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生物基尼龍材料的阻燃改性與一系列性能的研究進展
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發(fā)表時間：2022-12-30 14:15:19
生物基尼龍材料的阻燃改性與一系列性能的研究進展： 
1.尼龍1010阻燃改性
Battegazzore等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍 1010 與不同類型阻燃劑的熔融共混，發(fā)現(xiàn)當(dāng)多聚 磷酸銨/季戊四醇和多聚磷酸銨/淀粉復(fù)配阻燃劑質(zhì) 量分?jǐn)?shù)達(dá)到 30% 時，共混物拉伸強度下降 30%， 斷裂伸長率為 16%~17%，共混物熱釋放速率和峰 值熱釋放速率從純尼龍的32.6kJ/g、720W/g下降到 20.6kJ/g和640W/g，表現(xiàn)出良好的阻燃效果。同時 他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)把相同的阻燃劑通過光交聯(lián)的方式涂 覆到尼龍1010表面時，只需要加入熔融共混用量 30%的阻燃劑就可以達(dá)到相同的阻燃效果。
2.其他生物基尼龍阻燃改性
01
Shabanian等以來源于生物基的二元酸為原料制備了半芳香族尼龍，通過在溶液中與改性納米蒙脫土共混制備了3%和6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共混物，發(fā)現(xiàn)蒙脫土的加入提高了共混物熱穩(wěn)定性，當(dāng)蒙脫土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，在氮氣中失重5%的溫度T5% 從純尼龍243℃增加到275℃，共混物峰值熱釋放速率和總熱釋放速率分別為86W/g 和 13.6kJ/g，均低于純尼龍的111W/g和13.7kJ/g，表現(xiàn)出一定的阻燃效果。
02
Shabanian等以來源于生物基的二元酸為原料制備了半芳香族尼龍BPA，通過離子交換反應(yīng)制備了含有磷元素和β環(huán)糊精的改性納米蒙脫土，在溶液中與改性納米蒙脫土共混制備了2%和4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共混物，隨著改性納米蒙脫土的加入，共混物表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，在氮氣中T5%從純尼龍 153℃增加到188℃以上，加入4%含有β環(huán)糊精改性納米蒙脫土后除了可以提高共混物熱穩(wěn)定性外，共混物力學(xué)性能也有提高，彈性模量從純尼龍的 2.2GPa 增加到 2.6GPa，拉伸強度從 54.6 增加到 61.3MPa。加入4%含有磷元素改性的納米蒙脫土，共混物力學(xué)性能有所提高，彈性模量從純尼龍的 2.2GPa增加到3.0GPa，拉伸強度從54.6MPa增加到 69.5MPa，此外共混物阻燃性能也有提高：峰值熱釋放速率和總熱釋放速率分別為38.9W/g和8.6kJ/g，均低于純尼龍的47.6W/g和14.7kJ/g。 
3.生物基尼龍電性能改性
生物基尼龍的導(dǎo)電機理可以用逾滲理論進行描述。當(dāng)導(dǎo)電填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時，復(fù)合材料表現(xiàn)出絕緣體特征，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到某一特定值時，復(fù)合材料電導(dǎo)率會發(fā)生突變，表明填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，形成了逾滲網(wǎng)絡(luò)，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，復(fù)合材料導(dǎo)電率也不會有大幅度提高。
研究者對生物基尼龍進行電性能改性主要以改善材料導(dǎo)電和介電性能為主。
01
Rashmi等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍11與石墨烯的熔融共混，發(fā)現(xiàn)制備的共混物中石墨烯均勻分散在尼龍基體中，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，尼龍11結(jié)晶溫度和結(jié)晶度均有所增加，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，在1000Hz下介電常數(shù)達(dá)到9.2，比純尼龍11提高了 3 倍，電導(dǎo)率達(dá)到 5.2× 10-6S/m，共混物拉伸強度和模量比純尼龍11 分別增加25%和56%，斷裂伸長率下降80%。
02
Leveque等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍11與層狀硅酸鹽填料的熔融共混，研究了填料類型 （Cloisite20A、10A和Na+ ）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對共混物薄膜壓電和介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)室溫下共混物薄膜壓電常數(shù)與結(jié)晶相和填料類型有關(guān)，Cloisite Na+為填料的尼龍11共混物薄膜壓電常數(shù)最高、極化性 能最高、極化響應(yīng)最大，并研究了尼龍11/Cloisite Na+ 共混物薄膜振動能量回收性能。他們還發(fā)現(xiàn)加 入5%硅酸鹽填料后，共混物力學(xué)性能比純尼龍11有所增加，拉伸模量從純尼龍11的840.5MPa增加到1107.5MPa。
