关于《Flame retardancy and thermal properties of poly(butylene succinate)/nano-boehmite composites prepared via in situ polymerization》的报告

作者与出版信息

这篇文章由 Saman Kahkesh 和 Mehdi Rafizadeh 撰写，作者所属机构为伊朗的 Amir Kabir University of Technology 的 Polymer Engineering and Color Technology 部门。文章于2020年发表在《Polymer Engineering & Science》期刊上，DOI为10.1002/pen.25468。

研究背景

聚合物材料在当今工业和技术的众多领域具有广泛的应用，但传统聚合物（如聚烯烃类）由于其难以降解的特性，在环境保护领域引发了严重的担忧。因此，近年来可生物降解聚合物逐渐成为研究热点，其中以脂肪族聚酯类的聚丁二酸丁二醇酯（Poly(butylene succinate)，简称PBS）尤为引人注目。PBS具有良好的热稳定性、机械性能和工艺性能，是一种潜在的通用替代材料。

然而，传统聚合物包括PBS在高温条件下易释放可燃性挥发物，点燃后可能引发火灾。为改善聚合物的阻燃性能，研究者尝试通过添加矿物填充剂以延缓聚合物的燃烧速率。近年来，纳米复合材料因其优异的机械和物理性能开辟了材料改性的新途径。矿物纳米颗粒（如纳米氧化铝、纳米黏土等）被广泛用于提高聚合物的耐热性、机械强度以及阻燃性等性能。研究表明，氧化铝-氢氧化物（γ-AlOOH，Boehmite，BHM）作为一种阻燃剂，能有效提高复合材料的阻燃性能。然而，目前还没有关于PBS/BHM纳米复合材料的阻燃行为及热性能的研究。因此，本文的研究动机是填补这一科学空白，并探索通过原位聚合方法制备高性能纳米复合材料的可能性。

研究目标

本文旨在通过原位聚合的方法合成PBS及其与纳米Boehmite（NBHM）的复合材料，系统研究其化学结构、热性能、结晶行为、阻燃性能以及纳米颗粒在聚合物基体中的分布情况。同时，本文探讨了NBHM的催化作用及其对聚合物性能的影响。

研究工作流程

原材料与设备

用于研究的原材料包括丁二酸（SUA）、丁二醇（BG）、多聚磷酸（PPA）、钛酸正丁酯（TBT）和NBHM纳米颗粒等。PBS及其复合材料的制备在一台自制的不锈钢反应釜中完成，该反应釜配备搅拌装置和温压实时监测系统，能够实现高效反应控制和数据采集。

样品制备

研究分两个主要过程完成： 1. 酯化（Esterification）：将SUA与BG以1.7的摩尔比混合，在110℃的氩气氛中搅拌30分钟后，逐渐升温至175-180℃以促进水的生成，随后继续升温至210℃，直至酯化反应趋于静止（每15分钟水生成量低于3g）。 2. 缩聚（Polycondensation）：在酯化完成后加入催化剂TBT和NBHM纳米颗粒，逐渐升温至230-255℃并施加真空（<1mmHg）。随着反应进行，测量搅拌转矩的快速增加作为缩聚反应结束的标志。

参数表征与测试

1. 化学结构表征：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）与核磁共振（NMR）分析PBS及其复合材料的化学键特性与分子结构。
2. 热性能测试：采用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）研究材料的玻璃化转变温度（Tg）、熔融温度（Tm）、结晶行为以及热分解特性。
3. 微观结构分析：通过X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和原子力显微镜（AFM）观察NBHM在PBS基体中的分散性及复合材料表面形态。
4. 阻燃性评估：应用极限氧指数（LOI）和燃烧测试对复合材料的阻燃性能进行定性与定量分析。

主要研究结果

合成与表征

FTIR和NMR验证了缩聚反应成功生成了PBS，其特征吸收峰对应着酯基和端羟基。此外，实验表明NBHM通过物理方式均匀分散于PBS基体中（经XRD和FESEM验证）。

催化作用与反应时间

加入NBHM明显缩短了聚合时间，这是因为其中的铝原子具有催化作用，从而加速酯化及缩聚反应。

热性能

DSC测试表明，含NBHM的复合材料其Tg较纯PBS略有提升，而Tm的变化因分子链间相互作用和结晶度的竞争效应而复杂。至于热分解特性，TGA分析显示复合材料具有更高的残余量和热稳定性。

结晶行为

引入NBHM后，复合材料的结晶率呈现先升后降的趋势。结合改进的Avrami模型对结晶动力学的数据分析，表明所有样品的晶体均为球晶形态。

阻燃性能

LOI测试结果显示，加入2%的NBHM使LOI从21.28%增加至22.85%，提高约8%。燃烧测试进一步证明，燃烧速度大幅降低，燃烧距离减少了约60%。这是因为Boehmite在受热分解时生成的氧化铝隔绝氧气，同时水蒸气吸热降低了燃烧温度。

表面形貌

AFM结果表明，随着NBHM含量的增加，材料表面粗糙度增加，进一步说明纳米颗粒良好分散于基体中。

研究结论

本文成功制备了PBS与NBHM纳米复合材料，并证明NBHM不仅作为催化剂加速了缩聚反应，还通过物理交互作用显著改善了材料的热性能和阻燃性能。该研究为开发环保、高效的阻燃可生物降解材料提供了重要的科学依据，同时也展示了原位聚合方法在优化纳米复合材料性能中的潜力。

研究亮点

1. 创新性地采用原位聚合技术开发PBS/NBHM纳米复合材料。
2. 首次系统研究了NBHM对PBS阻燃性能的增强作用。
3. 实验验证了NBHM的催化效应、热性能改善及在基体中的均匀分布。

意义与展望

本文不仅填补了PBS/NBHM复合材料领域的研究空白，还展现了高性能、环境友好型材料开发的可能性。未来研究可进一步探索不同粒径与表面改性NBHM对PBS性能的影响，以及该复合材料在实际应用中的阻燃机制优化。