田利穎,許蘭娟,賈新磊,李倩雯

(濱州學(xué)院化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的材料被人類所使用，且已成為現(xiàn)代社會生活中各方面不可缺少的一部分。但大多數(shù)材料屬于易燃物，它們在燃燒過程中熱釋放速度快，產(chǎn)生的火焰、高溫和有毒有害氣體會嚴(yán)重危害人身和財產(chǎn)安全，同時也嚴(yán)重污染了環(huán)境。因此，提高這些材料的阻燃性能是材料研究的主要內(nèi)容。而富勒烯自身具有一定的阻燃功能，為材料的使用提供了一定的安全保障。

2 富勒烯的性質(zhì)

富勒烯(C60)[1]是一種完全由碳原子組成的中空分子，形態(tài)多為球型、橢球型、柱型或管狀，不單有六元環(huán)結(jié)構(gòu)還有五元環(huán)結(jié)構(gòu)，偶爾還有七元環(huán)結(jié)構(gòu)。正是由于C60的特殊構(gòu)造，所以才會展現(xiàn)出特有的物理和化學(xué)性質(zhì)。1985年，英國化學(xué)家Harold Walter和美國科學(xué)家Richard E.Smalley制備出了第一種富勒烯。在C60被發(fā)現(xiàn)30多年來，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都取得了巨大的發(fā)展，人們對C60也越來越熟知。

由于其獨特的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，C60具有極高的穩(wěn)定性，且具有超高的自由基捕捉能力，這可能會對某些聚合物的燃燒和降解過程產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而增強了材料的阻燃性能。此外，C60不僅可以單獨作為阻燃劑來提高材料的阻燃性能，還可以通過對其進(jìn)行改性或與其它物質(zhì)協(xié)同從而對材料的阻燃性能產(chǎn)生一定的影響。

3 富勒烯在材料阻燃領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 富勒烯單獨阻燃

浙江大學(xué)方征平、宋平安等[2～6]采用C60對聚丙烯(PP)進(jìn)行阻燃。他們采用熔融共混法來制備PP/C60納米復(fù)合材料，研究表明了C60能夠在PP基體中均勻分散，并且在較低(即≤2wt%)的添加量時，不僅能使PP的熱穩(wěn)定和熱氧化性大大提高，而且還能大大降低PP燃燒熱釋放的速率和質(zhì)量的損失，大大降低PP燃燒的速率。其效率明顯高于等含量的碳納米管及納米黏土。同時錐形量熱分析結(jié)果顯示，當(dāng)C60的添加量是1%時，最大熱釋放速率(PHRR)下降了42%，并且點燃時間和煙氣釋放量也有明顯改善。此外，C60用于膨脹型性阻燃劑(PDBPP)的接枝修飾，該阻燃體系在獲得良好分散性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了PP的抗熱氧化降解能力；等含量添加時，其阻燃效果比C60更為優(yōu)異，不但延長了引燃時間，而且PHRR值也有較大幅度下降。

3.2 富勒烯改性阻燃

韓黎剛等人[7～9]以硅烷偶聯(lián)劑(KH-550)作為表面改性劑處理C60和氫氧化鋁(ATH)，研究了改性C60對聚乙烯(HDPE)阻燃性能的影響。通過UL-94垂直燃燒和氧指數(shù)測試顯示，只加入ATH時，需要160 phr才能使UL-94垂直燃燒等級達(dá)V0級別，而加入1phr C60時，只需120 phr ATH垂直燃燒等級就能達(dá)到V0，當(dāng)HDPE/ATH為100/120時，加入改性后的C60可以顯著提高體系的燃燒等級和氧指數(shù)。這一實驗結(jié)果表明了改性后的C60與無機阻燃劑ATH復(fù)配能有效提高ATH對 HDPE的阻燃效率，降低ATH在基體中的添加量，使HDPE在較低ATH含量下實現(xiàn) UL-94達(dá)到V0級別，同時提高材料的氧指數(shù)。

3.3 富勒烯協(xié)同阻燃

浙江大學(xué)方征平課題組[7，8，11，12]的研究證明了ATH和C60之間具有較好的協(xié)同阻燃作用。他們通過三步化學(xué)接枝將C60修飾到碳納米管上，從而得到了C60-d-CNTs復(fù)合型阻燃劑以用于PP的阻燃。他們還合成了膨脹型阻燃劑(PDBPP)，并把它修飾到了C60上，就得到另一種復(fù)合型阻燃劑C60-d-PDB- PP。研究表明，C60和PDBPP之間存在顯著的協(xié)同阻燃效果。卓東賢等[10]通過將C60與PEI改性石墨烯(PEI-rGO)上的氨基反應(yīng)，成功制備了新型C60/石墨烯雜化材料(C60-PEI-rGO)，并將其應(yīng)用于環(huán)氧樹脂的阻燃改性。結(jié)果表明，添加1wt.% C60-PEI-rGO雜化材料后，明顯提高了環(huán)氧樹脂的阻燃性能。制備的納米復(fù)合材料的PHRR值較純環(huán)氧樹脂降低了39%，點燃時間延長了21s，這主要歸因于C60的自由基捕捉機制的作用。Zhou等人[13]研究了C60和ATH/ C60復(fù)合對苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)熱穩(wěn)定性、阻燃性和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，C60與純SBS共混時，對LOI和UL-94的影響很小。在SBS/ATH/ C60體系中，當(dāng)少量的ATH被C60取代時，LOI值從24.9%增加到26.1%和26.6%。同時，當(dāng)UL-94達(dá)到V0級別時，SBS/ATH/ C60體系中阻燃劑的總含量(56%)低于SBS/ATH體系(60%)。同時，含有C60的復(fù)合材料的抗拉強度(5.1 MPa)高于不含C60的復(fù)合材料(3.9 MPa)。因此，在SBS基體中，ATH與C60具有協(xié)同阻燃的作用。Rui Wang等人[14]將C60固定在PEI改性氧化石墨烯(rGO)表面，制備了C60-PEI-rGO雜化劑，并對環(huán)氧樹脂(EP)進(jìn)行了改性。結(jié)果表明，加入1.0wt% C60-PEI-rGO后，環(huán)氧樹脂的著火時間從68 s增加到89 s，同時改性環(huán)氧樹脂的熱釋放率和總熱釋放量峰值分別降低了40.0%和15.6%。這說明C60-PEI-rGO混合材料是一種高效的阻燃劑，具有良好的阻燃性能。

4 結(jié)論

富勒烯阻燃材料已成為近年來科學(xué)研究的熱點之一。通過對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分析，可以得出富勒烯不僅可以單獨作為阻燃劑，還可以通過改性或與其它物質(zhì)協(xié)同來達(dá)到阻燃的效果。富勒烯在材料阻燃領(lǐng)域的應(yīng)用為開發(fā)綠色、環(huán)保、質(zhì)量優(yōu)良、價格合理的阻燃材料打下了良好基礎(chǔ)。