Anwendung und Perspektive der Nanotechnologie in flammhemmenden Materialien

Anwendung und Perspektive der Nanotechnologie in flammhemmenden Materialien

Derzeit werden Polymere wie Kunststoffe, Gummi und Fasern häufig verwendet, aber ihre Entflammbarkeit hat einige Auswirkungen auf ihre Verwendung und Werbung gehabt.Obwohl flammhemmende Materialien bis zu einem gewissen Grad eine positive Rolle bei der Blockierung der Verbrennung, der Verlangsamung der Brandausbreitung und der Bekämpfung von Flucht- und Rettungszeiten spielen, weisen sie auch Mängel in Bezug auf mechanische Eigenschaften, Kosteneffizienz, Umweltverschmutzung usw. auf.

Mit der Anwendung von Nanomaterialien in vielen Bereichen wie Mechanik, Elektromagnetismus, Thermologie, Optik usw. weisen Nanotechnologie und Nanomaterialien eine breite Entwicklungsperspektive auf.Die Forschung und Entwicklung nanoflammhemmender Materialien trägt dazu bei, die Mängel traditioneller Materialien zu überwinden und zu verbessern, was große soziale Auswirkungen und wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.

1. Einführung in Nanomaterialien

Unter Nanomaterialien versteht man Materialien mit einer Struktur im Nanometerbereich und den entsprechenden funktionellen Eigenschaften. 1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter und die Nanometerskala bezieht sich im Allgemeinen auf 1 bis 100 nm.Wenn die Struktur und die Partikelgröße von Materialien in den Nanometerbereich gelangen, zeigen sie eine Vielzahl von Spezialeffekten, wie z. B. Oberflächeneffekte, Kleingrößeneffekte, Quantengrößeneffekte und makroskopische Quantentunneleffekte, die die Materialien ausmachen weisen eine Vielzahl besonderer Funktionen auf.

Nanomaterialien können entsprechend ihrer Materialien in nanometallische Materialien, nanonichtmetallische Materialien, nanopolymere Materialien und Nanomaterialien eingeteilt werden.Die Kombination von Nanotechnologie und einer Vielzahl von Materialien verändert die umfassenden Eigenschaften von Materialien erheblich und bietet leistungsstarke technische Unterstützung zur weiteren Optimierung der Funktion von Materialien.

2. Klassifizierung und Anforderungen an flammhemmende Materialien

Flammhemmende Materialien können in anorganische und organische, halogenierte und halogenfreie und andere Typen unterteilt werden.Anorganisch bezieht sich hauptsächlich auf Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Silizium, Antimontrioxid und andere flammhemmende Materialsysteme, organische hauptsächlich auf Halogen, Stickstoff und Phosphor basierende Systeme, die durch Compoundierung oder Reaktion ein Additiv oder reaktive Verbundmaterialien bilden, die wiederum spielen eine flammhemmende Rolle.

Im Vergleich dazu haben anorganische flammhemmende Materialien die Vorteile niedriger Kosten, guter thermischer Eigenschaften und weniger giftiger Gase bei der Verbrennung, weisen aber auch schlechte mechanische Eigenschaften, einen großen Füllstoffgehalt und eine schlechte Kompatibilität mit dem Substrat sowie andere Mängel auf.

Organische flammhemmende Materialien haben gute flammhemmende Eigenschaften, eine gute Kompatibilität mit dem Substrat, kleinen Füllstoffen usw., weisen jedoch bei der Verbrennung eine große Menge Rauch und giftige Gase sowie andere Mängel auf.Daher war die Entwicklung umweltfreundlicher flammhemmender Materialien mit geringer Rauchentwicklung, geringer Toxizität, Halogenfreiheit und überlegenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften ein wichtiges Forschungsthema sowie die Entstehung und Entwicklung der Nanotechnologie zur Lösung der bestehenden Mängel des Flammschutzmittels Materialien bietet eine Möglichkeit.

Untersuchungen zeigen, dass nanoflammhemmende Materialien die folgenden Anforderungen erfüllen sollten: Erstens sollten die Materialien die Anforderungen des Umweltschutzes erfüllen und bei der Verbrennung weniger giftige Gase erzeugen.Zweitens sollten sich die Materialien durch starke Funktionalität und hohe Flammschutzwirkung auszeichnen und gleichzeitig die bestehenden Mängel in den mechanischen und physikalischen Eigenschaften der herkömmlichen Flammschutzmaterialien überwinden und den Anwendungsbereich der Materialien erweitern.Drittens sollten die Gesamtkosten gesenkt werden, um die Kosteneffizienz der Materialien zu verbessern.

