NCC/APP/SiO2复合聚电解质的定向自组装及在WPC中的阻燃协同机制

批准号:
31670556
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
潘明珠
依托单位:
学科分类:
C1603.木材物理学
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
梅长彤、宣艳、杨蕊、雍宬、曹倚中、蔡欣、杜俊
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中文摘要
随着木塑复合材料在建材、室内装饰等应用领域的不断扩大,其防火安全性越来越受到重视。本项目以构筑木塑复合材料的阻燃体系为出发点,通过研究纳米晶态纤维素(NCC)、聚磷酸铵(APP)与纳米二氧化硅(nano-SiO2)聚电解质的合成工艺和结构特性,定向自组装NCC/APP/SiO2复合聚电解质(PECs),阐述聚电解质结构特征、温度、pH值对PECs超分子结构和形成机制的影响规律,通过调控静电吸附、范德华力、氢键等驱动力,使得APP置于分子结构的芯层,获得均一稳定、界面性能优良的定向网络结构;然后将此PECs应用于木塑复合材料,深入研究木塑复合材料热解燃烧过程中,PECs三组分催化木质纤维酯化、脱水交联反应,促进均匀稳定炭层的形成过程,阐述NCC、APP、纳米SiO2的阻燃协同机制。本项目的研究成果将丰富木塑复合材料阻燃技术。同时,也为NCC在绿色阻燃剂合成领域的应用提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Flammability is one of the important parameters that often limits the application of wood plastic composites (WPC) to constructions and interior decoration. Recently, the synergistic effect between nano-SiO2 and ammonium polyphosphate (APP) in polymer and composites has been extensively investigated. However, the synergistic of APP/nano-SiO2 has some limits in application of flame retardant WPC due to the bulk density and surface area. On the other hand, nanocrystalline cellulose (NCC) is considered as an excellent template and polyelectrolyte material due to the abundant hydroxyl groups and sulfonic acid group. The preparation of polyelectrolyte composites (PECs) of NCC/APP/nano-SiO2 using oriented self-assembly technique is proposed in this project. This project will be focus on (1) the characteristics and formation of polyelectrolyte of NCC, APP, and nano-SiO2, (2) the formation mechanism of PECs using oriented self-assembly technique affected by temperature, pH values, and polyelectrolyte of NCC, APP, and nano-SiO2 respectively, and (3) the application and flame retardant mechanism of PECs of NCC/APP/nano-SiO2 in WPC. The conclusions from this project would promote the theory and technology development in the fields of flame retardancy of WPCs by utilization of PECs of NCC/APP/nano-SiO2. Moreover, it can promote the application of NCC in chemical synthesis field of green flame retardant.
随着木塑复合材料在建材、室内装饰等应用领域的不断扩大,其防火安全性越来越受到重视。然而,阻燃剂的加入往往使得木塑复合材料的多相界面变得复杂,表现出更弱的界面相容性,导致力学强度显著下降。研究显示,聚电解质是一类分子链上带有可电离基团的高聚物,具有高阻燃效率、良好的环境可接受性及对力学性能影响较小,在材料的阻燃处理中得到极大的关注。为此,本项目从构筑木塑复合材料的阻燃体系出发,研究了纳米晶态纤维素(NCC)、聚磷酸铵(APP)、纳米二氧化硅(nano-SiO2)定向自组装NCC/APP/SiO2复合聚电解质(PECs)的工艺和形成机制,并将该PECs应用于木塑复合材料,研究其对阻燃性能和力学性能的影响规律。主要结果有:(1)NCC的酸解温度、酸浆比、时间会对表面磺酸基含量、表面电荷、pH值、热性能产生影响,酸碱滴定法、NaCl改性法、聚乙烯亚胺(PEI)改性法会对APP分子结构、铵根离子解离程度、热性能产生影响,表面接枝胺基可以赋予SiO2阳离子聚电解质特性;(2)通过静电吸附、范德华力、氢键,构建了NCC/APP复合聚电解质,NCC作为物理模板,促进了APP均匀分散并为其燃烧时炭的生成提供了骨架,燃烧过程中NCC上的磺酸基团促进了木纤维中的纤维素转变为炭,改变WPC的热解行为,赋予其更高的石墨化程度和残炭量,提高阻燃性能。NCC/APP通过氢键形成物理交联网络,赋予WPC高的载荷容量和良好的变形能力。拉伸强度和杨氏模量分别提高了42.69%和75.90%;(3)进一步引入PEI赋予PECs与WPC良好的界面相容性,获得均一稳定、界面性能优良的定向网络结构,WPC的强度和韧性均得到改善;在热解燃烧过程中,PEI更有利于促进均匀稳定膨胀炭层的形成,获得阻燃抑烟功能,WPC阻燃等级达到UL-94 V-0级别。本项目的研究成果丰富了木塑复合材料阻燃技术,同时,也为高性能多功能木塑复合材料技术开发提供理论依据。
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The thermal property and flame retardancy of RPC with a polyelectrolyte complex of nanocrystalline cellulose and ammonium polyphosphate
纳米晶纤维素与聚磷酸铵聚电解质复合物RPC的热性能和阻燃性能
DOI:10.1007/s10973-018-7639-3
发表时间:2018-08
期刊:Journal of Thermal Analysis and Calorimetry
影响因子:4.4
作者:Xin Cai;He Chen;Dong Jiang;Mingzhu Pan;Changtong Mei
通讯作者:Changtong Mei
DOI:10.3390/polym12112438
发表时间:2020-10-22
期刊:Polymers
影响因子:5
作者:Huang Y;Zhang S;Chen H;Ding C;Xuan Y;Pan M;Mei C
通讯作者:Mei C
An anionic polyelectrolyte hybrid for wood-polyethylene composites with high strength and fire safety via self-assembly
通过自组装制备具有高强度和防火安全性的木质-聚乙烯复合材料的阴离子聚电解质杂化物
DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.118661
发表时间:2020-07-10
期刊:CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS
影响因子:7.4
作者:Ding, Chunxiang;Pan, Mingzhu;Mei, Changtong
通讯作者:Mei, Changtong
Preparation and thermostability of cellulose nanocrystals and nanofibrils from two sources of biomass: rice straw and poplar wood
稻草和杨木两种生物质来源的纤维素纳米晶体和纳米原纤维的制备及其热稳定性
DOI:10.1007/s10570-019-02683-8
发表时间:2019
期刊:Cellulose
影响因子:5.7
作者:Zhao Guomin;Du Jun;Chen Weimin;Pan Mingzhu;Chen Dengyu
通讯作者:Chen Dengyu
Crystallization and mechanical properties of reinforced PHBV composites using melt compounding: Effect of CNCs and CNFs
使用熔融共混增强 PHBV 复合材料的结晶和机械性能:CNC 和 CNF 的影响
DOI:10.1016/j.carbpol.2017.03.076
发表时间:2017-07-15
期刊:CARBOHYDRATE POLYMERS
影响因子:11.2
作者:Du Jun;Zhao Guomin;Zhang Rui
通讯作者:Zhang Rui
过渡金属氧化物构建阻燃预警智能木材及其应用基础研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2021
- 负责人:潘明珠
- 依托单位:
生物质纳米二氧化硅/聚磷酸铵原位聚合机制及阻燃协效机理
- 批准号:31300476
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:22.0万元
- 批准年份:2013
- 负责人:潘明珠
- 依托单位:
国内基金
海外基金
