Application et perspectives de la nanotechnologie dans les matériaux ignifuges

Application et perspectives de la nanotechnologie dans les matériaux ignifuges

Actuellement, les polymères tels que les plastiques, les caoutchoucs et les fibres sont largement utilisés, mais leur inflammabilité a eu un certain impact sur leur utilisation et leur promotion.Bien que les matériaux ignifuges jouent un rôle positif en bloquant la combustion, en ralentissant la propagation du feu et en luttant dans une certaine mesure contre le temps d'évacuation et de sauvetage, ils sont également déficients en termes de propriétés mécaniques, de rentabilité, de pollution de l'environnement, etc.

Avec l'application des nanomatériaux dans de nombreux domaines tels que la mécanique, l'électromagnétisme, la thermologie, l'optique, etc., les nanotechnologies et les nanomatériaux ouvrent de larges perspectives de développement.La recherche et le développement de matériaux nano-ignifuges contribuent à surmonter et à améliorer les défauts des matériaux traditionnels, ce qui implique d'importants effets sociaux et avantages économiques.

1. Introduction aux nanomatériaux

Les nanomatériaux font référence à des matériaux dont la structure est à l'échelle nanométrique et à leurs caractéristiques fonctionnelles correspondantes, 1 nanomètre équivaut à un milliardième de mètre et l'échelle nanométrique fait généralement référence à 1 ~ 100 nm.Lorsque la structure et la taille des particules des matériaux entrent dans la plage de l'échelle nanométrique, ils présentent une variété d'effets spéciaux, tels que l'effet de surface, l'effet de petite taille, l'effet de taille quantique et l'effet tunnel quantique macroscopique, qui rendent les matériaux montrent une variété de fonctions particulières.

Les nanomatériaux peuvent être classés en matériaux nanométalliques, matériaux nano-non métalliques, matériaux nanopolymères et nanomatériaux en fonction de leurs matériaux.La combinaison de la nanotechnologie et d'une variété de matériaux modifie considérablement les caractéristiques globales des matériaux et fournit un support technique puissant pour optimiser davantage la fonction des matériaux.

2. Classification et exigences des matériaux ignifuges

Les matériaux ignifuges peuvent être divisés en types inorganiques et organiques, halogénés et sans halogène et autres.Inorganique fait principalement référence à l'hydroxyde d'aluminium, à l'hydroxyde de magnésium, au silicium, au trioxyde d'antimoine et à d'autres systèmes de matériaux ignifuges, organique principalement à base d'halogène, d'azote et de phosphore, qui, par composition ou réaction, forment un additif ou des matériaux composites réactifs, qui à leur tour jouer un rôle ignifuge.

Comparativement, les matériaux ignifuges inorganiques présentent les avantages d'un faible coût, de bonnes propriétés thermiques, de gaz moins toxiques lors de la combustion, mais ils ont également de mauvaises propriétés mécaniques, une charge importante et une mauvaise compatibilité avec le substrat et d'autres défauts.

Les matériaux ignifuges organiques ont de bonnes propriétés ignifuges, une bonne compatibilité avec le substrat, une petite charge, etc., mais présentent une grande quantité de fumée et de gaz toxiques lors de la combustion et d'autres défauts.Par conséquent, le développement de propriétés physiques et mécaniques supérieures à faible émission de fumée, à faible toxicité, sans halogène et de matériaux ignifuges respectueux de l'environnement a été un sujet de recherche important, l'émergence et le développement de la nanotechnologie pour résoudre les défauts existants du retardateur de flamme. les matériaux offrent un possible.

La recherche montre que les matériaux nano-ignifuges doivent répondre aux exigences suivantes : premièrement, les matériaux doivent répondre aux exigences de protection de l'environnement et produire moins de gaz toxiques lors de la combustion.Deuxièmement, les matériaux doivent être caractérisés par une forte fonctionnalité et une efficacité ignifuge élevée, et en même temps, ils doivent surmonter les défauts existants dans les propriétés mécaniques et physiques des matériaux ignifuges traditionnels et élargir le champ d'application des matériaux.Troisièmement, le coût global devrait être réduit pour améliorer la rentabilité des matériaux.