3. Arten von nanoflammhemmenden Materialien

Nanoflammhemmende Materialien können erhalten werden, indem herkömmliche flammhemmende Partikel auf Nanometerebene verfeinert und auf verwandte Materialien aufgetragen werden.Die Anwendung der Nanotechnologie, der Erwerb nanoskaliger Partikel und die einzigartigen vielfältigen Effekte der Nanoskala verbessern die Kompatibilität zwischen Flammschutzmitteln und Materialien erheblich, wodurch die Menge der Flammschutzmittelanwendung bis zu einem gewissen Grad reduziert wird, aber auch die Flammschutzeigenschaften verbessert und die Kosten erhöht werden -Wirksamkeit flammhemmender Materialien.Derzeit sind die am häufigsten verwendeten nanoflammhemmenden Verbundwerkstoffe, die entwickelt wurden, ungefähr die folgenden.

3.1 Polymerton-Nanomaterialien

Zu den flammhemmenden Ton-Nano-Materialien gehören Rohstoffe wie kationisches Tonmineral Montmorillonit, anionisches Tonmineral-Schichtbimetallhydroxid und nichtionisches Tonmineral Kaolinit usw., die mithilfe der Interkalationsmethode modifiziert werden, um flammhemmende Verbundmaterialien zu erhalten, die wirksam sind Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polypropylen (PP).

Das geschichtete flammhemmende Tonsilikat enthält eine karbonisierte Schicht, die bei hohen Temperaturen einige freie Radikale einfangen kann, was die flammhemmende Eigenschaft des Materials verbessert und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften des Materials verändert und Mängel wie große Rauchmengen vermeidet. korrosive und giftige Gase bei der Verbrennung unter Zusatz von halogeniertem Flammschutzmittel.Im Brandfall verlangsamt die Silikatkarbonisierungsschicht die Geschwindigkeit, mit der flüchtige Stoffe während der Verbrennung aus dem Material entweichen, wodurch die Ton-Nanomaterialien im Zersetzungsprozess der flüchtigen Stoffe in der kondensierten Phase mit einer geringen Überlaufrate entstehen.

3.2 Flammhemmende Nano-Magnesiumhydroxid-Materialien

Flammhemmende Materialien aus Magnesiumhydroxid im Nanomaßstab, Flammschutz, Rauchentwicklung und Kompatibilität mit dem Substrat sowie andere Eigenschaften sind besser als die entsprechenden Eigenschaften von flammhemmenden Materialien aus Magnesiumhydroxid im Mikrometerbereich.Unter einer bestimmten Dosierung kann der flammhemmende Körper aus Magnesiumhydroxid im Nanomaßstab den UL94-Standard V-0-Wert erreichen.

Die Vorteile von Metallhydroxid selbst liegen auf der Hand. Der Schlüssel liegt darin, eine relativ große Menge hinzuzufügen, normalerweise mehr als 60 %, und ein hohes Füllstoffvolumen hat einen größeren Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften flammhemmender Materialien, und die Nanotechnologie ist einfach gut Als Lösung für die Dispersion und Kompatibilität zwischen dem Flammschutzmittel und der Matrix hat die Kombination der beiden Technologien die Anwendung von Magnesiumhydroxid-Flammschutzmitteln und flammhemmenden Materialien nach den flammhemmenden Eigenschaften erheblich verbessert.Flammhemmende Materialien aus Nanomagnesiumhydroxid weisen eine Vielzahl hervorragender Eigenschaften auf, wie z. B. kein Halogen, geringe Rauchentwicklung, ungiftig, nicht tropfend, säurebeständig, gute Stabilität, hohe Zersetzungstemperatur, nicht korrosive Ausrüstung usw. das eine breite Anwendungsaussicht hat.

3.3 Calciumcarbonat-Nanokomposite

Durch das Auftragen von mit Zinkstannat beschichtetem Calciumcarbonat-Nanopulver auf Polyvinylchlorid (PVC) wird eine Produktpartikelgröße von 40 bis 60 nm erreicht, wodurch die Weichmachermenge im PVC reduziert und die Verarbeitungsleistung des Produkts in Verbindung mit dem hohen Chlorgehalt verbessert wird und hohe Flammhemmung von Hart-PVC selbst, der Grenzsauerstoffindex (LOI) kann 45 % erreichen und es werden ausgezeichnete flammhemmende Verbundwerkstoffe erhalten.

Die mit Methacrylsäure behandelten In-situ-Verbundwerkstoffe aus Calciumcarbonat-Nanopartikeln und Polystyrol (PS) haben ebenfalls eine Partikelgröße von 100 nm oder weniger und weisen außerdem gute flammhemmende Eigenschaften auf.Darüber hinaus können nach der Oberflächenbehandlung auch Fettsäuren, Titanat-Haftvermittler und Nano-Calciumcarbonat aufgetragen werden, um Polypropylen/Nano-Calciumcarbonat-Verbundwerkstoffe zu erhalten, die nach Experimenten und Anwendung aufgrund der mechanischen Eigenschaften bessere flammhemmende Eigenschaften beibehalten sollen des Materials wurde erheblich verbessert, auch die Schlagfestigkeit des Materials wurde verbessert.

