los materiales ignífugos.En la actualidad, los compuestos nanorretardantes de llama comúnmente utilizados que se han desarrollado son aproximadamente los siguientes.

3.1 Nanomateriales de arcilla polimérica

Los materiales nanorretardantes de llama de arcilla involucran materias primas como montmorillonita mineral de arcilla catiónica, hidróxido bimetálico en capas de mineral de arcilla aniónica y caolinita de mineral de arcilla no iónica, etc., que se modifican con la ayuda del método de intercalación para obtener materiales retardantes de llama compuestos que sean efectivos para polimetilmetacrilato (PMMA) y polipropileno (PP).

El silicato en capas de retardante de llama de arcilla contiene una capa carbonizada, que puede capturar algunos radicales libres a alta temperatura, lo que mejora la propiedad retardante de llama del material al tiempo que cambia la propiedad mecánica del material y evita defectos como una gran cantidad de humo. gases corrosivos y tóxicos durante la combustión con la adición de retardantes de llama halogenados.En caso de incendio, la capa de carbonización de silicato ralentiza la velocidad de los volátiles que escapan del material durante la combustión, lo que hace que los nanomateriales de arcilla en el proceso de descomposición de la fase condensada de volátiles tengan una baja tasa de desbordamiento.

3.2 Materiales retardantes de llama de hidróxido de nanomagnesio

Los materiales retardantes de llama de hidróxido de magnesio a nanoescala, el retardo de llama, la generación de humo y la compatibilidad con el sustrato y otras propiedades son mejores que las propiedades correspondientes de los materiales retardantes de llama de hidróxido de magnesio de tamaño micrométrico.Bajo una cierta dosis, el cuerpo retardante de llama de hidróxido de magnesio a nanoescala puede alcanzar el nivel V-0 estándar UL94.

Las ventajas del hidróxido metálico en sí son obvias, la clave es agregar una cantidad relativamente grande, generalmente más del 60%, y un alto volumen de relleno tiene un mayor impacto en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales retardantes de llama, y ​​la nanotecnología es solo una buena Solución a la dispersión y compatibilidad entre el retardante de llama y la matriz, la combinación de las dos tecnologías ha mejorado en gran medida la aplicación de retardantes de llama de hidróxido de magnesio y materiales retardantes de llama después de las propiedades retardantes de llama.Los materiales retardantes de llama de hidróxido de nanomagnesio tienen una amplia gama de propiedades excelentes, como no halógenos, poco humo, no tóxicos, sin goteo, resistentes a los ácidos, buena estabilidad, alta temperatura de descomposición, equipos no corrosivos, etc. que tiene una amplia perspectiva de aplicación.

3.3 Nanocompuestos de carbonato de calcio

Con nanopolvo de carbonato de calcio recubierto de estanato de zinc y aplicado a cloruro de polivinilo (PVC), se obtiene un tamaño de partícula del producto de 40~60 nm, lo que reduce la cantidad de plastificante en el PVC y mejora el rendimiento de procesamiento del producto, junto con el alto contenido de cloro. y el alto retardante de llama del propio PVC rígido, el índice límite de oxígeno (LOI) puede alcanzar el 45% y se obtienen excelentes compuestos retardantes de llama.

Los compuestos in situ de nanopartículas de carbonato de calcio/poliestireno (PS) tratados con ácido metacrílico también tienen un tamaño de partícula de 100 nm o menos, y también tienen buenas propiedades retardantes de llama.Además, también se puede aplicar a ácidos grasos, agente de acoplamiento de titanato y carbonato de nanocalcio después del tratamiento de superficie para obtener compuestos de polipropileno/carbonato de nanocalcio, después de la experimentación y aplicación, para mantener mejores propiedades retardantes de llama en base a las propiedades mecánicas. del material se ha mejorado mucho, la resistencia al impacto del material también se ha mejorado.

