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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)當多聚 磷酸銨/季戊四醇和多聚磷酸銨/淀粉復配阻燃劑質(zhì) 量分數(shù)達到 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)量分數(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，當蒙脫土質(zhì)量分數(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)量分數(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
生物基尼龍的導電機理可以用逾滲理論進行描述。當導電填料質(zhì)量分數(shù)小時，復合材料表現(xiàn)出絕緣體特征，當填料質(zhì)量分數(shù)達到某一特定值時，復合材料電導率會發(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，隨著填料質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，復合材料導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)量分數(shù)的提高，尼龍11結晶溫度和結晶度均有所增加，當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為5%時，在1000Hz下介電常數(shù)達到9.2，比純尼龍11提高了 3 倍，電導率達到 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)量分數(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)與結晶相和填料類型有關，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.生物基尼龍導熱改性
生物基尼龍的導熱機理與導電機理有些類似，可以用通路理論來描述，當導熱填料質(zhì)量分數(shù)達到一定數(shù)值后，填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生改變，形成了導熱通路，從而顯著提高材料導熱性能。
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?shù)痼w積分數(shù)為2%~33%時，共混物熱導率顯著提高，當?shù)痼w積分數(shù)為 33% 時，低黏度尼龍共混物的熱導率要高于相同比例下高黏度尼龍共混物，分別達到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是純尼龍610的9倍，隨著氮化硼體積分數(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性能要好于低黏度尼龍材料，隨著氮化硼質(zhì)量分數(shù)的提高，共混物玻璃化轉變溫度變化不大，在54~61℃之間。 
結語：
綜上所述，在生物基尼龍改性領域中，以下幾個方面值得進行深入研究。
（1）生物基尼龍結晶過程。生物基尼龍材料的結晶熱力學和結晶動力學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、建立材料結構-性能關系意義重大。
（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、剪切應力等流變參數(shù)的變化對材料加工具有重要指導意義，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構與界面變化。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鍵因素：微觀結構和界面的研究較少，該領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。
（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)當多聚 磷酸銨/季戊四醇和多聚磷酸銨/淀粉復配阻燃劑質(zhì) 量分數(shù)達到 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)量分數(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，當蒙脫土質(zhì)量分數(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)量分數(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。
生物基尼龍的導電機理可以用逾滲理論進行描述。當導電填料質(zhì)量分數(shù)小時，復合材料表現(xiàn)出絕緣體特征，當填料質(zhì)量分數(shù)達到某一特定值時，復合材料電導率會發(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，隨著填料質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加，復合材料導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)量分數(shù)的提高，尼龍11結晶溫度和結晶度均有所增加，當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為5%時，在1000Hz下介電常數(shù)達到9.2，比純尼龍11提高了 3 倍，電導率達到 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)量分數(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)與結晶相和填料類型有關，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.生物基尼龍導熱改性
生物基尼龍的導熱機理與導電機理有些類似，可以用通路理論來描述，當導熱填料質(zhì)量分數(shù)達到一定數(shù)值后，填料在基體中的分散狀態(tài)發(fā)生改變，形成了導熱通路，從而顯著提高材料導熱性能。
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?shù)痼w積分數(shù)為2%~33%時，共混物熱導率顯著提高，當?shù)痼w積分數(shù)為 33% 時，低黏度尼龍共混物的熱導率要高于相同比例下高黏度尼龍共混物，分別達到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是純尼龍610的9倍，隨著氮化硼體積分數(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性能要好于低黏度尼龍材料，隨著氮化硼質(zhì)量分數(shù)的提高，共混物玻璃化轉變溫度變化不大，在54~61℃之間。
綜上所述，在生物基尼龍改性領域中，以下幾個方面值得進行深入研究。
（1）生物基尼龍結晶過程。生物基尼龍材料的結晶熱力學和結晶動力學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、建立材料結構-性能關系意義重大。
（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、剪切應力等流變參數(shù)的變化對材料加工具有重要指導意義，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構與界面變化。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鍵因素：微觀結構和界面的研究較少，該領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。
（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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