4.生物基尼龍導(dǎo)熱改性
生物基尼龍的導(dǎo)熱機理與導(dǎo)電機理有些類似，可以用通路理論來描述，當(dāng)導(dǎo)熱填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值后，填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生改變，形成了導(dǎo)熱通路，從而顯著提高材料導(dǎo)熱性能。
Mosanenzadeh等在雙螺桿擠出機中進行了兩種不同黏度尼龍610與氮化硼的熔融共混，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)痼w積分?jǐn)?shù)為2%~33%時，共混物熱導(dǎo)率顯著提高，當(dāng)?shù)痼w積分?jǐn)?shù)為 33% 時，低黏度尼龍共混物的熱導(dǎo)率要高于相同比例下高黏度尼龍共混物，分別達(dá)到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是純尼龍610的9倍，隨著氮化硼體積分?jǐn)?shù)的增加，共混物硬度和平均斷裂能量有所下降，高黏度尼龍共混物的力學(xué)性能要好于低黏度尼龍材料，隨著氮化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，共混物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化不大，在54~61℃之間。 
結(jié)語：
綜上所述，在生物基尼龍改性領(lǐng)域中，以下幾個方面值得進行深入研究。
（1）生物基尼龍結(jié)晶過程。生物基尼龍材料的結(jié)晶熱力學(xué)和結(jié)晶動力學(xué)對尼龍共混和改性研究具有重要意義，尤其對優(yōu)化尼龍材料的加工工藝、建立材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系意義重大。
（2）生物基尼龍流變行為。生物基尼龍材料在流動過程中黏度、剪切應(yīng)力等流變參數(shù)的變化對材料加工具有重要指導(dǎo)意義，值得進行深入研究。
（3）生物基尼龍共混物熔融共混過程中微觀結(jié)構(gòu)與界面變化。多數(shù)研究者對生物基尼龍材料進行各種改性，研究了共混物諸多方面的性能，但是對于決定共混物性能的兩個關(guān)鍵因素：微觀結(jié)構(gòu)和界面的研究較少，該領(lǐng)域的研究成果必將為生物基尼龍材料的改性研究提供理論指導(dǎo)。
（4）開發(fā)新的生物基尼龍材料。通過生物工程方法制備新的生物基二元酸或二元胺，有望得到新型可再生尼龍材料，為促進生物基尼龍材料的應(yīng)用提供新的選擇。
（5）生物基尼龍新的加工方式。增材制造是目前材料加工領(lǐng)域比較熱門的一種加工方式，生物基尼龍材料增材制造的研究目前正處于起步階段。
Battegazzore等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍 1010 與不同類型阻燃劑的熔融共混，發(fā)現(xiàn)當(dāng)多聚 磷酸銨/季戊四醇和多聚磷酸銨/淀粉復(fù)配阻燃劑質(zhì) 量分?jǐn)?shù)達(dá)到 30% 時，共混物拉伸強度下降 30%， 斷裂伸長率為 16%~17%，共混物熱釋放速率和峰 值熱釋放速率從純尼龍的32.6kJ/g、720W/g下降到 20.6kJ/g和640W/g，表現(xiàn)出良好的阻燃效果。同時 他們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)把相同的阻燃劑通過光交聯(lián)的方式涂 覆到尼龍1010表面時，只需要加入熔融共混用量 30%的阻燃劑就可以達(dá)到相同的阻燃效果。
2.其他生物基尼龍阻燃改性
01
Shabanian等以來源于生物基的二元酸為原料制備了半芳香族尼龍，通過在溶液中與改性納米蒙脫土共混制備了3%和6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共混物，發(fā)現(xiàn)蒙脫土的加入提高了共混物熱穩(wěn)定性，當(dāng)蒙脫土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，在氮氣中失重5%的溫度T5% 從純尼龍243℃增加到275℃，共混物峰值熱釋放速率和總熱釋放速率分別為86W/g 和 13.6kJ/g，均低于純尼龍的111W/g和13.7kJ/g，表現(xiàn)出一定的阻燃效果。
02
Shabanian等以來源于生物基的二元酸為原料制備了半芳香族尼龍BPA，通過離子交換反應(yīng)制備了含有磷元素和β環(huán)糊精的改性納米蒙脫土，在溶液中與改性納米蒙脫土共混制備了2%和4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的共混物，隨著改性納米蒙脫土的加入，共混物表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，在氮氣中T5%從純尼龍 153℃增加到188℃以上，加入4%含有β環(huán)糊精改性納米蒙脫土后除了可以提高共混物熱穩(wěn)定性外，共混物力學(xué)性能也有提高，彈性模量從純尼龍的 2.2GPa 增加到 2.6GPa，拉伸強度從 54.6 增加到 61.3MPa。加入4%含有磷元素改性的納米蒙脫土，共混物力學(xué)性能有所提高，彈性模量從純尼龍的 2.2GPa增加到3.0GPa，拉伸強度從54.6MPa增加到 69.5MPa，此外共混物阻燃性能也有提高：峰值熱釋放速率和總熱釋放速率分別為38.9W/g和8.6kJ/g，均低于純尼龍的47.6W/g和14.7kJ/g。