3.4 Materiales retardantes de llama de óxido de antimonio a nanoescala

Los materiales de PVC retardantes de llama de óxido de antimonio a nanoescala tienen altas propiedades retardantes de llama, poco humo, su rendimiento es mejor que el rendimiento correspondiente de los materiales de PVC tradicionales y son adecuados para su uso en textiles.Las partículas de óxido de antimonio a nanoescala se utilizan en pequeñas cantidades y no bloquean los orificios de la hilera de la máquina, lo que hace que los textiles sean retardantes de llama.

Además, el material de óxido de antimonio a nanoescala tiene una gran superficie específica, el rendimiento de penetración de algunos textiles es bueno, tiene una fuerte adherencia y el material textil resultante también tiene buena solidez al lavado y no se decolora fácilmente.Las nanopartículas de óxido de antimonio tienen las ventajas de bajo costo, tamaño de partícula promedio pequeño, dispersión uniforme en materiales de poliéster y buena compatibilidad.

3,5 EVA/nanocompuestos de sílice

Los polímeros nanomodificados de sílice han ganado una amplia aplicación debido al hecho de que los nanocompuestos obtenidos después del nanodimensionamiento y la modificación tienen una variedad de ventajas como peso ligero, alta resistencia y alta tenacidad.

La capa de nanorelleno en los nanocompuestos de tipo EVA forma una capa aislante fuera de la capa interna de polímero, lo que fortalece el proceso de carbonización, prolonga el proceso de degradación del material y produce una tasa máxima de liberación de calor muy baja medida por un calorímetro cónico y mejora sustancialmente las propiedades retardantes de llama en comparación con los materiales retardantes de llama tradicionales.

En términos de propiedades mecánicas, se muestra que la fracción de volumen de relleno en los compuestos de EVA/sílice es del 4%, el material compuesto tiene la mayor resistencia a la tracción, que es aproximadamente el doble que la de la matriz, lo que también revela completamente el importante papel de la nanotecnología en la mejora de las propiedades físicas y mecánicas de los compuestos.

4. Avances en el proceso de preparación de nano materiales retardantes de llama

Los métodos de preparación de nanomateriales son principalmente los siguientes:

① Método sol-gel.El método sol-gel es un método de preparación más común para preparar nanomateriales.El proceso es: disolver óxidos metálicos o sales metálicas en agua, mediante la reacción de hidrólisis, la formación de partículas a nanoescala similares a sol, y luego evaporar el solvente, después de lo cual se forma un objeto de gel.Esto da como resultado la formación de polímeros orgánicos y moléculas inorgánicas interpenetradas con una estructura ordenada multicapa de materiales retardantes de llama.El método de reacción química es suave, los componentes inorgánicos y orgánicos se mezclan entre sí y la estructura es cercana, pero también existen desventajas como la fácil contracción del material y la fragilidad cuando se seca el gel.

② Método de coprecipitación.El método de coprecipitación se refiere a la formación previa de nanopartículas inorgánicas y polímeros orgánicos mezclados con el método de precipitación para formar materiales retardantes de llama.En este método, las nanopartículas y la síntesis de materiales se producen por separado, el tamaño y la estructura de las nanopartículas se pueden controlar bien, mientras que las nanopartículas se distribuyen uniformemente en el polímero, con un buen rendimiento integral.Sin embargo, las nanopartículas son fáciles de aglomerar con este método y su dispersión uniforme es el mayor problema.El método de coprecipitación se puede dividir en método de coprecipitación en solución, método de coprecipitación en emulsión y método de coprecipitación en fusión y otros métodos.

③ Método de interpolación.El proceso del método de intercalación consiste en convertir las nanopartículas en capas y luego insertarlas en la capa de polímero orgánico, lo que da como resultado que las dos logren un compuesto a nanoescala.Existen varios tipos de estos métodos, como el método de intercalación de polimerización, el método de intercalación de fusión y el método de intercalación de solución.