3. Types de matériaux nano-ignifuges

Les nanomatériaux ignifuges peuvent être obtenus en raffinant les particules ignifuges traditionnelles au niveau nanométrique et en les appliquant à des matériaux associés.L'application de la nanotechnologie, l'acquisition de particules à l'échelle nanométrique et les multiples effets uniques de l'échelle nanométrique améliorent considérablement la compatibilité entre les retardateurs de flamme et les matériaux, réduisant dans une certaine mesure la quantité d'application de retardateur de flamme, mais améliorent également les propriétés ignifuges et augmentent le coût. -efficacité des matériaux ignifuges.À l’heure actuelle, les composites nano-ignifuges couramment utilisés qui ont été développés sont à peu près les suivants.

3.1 Nanomatériaux d'argile polymère

Les nanomatériaux ignifuges d'argile impliquent des matières premières telles que la montmorillonite minérale argileuse cationique, l'hydroxyde bimétallique en couches de minéraux argileux anioniques et la kaolinite minérale argileuse non ionique, etc., qui sont modifiées à l'aide d'une méthode d'intercalation pour obtenir des matériaux ignifuges composites efficaces pour polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et polypropylène (PP).

Le silicate en couches d'argile ignifuge contient une couche carbonisée, qui peut capturer certains radicaux libres à haute température, ce qui améliore la propriété ignifuge du matériau tout en modifiant la propriété mécanique du matériau et évite les défauts tels qu'une grande quantité de fumée. gaz corrosifs et toxiques lors de la combustion avec ajout de retardateur de flamme halogéné.En cas d'incendie, la couche de carbonisation du silicate ralentit la vitesse des substances volatiles s'échappant du matériau pendant la combustion, rendant ainsi les nanomatériaux d'argile dans le processus de décomposition en phase condensée de substances volatiles avec un faible taux de débordement.

3.2 Matériaux ignifuges à base d'hydroxyde de magnésium nano

Les matériaux ignifuges à l'hydroxyde de magnésium à l'échelle nanométrique, l'ignifugation, la génération de fumée et la compatibilité avec le substrat et d'autres propriétés sont meilleurs que les propriétés correspondantes des matériaux ignifuges à l'hydroxyde de magnésium de taille micronique.Sous un certain dosage, le corps ignifuge à l'hydroxyde de magnésium à l'échelle nanométrique peut atteindre le niveau V-0 de la norme UL94.

Les avantages de l'hydroxyde métallique lui-même sont évidents, la clé est d'en ajouter une quantité relativement importante, généralement supérieure à 60 %, et un volume de charge élevé sur les propriétés physiques et mécaniques des matériaux ignifuges a un plus grand impact, et la nanotechnologie n'est qu'un bon solution à la dispersion et à la compatibilité entre le retardateur de flamme et la matrice, la combinaison des deux technologies a considérablement amélioré l'application de matériaux ignifuges et ignifuges à base d'hydroxyde de magnésium après les propriétés ignifuges.Les matériaux ignifuges à base d'hydroxyde de nanomagnésium ont une large gamme d'excellentes propriétés telles que non halogène, faible fumée, non toxique, ne coule pas, résistant aux acides, bonne stabilité, température de décomposition élevée, équipement non corrosif, etc. qui a une large perspective d’application.

3.3 Nanocomposites de carbonate de calcium

Avec la nanopoudre de carbonate de calcium enrobée de stannate de zinc et appliquée sur du polychlorure de vinyle (PVC), la taille des particules du produit est de 40 à 60 nm, ce qui réduit la quantité de plastifiant dans le PVC et améliore les performances de traitement du produit, associées à la teneur élevée en chlore. et hautement ignifuge du PVC rigide lui-même, l'indice limite d'oxygène (LOI) peut atteindre 45 % et d'excellents composites ignifuges sont obtenus.

Les composites in situ nanoparticules de carbonate de calcium/polystyrène (PS) traités à l'acide méthacrylique ont également une taille de particule de 100 nm ou moins, et ont également de bonnes propriétés ignifuges.En outre, peut également être appliqué aux acides gras, à l'agent de couplage titanate et au carbonate de nano-calcium après traitement de surface pour obtenir des composites polypropylène/carbonate de nano-calcium, après expérimentation et application, doivent conserver de meilleures propriétés ignifuges sur la base des propriétés mécaniques. du matériau a été grandement améliorée, la résistance aux chocs du matériau a également été améliorée.

