生物基尼龙材料的阻燃改性与一系列性能的研究进展
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发表时间：2022-12-30 14:15:19
生物基尼龙材料的阻燃改性与一系列性能的研究进展： 
1.尼龙1010阻燃改性
Battegazzore等在双螺杆挤出机中进行了尼龙 1010 与不同类型阻燃剂的熔融共混，发现当多聚 磷酸铵/季戊四醇和多聚磷酸铵/淀粉复配阻燃剂质 量分数达到 30% 时，共混物拉伸强度下降 30%， 断裂伸长率为 16%~17%，共混物热释放速率和峰 值热释放速率从纯尼龙的32.6kJ/g、720W/g下降到 20.6kJ/g和640W/g，表现出良好的阻燃效果。同时 他们还发现当把相同的阻燃剂通过光交联的方式涂 覆到尼龙1010表面时，只需要加入熔融共混用量 30%的阻燃剂就可以达到相同的阻燃效果。
2.其他生物基尼龙阻燃改性
01
Shabanian等以来源于生物基的二元酸为原料制备了半芳香族尼龙，通过在溶液中与改性纳米蒙脱土共混制备了3%和6%质量分数的共混物，发现蒙脱土的加入提高了共混物热稳定性，当蒙脱土质量分数为3%时，在氮气中失重5%的温度T5% 从纯尼龙243℃增加到275℃，共混物峰值热释放速率和总热释放速率分别为86W/g 和 13.6kJ/g，均低于纯尼龙的111W/g和13.7kJ/g，表现出一定的阻燃效果。
02
Shabanian等以来源于生物基的二元酸为原料制备了半芳香族尼龙BPA，通过离子交换反应制备了含有磷元素和β环糊精的改性纳米蒙脱土，在溶液中与改性纳米蒙脱土共混制备了2%和4%质量分数的共混物，随着改性纳米蒙脱土的加入，共混物表现出良好的热稳定性，在氮气中T5%从纯尼龙 153℃增加到188℃以上，加入4%含有β环糊精改性纳米蒙脱土后除了可以提高共混物热稳定性外，共混物力学性能也有提高，弹性模量从纯尼龙的 2.2GPa 增加到 2.6GPa，拉伸强度从 54.6 增加到 61.3MPa。加入4%含有磷元素改性的纳米蒙脱土，共混物力学性能有所提高，弹性模量从纯尼龙的 2.2GPa增加到3.0GPa，拉伸强度从54.6MPa增加到 69.5MPa，此外共混物阻燃性能也有提高：峰值热释放速率和总热释放速率分别为38.9W/g和8.6kJ/g，均低于纯尼龙的47.6W/g和14.7kJ/g。 
3.生物基尼龙电性能改性
生物基尼龙的导电机理可以用逾渗理论进行描述。当导电填料质量分数小时，复合材料表现出绝缘体特征，当填料质量分数达到某一特定值时，复合材料电导率会发生突变，表明填料在基体中的分散状态发生了突变，形成了逾渗网络，随着填料质量分数继续增加，复合材料导电率也不会有大幅度提高。
研究者对生物基尼龙进行电性能改性主要以改善材料导电和介电性能为主。
01
Rashmi等在双螺杆挤出机中进行了尼龙11与石墨烯的熔融共混，发现制备的共混物中石墨烯均匀分散在尼龙基体中，随着石墨烯质量分数的提高，尼龙11结晶温度和结晶度均有所增加，当石墨烯质量分数为5%时，在1000Hz下介电常数达到9.2，比纯尼龙11提高了 3 倍，电导率达到 5.2× 10-6S/m，共混物拉伸强度和模量比纯尼龙11 分别增加25%和56%，断裂伸长率下降80%。
02
Leveque等在双螺杆挤出机中进行了尼龙11与层状硅酸盐填料的熔融共混，研究了填料类型 （Cloisite20A、10A和Na+ ）和质量分数对共混物薄膜压电和介电性能的影响，发现室温下共混物薄膜压电常数与结晶相和填料类型有关，Cloisite Na+为填料的尼龙11共混物薄膜压电常数最高、极化性 能最高、极化响应最大，并研究了尼龙11/Cloisite Na+ 共混物薄膜振动能量回收性能。他们还发现加 入5%硅酸盐填料后，共混物力学性能比纯尼龙11有所增加，拉伸模量从纯尼龙11的840.5MPa增加到1107.5MPa。