④ Método de copolimerización in situ.El método de copolimerización in situ se refiere a la dispersión uniforme de nanopartículas en solución, y luego con la ayuda de calentamiento, radiación y otros medios, de modo que el polímero y las nanopartículas se polimerizan y una serie de otras reacciones, y finalmente se obtiene la dispersión de la llama a nanoescala. Materiales retardantes.Los materiales retardantes de llama obtenidos mediante este método tienen las ventajas de buenas características de nanopartículas y una barrera de baja entalpía-entropía entre capas.⑤ Método de autoensamblaje in situ.El método de autoensamblaje in situ se refiere al uso de moléculas de polímero y nanopartículas entre la fuerza intermolecular, la fuerza electrostática entre capas, etc., el autoensamblaje in situ, la generación de núcleos cristalinos principales inorgánicos y, finalmente, se generará el polímero. por el cristal rodeado.Este método de síntesis de nanocomplejos bis-hidroxi es más favorable y la nanofase se puede distribuir de manera ordenada.

5. Perspectivas de los materiales nanorretardantes de llama

En el campo de los retardantes de llama, los retardantes de llama aditivos inorgánicos tienen la aplicación más temprana y la mayor cantidad.Como el sistema de antimonio, el sistema de aluminio, el sistema de fósforo, el sistema de boro, retardantes de llama, etc.Sin embargo, en la actualidad existen principalmente problemas como la mala compatibilidad de los retardantes de llama y los materiales base y un gran impacto en las propiedades físicas y mecánicas.Las investigaciones muestran que el uso de nanotecnología puede mejorar la retardación de llama y las propiedades mecánicas de los productos plásticos, fortalecer la retardación de llama y la capacidad antiestática de los productos de fibra, fortalecer la retardación de llama de los productos de caucho y reducir la liberación de gases tóxicos y la cantidad de humo durante combustión.Los materiales nanorretardantes de llama pueden mejorar en gran medida el rendimiento integral de los materiales retardantes de llama inorgánicos con la ayuda de la nanotecnología sobre la base de las ventajas de los materiales retardantes de llama inorgánicos, como bajos o no halógenos, poco humo y baja corrosión. .

Además, también se seguirán desarrollando materiales nanorretardantes de llama en términos de mejorar la estabilidad térmica de los materiales, reducir la aglomeración de los materiales en uso, mejorar la optimización de la dosis, el tamaño de las partículas, la estructura laminar y la composición entre los retardantes de llama y los materiales, optimizando el almacenamiento y transporte de los materiales y el proceso de adición de ellos, mejorando el efecto retardante de llama de los materiales y promoviendo la multifuncionalidad de los materiales, etc.Fortalecer la investigación sobre la microestructura y el mecanismo de formación de materiales compuestos nanorretardantes de llama, los detalles del mecanismo retardador de llama de los materiales y otras teorías básicas, y acelerar continuamente el desarrollo del negocio de materiales nanorretardantes de llama en el amanecer, son propicios para la realización y expansión sin problemas de la industrialización de productos relacionados.

En resumen, los materiales nanorretardantes de llama tienen un buen rendimiento retardante de llama, un buen efecto de protección ambiental y menos gases tóxicos liberados durante la combustión, menos dosis de llenado y los productos tienden a tener características de desarrollo multifuncionales, que pueden usarse ampliamente en automoción. , aviación, electrodomésticos y otras industrias, y tiene mucho espacio para el desarrollo.

Sin embargo, en el desarrollo de materiales nanorretardantes de llama, todavía quedan muchos problemas prácticos que deben resolverse, como el control de la morfología de las nanopartículas, el proceso de distribución de las nanopartículas y la unidad de multifuncionalización.Se cree que con el progreso continuo de la ciencia y la tecnología de ingeniería de materiales poliméricos, y con el surgimiento, aplicación y rápido desarrollo de la nanotecnología, la investigación sobre materiales nanorretardantes de llama ciertamente logrará grandes avances y proporcionará un material sólido y tecnológico. garantía para una mejor protección de la vida y los bienes de las personas.