3.4 Matériaux ignifuges à l'oxyde d'antimoine à l'échelle nanométrique

Les matériaux PVC ignifuges à l'oxyde d'antimoine à l'échelle nanométrique ont des propriétés ignifuges élevées, une faible fumée, leurs performances sont meilleures que les performances correspondantes des matériaux PVC traditionnels et conviennent à une utilisation dans les textiles.Les particules d'oxyde d'antimoine à l'échelle nanométrique sont utilisées en petites quantités et ne bloqueront pas les trous de filière de la machine, ce qui rend les textiles ignifuges.

De plus, le matériau d'oxyde d'antimoine à l'échelle nanométrique a une grande surface spécifique, les performances de pénétration de certains textiles sont bonnes, ont une forte adhérence, le matériau textile résultant a également une bonne solidité au lavage, pas facile à décolorer.Les nanoparticules d'oxyde d'antimoine présentent les avantages d'un faible coût, d'une petite taille moyenne de particules, d'une dispersion uniforme dans les matériaux polyester et d'une bonne compatibilité.

3,5 EVA/nanocomposites de silice

Les polymères nanomodifiés de silice ont acquis de nombreuses applications en raison du fait que les nanocomposites obtenus après nanodimensionnement et modification présentent de nombreux avantages tels qu'une légèreté, une résistance élevée et une ténacité élevée.

La couche de nano-charge dans les nanocomposites de type EVA forme une couche d'isolation à l'extérieur de la couche de polymère interne, ce qui renforce le processus de carbonisation, prolonge le processus de dégradation du matériau, produit un taux de dégagement de chaleur maximal très faible, mesuré par un calorimètre conique et améliore considérablement les propriétés ignifuges par rapport aux matériaux ignifuges traditionnels.

En termes de propriétés mécaniques, il est montré que la fraction de remplissage volumique dans les composites EVA/silice est de 4 %, le matériau composite a la résistance à la traction la plus élevée, qui est environ deux fois celle de la matrice, ce qui révèle également pleinement le rôle important de la nanotechnologie dans l'amélioration des propriétés physiques et mécaniques des composites.

4. Progrès dans le processus de préparation de matériaux nano-ignifuges

Les méthodes de préparation des nanomatériaux sont principalement les suivantes :

① Méthode sol-gel.La méthode sol-gel est une méthode de préparation plus courante pour préparer des nanomatériaux.Le processus consiste à dissoudre les oxydes métalliques ou les sels métalliques dans l'eau, par la réaction d'hydrolyse, pour former des particules nanométriques semblables à un sol, puis à évaporer le solvant, après quoi un objet gel se forme.Cela entraîne la formation de polymères organiques et de molécules inorganiques interpénétrées avec une structure ordonnée multicouche de matériaux ignifuges.La méthode de réaction chimique est douce, les composants inorganiques et les composants organiques sont mélangés les uns aux autres et la structure est proche, mais il existe également des inconvénients tels qu'un retrait facile du matériau et une fragilité lors du séchage du gel.

② Méthode de co-précipitation.La méthode de co-précipitation fait référence à la formation préalable de nanoparticules inorganiques et de polymères organiques mélangés à la méthode de précipitation pour former des matériaux ignifuges.Dans cette méthode, les nanoparticules et la synthèse des matériaux sont produites séparément, la taille et la structure des nanoparticules peuvent être bien contrôlées, tandis que les nanoparticules sont uniformément réparties dans le polymère, avec de bonnes performances globales.Cependant, les nanoparticules sont faciles à agglomérer dans cette méthode, et leur dispersion uniforme constitue le plus gros problème.La méthode de co-précipitation peut être divisée en méthode de co-précipitation en solution, méthode de co-précipitation en émulsion et méthode de co-précipitation en fusion et d'autres méthodes.

③ Méthode d'interpolation.Le processus de méthode d'intercalation consiste à transformer les nanoparticules en couches, puis à les insérer dans la couche de polymère organique, ce qui permet d'obtenir un composite à l'échelle nanométrique.Il existe différents types de méthodes telles que la méthode d'intercalation par polymérisation, la méthode d'intercalation en fusion et la méthode d'intercalation en solution.