4.生物基尼龙导热改性
生物基尼龙的导热机理与导电机理有些类似，可以用通路理论来描述，当导热填料质量分数达到一定数值后，填料在基体中的分散状态发生改变，形成了导热通路，从而显著提高材料导热性能。
Mosanenzadeh等在双螺杆挤出机中进行了两种不同黏度尼龙610与氮化硼的熔融共混，发现当氮化硼体积分数为2%~33%时，共混物热导率显著提高，当氮化硼体积分数为 33% 时，低黏度尼龙共混物的热导率要高于相同比例下高黏度尼龙共混物，分别达到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是纯尼龙610的9倍，随着氮化硼体积分数的增加，共混物硬度和平均断裂能量有所下降，高黏度尼龙共混物的力学性能要好于低黏度尼龙材料，随着氮化硼质量分数的提高，共混物玻璃化转变温度变化不大，在54~61℃之间。 
结语：
综上所述，在生物基尼龙改性领域中，以下几个方面值得进行深入研究。
（1）生物基尼龙结晶过程。生物基尼龙材料的结晶热力学和结晶动力学对尼龙共混和改性研究具有重要意义，尤其对优化尼龙材料的加工工艺、建立材料结构-性能关系意义重大。
（2）生物基尼龙流变行为。生物基尼龙材料在流动过程中黏度、剪切应力等流变参数的变化对材料加工具有重要指导意义，值得进行深入研究。
（3）生物基尼龙共混物熔融共混过程中微观结构与界面变化。多数研究者对生物基尼龙材料进行各种改性，研究了共混物诸多方面的性能，但是对于决定共混物性能的两个关键因素：微观结构和界面的研究较少，该领域的研究成果必将为生物基尼龙材料的改性研究提供理论指导。
（4）开发新的生物基尼龙材料。通过生物工程方法制备新的生物基二元酸或二元胺，有望得到新型可再生尼龙材料，为促进生物基尼龙材料的应用提供新的选择。
（5）生物基尼龙新的加工方式。增材制造是目前材料加工领域比较热门的一种加工方式，生物基尼龙材料增材制造的研究目前正处于起步阶段。
Battegazzore等在双螺杆挤出机中进行了尼龙 1010 与不同类型阻燃剂的熔融共混，发现当多聚 磷酸铵/季戊四醇和多聚磷酸铵/淀粉复配阻燃剂质 量分数达到 30% 时，共混物拉伸强度下降 30%， 断裂伸长率为 16%~17%，共混物热释放速率和峰 值热释放速率从纯尼龙的32.6kJ/g、720W/g下降到 20.6kJ/g和640W/g，表现出良好的阻燃效果。同时 他们还发现当把相同的阻燃剂通过光交联的方式涂 覆到尼龙1010表面时，只需要加入熔融共混用量 30%的阻燃剂就可以达到相同的阻燃效果。
2.其他生物基尼龙阻燃改性
01
Shabanian等以来源于生物基的二元酸为原料制备了半芳香族尼龙，通过在溶液中与改性纳米蒙脱土共混制备了3%和6%质量分数的共混物，发现蒙脱土的加入提高了共混物热稳定性，当蒙脱土质量分数为3%时，在氮气中失重5%的温度T5% 从纯尼龙243℃增加到275℃，共混物峰值热释放速率和总热释放速率分别为86W/g 和 13.6kJ/g，均低于纯尼龙的111W/g和13.7kJ/g，表现出一定的阻燃效果。
02
Shabanian等以来源于生物基的二元酸为原料制备了半芳香族尼龙BPA，通过离子交换反应制备了含有磷元素和β环糊精的改性纳米蒙脱土，在溶液中与改性纳米蒙脱土共混制备了2%和4%质量分数的共混物，随着改性纳米蒙脱土的加入，共混物表现出良好的热稳定性，在氮气中T5%从纯尼龙 153℃增加到188℃以上，加入4%含有β环糊精改性纳米蒙脱土后除了可以提高共混物热稳定性外，共混物力学性能也有提高，弹性模量从纯尼龙的 2.2GPa 增加到 2.6GPa，拉伸强度从 54.6 增加到 61.3MPa。加入4%含有磷元素改性的纳米蒙脱土，共混物力学性能有所提高，弹性模量从纯尼龙的 2.2GPa增加到3.0GPa，拉伸强度从54.6MPa增加到 69.5MPa，此外共混物阻燃性能也有提高：峰值热释放速率和总热释放速率分别为38.9W/g和8.6kJ/g，均低于纯尼龙的47.6W/g和14.7kJ/g。
