CNC/APP复合聚电解质对木塑复合材料性能的影响
摘要：阐述了将CNC/APP复合聚电解质作为阻燃剂加入到木塑复合材料中的研究背景及意义；介绍了聚电解质自组装的机理；并且综述了聚电解质在阻燃领域的研究现状。
关键词：纤维素纳米晶；聚磷酸铵；聚电解质；木塑复合材料；阻燃
1 背景及意义
木塑复合材料（wood plastic composite, WPC）作为一种新型复合材料，广泛应用于建材、家具、物流包装等行业，尤其广泛应用于建筑行业，从过去的室外铺板、景观材料、围栏等室外领域逐渐扩展到室内装饰领域。它是采用植物纤维或木纤维与聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯等塑料树脂经挤压、模压及注射成型等不同加工方式制成的板材或型材。木塑复合材料兼具了木材和塑料两者的优点，比木材更易成型，相对于塑料尺寸稳定性更好[1]。同时，木塑复合材料的发展和应用对于废弃物的综合利用、环境保护以及缓解木材日益紧张的资源压力都具有十分重要的意义。但是，构成木质复合材料的植物纤维和热塑性塑料都具有可燃性，与木材和塑料一样仍存在一定的消防安全隐患，一旦遇火就可能造成巨大危害，给人民财产和生命安全造成严重损失。因此，对木塑复合材料的阻燃研究具有重要的理论和实际意义。
当前WPC最常规的阻燃处理方法是添加法，即将阻燃剂与木质纤维材料、树脂材料直接混合，再经过一定的成型手段制得阻燃型WPC[2,3]。另一种阻燃处理方法是涂覆法，即将阻燃剂等制成浆料涂覆在WPC表面，达到隔热隔氧的目的。虽然涂覆法操作简单，对材料的影响性能也较小，但阻燃层一旦被破坏，阻燃作用也就失效了[4]。此外，WPC阻燃处理方法还有协同阻燃的方式，将2种或多种阻燃剂按一定比例复配制成复合型阻燃剂，将该阻燃剂加入WPC后，可克服单一阻燃剂消烟效果不佳，阻燃性能不高的缺点。
目前，WPC中添加的阻燃剂常见的有卤系阻燃剂、硅系阻燃剂、铝镁阻燃剂、磷氮系阻燃剂等。其中卤系阻燃剂由于在阻燃过程中释放出大量的腐蚀性气体和有毒烟雾，现已被欧盟禁用。而磷氮系阻燃剂虽然研究开发较迟，但由于其绿色环保，一直受到国内外的广泛关注。
图1 APP的化学结构式
聚磷酸铵（ammonium polyphosphate, APP）是一种含磷含氮的高效无卤低毒的无机阻燃剂，由于其绿色、环保、成本低及很好的阻燃效果，被越来越多地应用于木塑复合材料的阻燃处理。通式为(NH4)n 2PnO3n 1，化学结构式见图1。APP作为近年来研究较多的一种无机磷系阻燃剂，它具有无毒无味，含磷含氮量高，热稳定性高等特点，并且价格低廉，非常适用于聚烯烃类树脂的阻燃[5]。高温下，APP迅速分解生成氨气和聚磷酸，促使聚合物脱水炭化形成炭层而达到隔热隔氧的目的，同时稀释氧气等可燃性气体的浓度，从而起到阻止燃烧的作用[6]。其中，APP的具体阻燃机理兼具凝聚相阻燃和气相阻燃机理。凝聚相阻燃机理为：APP在阻燃过程中并不单独起到阻燃作用，需要结合碳源和气源，组成膨胀阻燃体系，其中APP兼具有酸源和气源的性质。气相阻燃机理为：APP分解后得到的磷酸类产物在高温下会发生歧化反应，生成PO·和HPO·等游离基，在气相状态下捕捉活性H·游离基和HO·游离基[7,8]。因此，在APP的阻燃中，是凝聚相阻燃和气相阻燃共同作用的结果。但是，APP作为一种无机磷氮阻燃剂，虽然长链型APP难溶于水，但随着时间的推移，APP会逐渐降解并溶解，同时随着温度的增加，或者是存在其他强碱阳离子的情况下，溶解度会大幅提高。此外，APP与大多数高分子材料的相容性不好，这两方面的因素使APP易于从基材中析出，降低阻燃材料的介电性和耐候性，影响使用安全且降低阻燃效果[7]。近年来关于APP的各种改性处理及深入研究逐渐増多，目前APP改性技术主要有微胶囊化、偶联剂改性和复合改性技术等[5]，但很少有研究者关注到APP作为聚电解质的性质，作为一种阴离子聚电解质，由于APP本身的溶解程度不高，是一种弱聚电解质，在水溶液中，APP能够电离出阳离子铵根和阴离子聚磷酸根，并呈现聚阴离子的特性[9]。现如今，随着科技的进一步发展，科学研究的深入进行，采用纳米材料对APP进行改性处理是近年来阻燃聚合物科学发展的一个新领域[10]。
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