3.4 Nanoskalige Antimonoxid-Flammschutzmaterialien

Flammhemmende PVC-Materialien mit nanoskaligem Antimonoxid haben hohe flammhemmende Eigenschaften, wenig Rauch, ihre Leistung ist besser als die entsprechende Leistung herkömmlicher PVC-Materialien und ist für den Einsatz in Textilien geeignet.Antimonoxidpartikel im Nanomaßstab werden in kleinen Mengen verwendet und verstopfen nicht die Spinndüsenlöcher der Maschine, wodurch die Textilien schwer entflammbar werden.

Darüber hinaus verfügt nanoskaliges Antimonoxidmaterial über eine große spezifische Oberfläche, die Penetrationsleistung einiger Textilien ist gut, es weist eine starke Haftung auf, das resultierende Textilmaterial weist außerdem eine gute Waschechtheit auf und verblasst nicht leicht.Antimonoxid-Nanopartikel zeichnen sich durch niedrige Kosten, eine geringe durchschnittliche Partikelgröße, eine gleichmäßige Dispersion in Polyestermaterialien und eine gute Kompatibilität aus.

3,5 EVA/Silica-Nanokomposite

Nanomodifizierte Silica-Polymere finden breite Anwendung, da die nach der Nanogröße und -modifizierung erhaltenen Nanokomposite eine Reihe von Vorteilen wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und hohe Zähigkeit aufweisen.

Die Nanofüllerschicht in Nanokompositen vom EVA-Typ bildet eine Isolationsschicht außerhalb der inneren Polymerschicht, die den Verkohlungsprozess verstärkt, den Abbauprozess des Materials verlängert und eine sehr niedrige Spitzenwärmefreisetzungsrate erzeugt, gemessen durch a konisches Kalorimeter und verbessert die flammhemmenden Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen flammhemmenden Materialien erheblich.

In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften zeigt sich, dass der Volumenfüllanteil in EVA/Silica-Verbundwerkstoffen 4 % beträgt, das Verbundmaterial weist die höchste Zugfestigkeit auf, die etwa doppelt so hoch ist wie die der Matrix, die ebenfalls vollständig sichtbar ist die wichtige Rolle der Nanotechnologie bei der Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen.

4. Fortschritte im Herstellungsprozess von Nano-Flammschutzmaterialien

Die Herstellungsmethoden für Nanomaterialien sind hauptsächlich folgende:

① Sol-Gel-Methode.Die Sol-Gel-Methode ist eine gebräuchlichere Herstellungsmethode zur Herstellung von Nanomaterialien.Der Prozess besteht darin, Metalloxide oder Metallsalze in Wasser aufzulösen, durch die Hydrolysereaktion solartige nanoskalige Partikel zu bilden und dann das Lösungsmittel zu verdampfen, woraufhin ein Gelobjekt gebildet wird.Dies führt zur Bildung organischer Polymere und anorganischer Moleküle, die mit einer mehrschichtigen geordneten Struktur flammhemmender Materialien durchdrungen sind.Die Methode der chemischen Reaktion ist mild, anorganische Komponenten und organische Komponenten werden miteinander vermischt und die Struktur ist ähnlich, es gibt jedoch auch Mängel wie leichtes Schrumpfen des Materials und Sprödigkeit beim Trocknen des Gels.

② Co-Fällungsmethode.Unter Co-Präzipitationsmethode versteht man die vorherige Bildung anorganischer Nanopartikel und organischer Polymere, die mit der Fällungsmethode vermischt werden, um flammhemmende Materialien zu bilden.Bei dieser Methode werden Nanopartikel und Materialsynthese getrennt hergestellt. Größe und Struktur der Nanopartikel können gut kontrolliert werden, während die Nanopartikel gleichmäßig im Polymer verteilt sind und eine gute Gesamtleistung erzielen.Allerdings lassen sich die Nanopartikel bei dieser Methode leicht agglomerieren und die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel ist das größte Problem.Die Co-Präzipitationsmethode kann in die Lösungs-Co-Präzipitationsmethode, die Emulsions-Co-Präzipitationsmethode, die Schmelze-Co-Präzipitationsmethode und andere Methoden unterteilt werden.

③ Interpolationsmethode.Der Prozess der Interkalationsmethode besteht darin, Nanopartikel in Schichten zu formen und sie dann in die organische Polymerschicht einzufügen, wodurch aus beiden ein nanoskaliger Verbundwerkstoff entsteht.Es gibt verschiedene Arten dieser Methoden, wie z. B. die Polymerisationsinterkalationsmethode, die Schmelzinterkalationsmethode und die Lösungsinterkalationsmethode.