④ Méthode de copolymérisation in situ.La méthode de copolymérisation in situ fait référence à la dispersion uniforme de nanoparticules en solution, puis à l'aide de chauffage, de rayonnement et d'autres moyens, de sorte que la polymérisation du polymère et des nanoparticules et une série d'autres réactions, et finalement obtenir la dispersion de flamme à l'échelle nanométrique matériaux retardateurs.Les matériaux ignifuges obtenus par cette méthode présentent les avantages de bonnes caractéristiques de nanoparticules et d'une faible barrière enthalpie-entropie entre les couches.⑤ Méthode d'auto-assemblage in situ.La méthode d'auto-assemblage in situ fait référence à l'utilisation de molécules de polymère et de nanoparticules entre la force intermoléculaire, la force électrostatique intercouche, etc., l'auto-assemblage in situ, la génération de noyaux cristallins principaux inorganiques, et enfin le polymère sera généré par le cristal entouré.Cette méthode de synthèse de nanocomplexes bis-hydroxy est plus favorable et la nanophase peut être distribuée de manière ordonnée.

5. Perspectives des matériaux nano-ignifuges

Dans le domaine des retardateurs de flamme, les retardateurs de flamme additifs inorganiques ont l'application la plus précoce et la plus grande quantité.Tels que le système d'antimoine, le système d'aluminium, le système de phosphore, les retardateurs de flamme du système de bore, etc.Cependant, à l'heure actuelle, il existe principalement des problèmes tels qu'une mauvaise compatibilité des retardateurs de flamme et des matériaux de base et un impact important sur les propriétés physiques et mécaniques.La recherche montre que l'utilisation de la nanotechnologie peut améliorer le caractère ignifuge et les propriétés mécaniques des produits en plastique, renforcer le caractère ignifuge et la capacité antistatique des produits en fibres, renforcer le caractère ignifuge des produits en caoutchouc et réduire le dégagement de gaz toxiques et la quantité de fumée pendant la combustion.Les matériaux nano-ignifuges peuvent améliorer considérablement les performances globales des matériaux ignifuges inorganiques à l'aide de la nanotechnologie sur la base des avantages des matériaux ignifuges inorganiques tels que les matériaux à faible teneur en halogène ou non halogène, à faible fumée et à faible corrosion. .

En outre, les matériaux nano-ignifugés seront également développés davantage en termes d'amélioration de la stabilité thermique des matériaux, de réduction de l'agglomération des matériaux utilisés, d'amélioration de l'optimisation du dosage, de la taille des particules, de la structure lamellaire et de la combinaison entre les les retardateurs de flamme et les matériaux, l'optimisation du stockage et du transport des matériaux et le processus de leur ajout, l'amélioration de l'effet ignifuge des matériaux et la promotion de la multifonctionnalité des matériaux, etc.Le renforcement de la recherche sur la microstructure et le mécanisme de formation des matériaux composites nano-ignifuges, les détails du mécanisme ignifuge des matériaux et d'autres théories de base, et l'accélération continue du développement de l'activité des matériaux nano-ignifugés au lever du soleil, sont propices à la réalisation en douceur et l’expansion de l’industrialisation des produits connexes.

En résumé, les matériaux nano-ignifuges ont de bonnes performances ignifuges, un bon effet de protection de l'environnement et moins de gaz toxiques libérés pendant la combustion, moins de dosage de remplissage, et les produits ont tendance à avoir des caractéristiques de développement multifonctionnelles, qui peuvent être largement utilisées dans l'automobile. , l'aviation, les appareils électroménagers électroniques et d'autres industries, et dispose de beaucoup d'espace pour le développement.

Cependant, le développement de matériaux nano-ignifuges pose encore de nombreux problèmes pratiques à résoudre, tels que le contrôle de la morphologie des nanoparticules, le processus de distribution des nanoparticules et l'unité de multifonctionnalisation.On pense qu'avec les progrès continus de la science et de la technologie des matériaux polymères, ainsi qu'avec l'émergence, l'application et le développement rapide de la nanotechnologie, la recherche sur les matériaux nano-ignifuges fera certainement de grands progrès et fournira un matériau solide et technologique. garantie d'une meilleure protection de la vie et des biens des personnes.