生物基尼龍的導(dǎo)電機理可以用逾滲理論進行描述。當(dāng)導(dǎo)電填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時，復(fù)合材料表現(xiàn)出絕緣體特征，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到某一特定值時，復(fù)合材料電導(dǎo)率會發(fā)生突變，表明填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生了突變，形成了逾滲網(wǎng)絡(luò)，隨著填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，復(fù)合材料導(dǎo)電率也不會有大幅度提高。
研究者對生物基尼龍進行電性能改性主要以改善材料導(dǎo)電和介電性能為主。
01
Rashmi等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍11與石墨烯的熔融共混，發(fā)現(xiàn)制備的共混物中石墨烯均勻分散在尼龍基體中，隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，尼龍11結(jié)晶溫度和結(jié)晶度均有所增加，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，在1000Hz下介電常數(shù)達(dá)到9.2，比純尼龍11提高了 3 倍，電導(dǎo)率達(dá)到 5.2× 10-6S/m，共混物拉伸強度和模量比純尼龍11 分別增加25%和56%，斷裂伸長率下降80%。
02
Leveque等在雙螺桿擠出機中進行了尼龍11與層狀硅酸鹽填料的熔融共混，研究了填料類型 （Cloisite20A、10A和Na+ ）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)對共混物薄膜壓電和介電性能的影響，發(fā)現(xiàn)室溫下共混物薄膜壓電常數(shù)與結(jié)晶相和填料類型有關(guān)，Cloisite Na+為填料的尼龍11共混物薄膜壓電常數(shù)最高、極化性 能最高、極化響應(yīng)最大，并研究了尼龍11/Cloisite Na+ 共混物薄膜振動能量回收性能。他們還發(fā)現(xiàn)加 入5%硅酸鹽填料后，共混物力學(xué)性能比純尼龍11有所增加，拉伸模量從純尼龍11的840.5MPa增加到1107.5MPa。
4.生物基尼龍導(dǎo)熱改性
生物基尼龍的導(dǎo)熱機理與導(dǎo)電機理有些類似，可以用通路理論來描述，當(dāng)導(dǎo)熱填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定數(shù)值后，填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生改變，形成了導(dǎo)熱通路，從而顯著提高材料導(dǎo)熱性能。
Mosanenzadeh等在雙螺桿擠出機中進行了兩種不同黏度尼龍610與氮化硼的熔融共混，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)痼w積分?jǐn)?shù)為2%~33%時，共混物熱導(dǎo)率顯著提高，當(dāng)?shù)痼w積分?jǐn)?shù)為 33% 時，低黏度尼龍共混物的熱導(dǎo)率要高于相同比例下高黏度尼龍共混物，分別達(dá)到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是純尼龍610的9倍，隨著氮化硼體積分?jǐn)?shù)的增加，共混物硬度和平均斷裂能量有所下降，高黏度尼龍共混物的力學(xué)性能要好于低黏度尼龍材料，隨著氮化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，共混物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化不大，在54~61℃之間。
綜上所述，在生物基尼龍改性領(lǐng)域中，以下幾個方面值得進行深入研究。
（1）生物基尼龍結(jié)晶過程。生物基尼龍材料的結(jié)晶熱力學(xué)和結(jié)晶動力學(xué)對尼龍共混和改性研究具有重要意義，尤其對優(yōu)化尼龍材料的加工工藝、建立材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系意義重大。
（2）生物基尼龍流變行為。生物基尼龍材料在流動過程中黏度、剪切應(yīng)力等流變參數(shù)的變化對材料加工具有重要指導(dǎo)意義，值得進行深入研究。
（3）生物基尼龍共混物熔融共混過程中微觀結(jié)構(gòu)與界面變化。多數(shù)研究者對生物基尼龍材料進行各種改性，研究了共混物諸多方面的性能，但是對于決定共混物性能的兩個關(guān)鍵因素：微觀結(jié)構(gòu)和界面的研究較少，該領(lǐng)域的研究成果必將為生物基尼龍材料的改性研究提供理論指導(dǎo)。
（4）開發(fā)新的生物基尼龍材料。通過生物工程方法制備新的生物基二元酸或二元胺，有望得到新型可再生尼龍材料，為促進生物基尼龍材料的應(yīng)用提供新的選擇。
（5）生物基尼龍新的加工方式。增材制造是目前材料加工領(lǐng)域比較熱門的一種加工方式，生物基尼龍材料增材制造的研究目前正處于起步階段。
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