④ In-situ-Copolymerisationsmethode.Die In-situ-Copolymerisationsmethode bezieht sich auf die gleichmäßige Dispersion von Nanopartikeln in Lösung und dann mit Hilfe von Erhitzen, Strahlung und anderen Mitteln, so dass das Polymer und die Nanopartikel polymerisieren und eine Reihe anderer Reaktionen durchlaufen und schließlich die nanoskalige Flammendispersion erhalten feuerhemmende Materialien.Die mit dieser Methode erhaltenen flammhemmenden Materialien haben die Vorteile guter Partikel-Nanopartikel-Eigenschaften und einer niedrigen Enthalpie-Entropie-Barriere zwischen den Schichten.⑤ In-situ-Selbstorganisationsmethode.Die In-situ-Selbstorganisationsmethode bezieht sich auf die Verwendung von Polymermolekülen und Nanopartikeln zwischen der intermolekularen Kraft, der elektrostatischen Kraft zwischen den Schichten usw., der In-situ-Selbstorganisation, der Erzeugung anorganischer Hauptkristallkeime und schließlich der Erzeugung des Polymers vom Kristall umgeben.Diese Methode zur Synthese von Bishydroxy-Nanokomplexen ist günstiger und die Nanophase kann geordnet verteilt werden.

5. Aussicht auf nanoflammhemmende Materialien

Im Bereich der Flammschutzmittel haben anorganische Additiv-Flammschutzmittel die früheste Anwendung und die größte Menge.Wie Antimonsystem, Aluminiumsystem, Phosphorsystem, Flammschutzmittel des Borsystems und so weiter.Derzeit gibt es jedoch vor allem Probleme wie eine schlechte Kompatibilität von Flammschutzmitteln und Grundmaterialien sowie große Auswirkungen auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften.Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz von Nanotechnologie die Flammhemmung und die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffprodukten verbessern, die Flammhemmung und die antistatische Fähigkeit von Faserprodukten stärken, die Flammhemmung von Gummiprodukten verstärken und die Freisetzung giftiger Gase sowie die Rauchmenge während des Prozesses reduzieren kann Verbrennung.Nanoflammhemmende Materialien können mithilfe der Nanotechnologie die Gesamtleistung anorganischer flammhemmender Materialien erheblich verbessern, basierend auf den Vorteilen anorganischer flammhemmender Materialien wie Halogenarm oder Nichthalogen, geringer Rauchentwicklung und geringer Korrosion .

Darüber hinaus werden nanoflammhemmende Materialien auch im Hinblick auf eine Verbesserung der thermischen Stabilität der Materialien, eine Verringerung der Agglomeration der verwendeten Materialien sowie eine verbesserte Optimierung der Dosierung, Partikelgröße, Lamellenstruktur und Verbindung zwischen den Materialien weiterentwickelt Flammschutzmittel und der Materialien, Optimierung der Lagerung und des Transports der Materialien und des Prozesses ihrer Zugabe, Verstärkung der flammhemmenden Wirkung der Materialien, Förderung der Multifunktionalität der Materialien usw.Die Stärkung der Forschung zur Mikrostruktur und zum Bildungsmechanismus von Nano-Flammschutz-Verbundwerkstoffen, Einzelheiten zum Flammschutzmechanismus von Materialien und anderen grundlegenden Theorien sowie die kontinuierliche Beschleunigung der Entwicklung des Geschäfts mit Nano-Flammschutz-Materialien in der Zukunft sind förderlich die reibungslose Umsetzung und Ausweitung der Industrialisierung verwandter Produkte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nanoflammhemmende Materialien eine gute Flammschutzleistung, eine gute Umweltschutzwirkung und weniger giftige Gase, die bei der Verbrennung freigesetzt werden, eine geringere Füllmenge aufweisen und die Produkte tendenziell multifunktionale Entwicklungseigenschaften aufweisen, die in der Automobilindustrie weit verbreitet sein können , Luftfahrt, elektronische Haushaltsgeräte und andere Branchen und bietet viel Raum für Entwicklung.

Bei der Entwicklung nanoflammhemmender Materialien müssen jedoch noch viele praktische Probleme gelöst werden, beispielsweise die Kontrolle der Nanopartikelmorphologie, der Nanopartikelverteilungsprozess und die Einheitlichkeit der Multifunktionalisierung.Man geht davon aus, dass mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Polymermaterialwissenschaft und -technik sowie mit der Entstehung, Anwendung und schnellen Entwicklung der Nanotechnologie die Forschung zu nanoflammhemmenden Materialien sicherlich große Fortschritte machen und ein solides Material und eine solide Technologie liefern wird Garantie für einen besseren Schutz von Leben und Eigentum der Menschen.