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四川大學(xué)王玉忠院士團(tuán)隊(duì)：通過(guò)增強(qiáng)鏈纏結(jié)實(shí)現(xiàn)脂肪族尼龍阻燃和高性能
2022-12-09  來(lái)源：高分子科技

  以PA6代表的典型脂肪族尼龍具有良好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、自潤(rùn)滑性及可加工性等，因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。然而，脂肪族尼龍固有的易燃性使其被點(diǎn)燃后極易引發(fā)火災(zāi)事故，對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，限制其某些領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，通過(guò)物理共混向尼龍基材中添加阻燃劑或通過(guò)化學(xué)共聚向尼龍分子鏈中引入阻燃元素是兩種常用的阻燃方法，但大多數(shù)阻燃尼龍仍面臨著力學(xué)性能、可加工性等惡化的問(wèn)題。如何在保持尼龍本身優(yōu)異綜合各性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高阻燃是亟待解決的關(guān)鍵難題。


  四川大學(xué)王玉忠院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種具有側(cè)鏈籠狀結(jié)構(gòu)的含磷阻燃共聚尼龍PA 6-co-PEC（圖1）。一方面，含磷結(jié)構(gòu)的引入大幅提高了PA 6-co-PEC的阻燃性和自熄能力；另一方面，側(cè)鏈籠狀結(jié)構(gòu)提供了額外的鏈纏結(jié)點(diǎn)，在不影響尼龍可紡性的同時(shí)提高了材料的力學(xué)性能。成功實(shí)現(xiàn)了尼龍6的高阻燃性、高力學(xué)性能、高耐熱性及可紡性。 


圖1. PA6-co-PEC增強(qiáng)纏結(jié)相互作用示意圖


  鏈纏結(jié)的增強(qiáng)并未影響共聚尼龍的結(jié)晶性，PA 6-co-PEC在DSC測(cè)試中明顯的熔融峰和結(jié)晶性，且具有與純尼龍6相近的結(jié)晶度。在高壓毛細(xì)管流變性測(cè)試中，PA 6-co-PEC表現(xiàn)出典型的“剪切變稀”行為，具有較好的成形加工性能，很容易從毛細(xì)管拉出粗細(xì)均勻的初生纖維，表現(xiàn)出較好的可紡性；同時(shí)，PA 6-co-PEC纖維的拉伸強(qiáng)度為4.5 cN/dtex，較純尼龍6提高了12.5%。注塑得到的PA 6-co-PEC樣條同樣表現(xiàn)出高力學(xué)性能，其中PA 6-co-PEC5的拉伸強(qiáng)度為91.9 MPa，較純尼龍6提高了39%。PA 6-co-PEC的熱變形溫度（HDT）從純尼龍6的110 °C逐漸上升到PA 6-co-PEC1、PA 6-co-PEC3和PA 6-co-PEC5的115、117和120°C，表現(xiàn)出較高的耐熱性。在UL-94垂直燃燒試驗(yàn)中，純尼龍6極易被點(diǎn)燃，且火源離開(kāi)后燃燒劇烈、火焰迅速蔓延、產(chǎn)生大量帶火熔滴并引燃脫脂棉，表現(xiàn)為無(wú)級(jí)。而PA 6-co-PEC的熔滴現(xiàn)象被顯著抑制，燃燒時(shí)間大幅縮短。PA 6-co-PEC5在兩次點(diǎn)火后均離火即熄，只產(chǎn)生少量熔滴且不引燃底部脫脂棉，通過(guò)V-0等級(jí)。類似的，在LOI測(cè)試中，純尼龍6產(chǎn)生的熔滴沿著樣品的邊緣流動(dòng)，導(dǎo)致火焰蔓延，LOI值僅為22%；而PEC的引入提高了材料的自熄性，將PA 6-co-PEC5的LOI值提高到26%。 


圖2. 純PA 6和PA 6-co-PEC在N2（a）和Air（b）氣氛下的TGA曲線; DSC的二次升溫（c）和一次降溫（d）曲線；剪切黏度與剪切速率的關(guān)系（e，f）；試紡實(shí)驗(yàn)示意圖和纖維的SEM照片（g）。 


圖3. 應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）拉伸和彎曲性能（b）；PA 6和PA 6-co-PEC在拉伸試驗(yàn)前（c）和后（d）的XRD曲線；拉伸前后分子構(gòu)象和纏結(jié)的示意模型（e）；纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線（f）；熱變形溫度（g）。 


圖4. UL-94測(cè)試數(shù)碼照片（a）LOI測(cè)試結(jié)果（b）；50 kW/m2輻照下的熱釋放率（c）和總熱釋放（d）曲線；PA 6不同溫度下熱降解產(chǎn)物的FTIR光譜（e）；35 kW/m2輻照下的熱釋放率（f）和總熱釋放（g）曲線；PA 6-co-PEC5不同溫度下熱降解產(chǎn)物的FTIR光譜（h）。


  該工作以“High-Performance Flame-Retardant Aliphatic Polyamide via Enhanced Chain Entanglement”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2022， doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637）。第一作者為四川大學(xué)環(huán)保型高分子材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室的碩士研究生蔣敏，通訊作者為劉博文研究員和王玉忠教授。相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題五“受限空間典型高分子材料高效本體阻燃與高性能化原理與技術(shù)”（51991351）的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140637

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