壳聚糖基膨胀型阻燃剂的制备及其应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

传统的阻燃剂中作为炭源使用的材料多为石油裂解后产生的多羟基类化合物，如季戊四醇(PER) 等。然而随着人们对于能源的过度依赖和消耗，石油资源日益枯竭，同时基于石油资源的材料的广泛使用造成了严重的环境污染，因此人们将目光逐渐转移到了拥有多羟基结构和多芳香环结构的生物基天然高分子材料上。其中属于多聚糖类的壳聚糖由于其结构中含有丰富的羟基，从而可以作为膨胀型阻燃剂中的炭源，并且在其C2位上含有含N的氨基，并且氨基在PH小于6.2时可以质子化，这就为其作为膨胀型阻燃剂的气源提供了结构上的可能。近年来膨胀型阻燃剂发展的一个重要的思路就是合成集三源一体的阻燃剂，由于壳聚糖结构中含有炭源和气源的元素，如果能接上含P基团，将制备这种集三源与一体的膨胀型阻燃剂。因此壳聚糖在膨胀阻燃中的应用研究近来得到重视。

传统的阻燃剂中作为炭源使用的材料多为石油裂解后产生的多羟基类化合物，如季戊四醇(PER) 等。然而随着人们对于能源的过度依赖和消耗，石油资源日益枯竭，同时基于石油资源的材料的广泛使用造成了严重的环境污染，因此人们将目光逐渐转移到了拥有多羟基结构和多芳香环结构的生物基天然高分子材料上。其中属于多聚糖类的壳聚糖由于其结构中含有丰富的羟基，从而可以作为膨胀型阻燃剂中的炭源，并且在其C2位上含有含N的氨基，并且氨基在PH小于6.2时可以质子化，这就为其作为膨胀型阻燃剂的气源提供了结构上的可能。近年来膨胀型阻燃剂发展的一个重要的思路就是合成集三源一体的阻燃剂，由于壳聚糖结构中含有炭源和气源的元素，如果能接上含P基团，将制备这种集三源与一体的膨胀型阻燃剂。因此壳聚糖在膨胀阻燃中的应用研究近来得到重视。

2. 国内外研究现状分析

近年来，随着化学工业的发展，尤其是石油的开采和利用，在方便了人们生活的同时，也打破了自然界完整的生态链。除了石油基燃料产生的污染外，石油基塑料消耗和塑料制品被废弃后不能降解等问题，使得生态链的循环遭到了破坏，产生了恶性后果。目前，随着生物化工技术的高速发展，人们已经可以利用生物质转化成按自身需要而塑型的材料。生物质塑料是利用生物质为原料，通过生物化工技术生产的树脂。这种生物质塑料既具有石油基树脂的可塑性，又可以在自然环境里被微生物完全降解。由于其可完全降解成二氧化碳和水，二氧化碳和水又是植物生长的原料，可完全进入生态链。这些材料的使用一方面可以替代石油基材料，缓解对石油的依赖；另一方面，此类材料可完全生物降解，对环境无公害，因此，对此类材料进行全面的了解、分析以及开发应用就非常有必要。然而 此类生物高分子材料仍然存在着 耐热性差、可燃且燃烧时有熔融物滴落，因此大大地限制了其在汽车零部件、航空、电器和电子等领域的应用。因此，对其进行阻燃改性研究成为热门课题。膨胀型阻燃剂体系是近年来发展起来的新型环境友好型阻燃体系。已报道的新型膨胀阻燃剂种类很多，但能获得工业应用的不多。包括一些经典膨胀阻燃体系尚存在一些问题：如与聚合物基体（如聚烯烃）相容性差，使得产品虽有良好的阻燃性但力学性能下降的很多，且抗水性差、易吸潮、易渗出等。

针对膨胀型阻燃剂体系存在的上述缺点，可以从以下三个途径解决这一问题。其一是使用硅烷、钛酸酯、硬质酸钠等偶联剂去处理膨胀阻燃体系中的各主要组分；二是合成一些大分子膨胀型阻燃剂，大幅度地改善膨胀型阻燃剂与高聚物的相容性；三是设计合成反应型膨胀型阻燃剂，可以共价键方式结合树脂基体，提高两者之间相容性。膨胀阻燃剂的研制正在从传统的复配型逐步向分子设计的方向发展，由低分子物逐步向聚合物大分子；向一个大分子中包含催化、炭化、喷气化的多功能向组分间已形成合适比例的方向发展，这就为分子设计奠定了基础，有望获得最优化的膨胀阻燃剂体系。

随着环境保护意识的增强，人们不仅要求阻燃剂具有良好的阻燃性能，而且要求其能抑烟和减少被阻燃材料燃烧时有毒气体的释放量，同时又不致过多恶化基材的各种使用性能。传统的阻燃剂中石油裂解后产生的多羟基类化合物，如 per等常作为炭源使用的材料。然而，随着人们对于不可再生能源的过度依赖，石油资源日益枯竭，同时对环境也造成了严重的污染，因此拥有多羟基结构和多芳香环结构的生物基天然高分子材料逐渐开始被人们关注，天然高分子用于膨胀型阻燃剂体系已有文献报道，其中，围绕壳聚糖在阻燃剂中的应用研究也开展了许多工作，发展了三种制备壳聚糖基膨胀型阻燃剂的方法，包括：三源一体法、层层自组装法及聚电解质络合法。其中层层自组装法是当前国内外研究壳聚糖阻燃的热点方法，但是层层自组装法步骤繁琐，难以进入商业化应用。而聚电解质络合法虽然刚进入研究阶段，但是其绿色环保，步骤简单，势必将成为今后发展的重点。但是当前以聚电解质络合物的形式，壳聚糖和其它组成之间在燃烧过程中的协同机理还不清楚，因此非常有必要对其进行进一步的研究。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容

1.首先依据文献报道的方法，制备三聚氰胺磷酸盐，然后使用自制的三聚氰胺磷酸盐与钠基蒙脱土进行阳离子交换，最后将三聚氰胺改性的蒙脱土与壳聚糖和植酸在酸性水溶液中络合，制备有机-无机杂化阻燃剂；

2.将制备的有机-无机杂化阻燃剂与生物聚酯进行共混，优化制备方法和复合条件，制备有机-无机杂化阻燃复合材料；

4. 研究创新点

采用聚电解质络合法制备壳聚糖基膨胀型阻燃剂，是以水为介质，并在室温下进行反应，无需使用有机前驱体、催化剂或反应剂，绿色、环保、无毒、节能，制备方法温和而简便。

从阻燃剂的结构设计出发，研究阻燃剂的结构对阻燃效率和复合材料综合性能的影响，无机纳米粒子与阻燃剂之间通过离子作用形成杂化结构，有效提高无机纳米粒子的分散性和协同阻燃效率。