生物基尼龙的导电机理可以用逾渗理论进行描述。当导电填料质量分数小时，复合材料表现出绝缘体特征，当填料质量分数达到某一特定值时，复合材料电导率会发生突变，表明填料在基体中的分散状态发生了突变，形成了逾渗网络，随着填料质量分数继续增加，复合材料导电率也不会有大幅度提高。
研究者对生物基尼龙进行电性能改性主要以改善材料导电和介电性能为主。
01
Rashmi等在双螺杆挤出机中进行了尼龙11与石墨烯的熔融共混，发现制备的共混物中石墨烯均匀分散在尼龙基体中，随着石墨烯质量分数的提高，尼龙11结晶温度和结晶度均有所增加，当石墨烯质量分数为5%时，在1000Hz下介电常数达到9.2，比纯尼龙11提高了 3 倍，电导率达到 5.2× 10-6S/m，共混物拉伸强度和模量比纯尼龙11 分别增加25%和56%，断裂伸长率下降80%。
02
Leveque等在双螺杆挤出机中进行了尼龙11与层状硅酸盐填料的熔融共混，研究了填料类型 （Cloisite20A、10A和Na+ ）和质量分数对共混物薄膜压电和介电性能的影响，发现室温下共混物薄膜压电常数与结晶相和填料类型有关，Cloisite Na+为填料的尼龙11共混物薄膜压电常数最高、极化性 能最高、极化响应最大，并研究了尼龙11/Cloisite Na+ 共混物薄膜振动能量回收性能。他们还发现加 入5%硅酸盐填料后，共混物力学性能比纯尼龙11有所增加，拉伸模量从纯尼龙11的840.5MPa增加到1107.5MPa。
4.生物基尼龙导热改性
生物基尼龙的导热机理与导电机理有些类似，可以用通路理论来描述，当导热填料质量分数达到一定数值后，填料在基体中的分散状态发生改变，形成了导热通路，从而显著提高材料导热性能。
Mosanenzadeh等在双螺杆挤出机中进行了两种不同黏度尼龙610与氮化硼的熔融共混，发现当氮化硼体积分数为2%~33%时，共混物热导率显著提高，当氮化硼体积分数为 33% 时，低黏度尼龙共混物的热导率要高于相同比例下高黏度尼龙共混物，分别达到3.6W/(m ·K)和3.5W/(m ·K)，是纯尼龙610的9倍，随着氮化硼体积分数的增加，共混物硬度和平均断裂能量有所下降，高黏度尼龙共混物的力学性能要好于低黏度尼龙材料，随着氮化硼质量分数的提高，共混物玻璃化转变温度变化不大，在54~61℃之间。
综上所述，在生物基尼龙改性领域中，以下几个方面值得进行深入研究。
（1）生物基尼龙结晶过程。生物基尼龙材料的结晶热力学和结晶动力学对尼龙共混和改性研究具有重要意义，尤其对优化尼龙材料的加工工艺、建立材料结构-性能关系意义重大。
（2）生物基尼龙流变行为。生物基尼龙材料在流动过程中黏度、剪切应力等流变参数的变化对材料加工具有重要指导意义，值得进行深入研究。
（3）生物基尼龙共混物熔融共混过程中微观结构与界面变化。多数研究者对生物基尼龙材料进行各种改性，研究了共混物诸多方面的性能，但是对于决定共混物性能的两个关键因素：微观结构和界面的研究较少，该领域的研究成果必将为生物基尼龙材料的改性研究提供理论指导。
（4）开发新的生物基尼龙材料。通过生物工程方法制备新的生物基二元酸或二元胺，有望得到新型可再生尼龙材料，为促进生物基尼龙材料的应用提供新的选择。
（5）生物基尼龙新的加工方式。增材制造是目前材料加工领域比较热门的一种加工方式，生物基尼龙材料增材制造的研究目前正处于起步阶段。
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