大多数聚合物材料都极易燃烧，这严重限制了其在诸多领域中的实际应用。因此，增强聚合物的阻燃性能具有重大意义。纳米黏土是天然、无毒、低成本、可生物降解且具有生物相容性的材料，常被用于合成各种聚合物纳米复合材料，由于其较大的比表面积、阻隔性和热稳定性，可有效改善聚合物材料的阻燃性和力学性能。
　　
　　生物来源的天然材料是地球上最丰富的原材料，由于其生物可降解性、低密度、可再生性及优异的力学性能等特点，引起了科学和商业的广泛关注。这些特性使它们成为开发机械坚固、可持续和生物相容性较好的纳米复合材料的有力候选者。
　　
　　1、果胶
　　
　　以果胶和钠基蒙脱石为原料，通过简单、环保的冷冻干燥工艺制备可生物降解的气凝胶复合材料。结果表明，气凝胶复合材料的压缩模量直接与蒙脱石的添加量相关，蒙脱石含量越高，压缩模量就越高。据报道，密度为0.19g/cm3的果胶黏土气凝胶的最高压缩模量为114MPa。果胶(P)-黏土(C)气凝胶在低聚合物负载(P5C5)和层间连接性较低的情况下显示出类似于其他聚合物黏土气凝胶的“纸牌屋”微观结构。然而，将其固含量提高到10%以上时，形成了具有高连通性的多孔层状结构，从而可以在材料内更有效地传递载荷。
　　
　　同时，黏土也能显著改善果胶基材料的阻燃性能，将凹凸棒石掺入果胶基体中制成了一种低密度固体泡沫，通过红外光谱确认了物质间的相互作用；通过热重分析证实了凹凸棒石的加入有效提高了生物质纳米复合泡沫的分解温度；水平燃烧实验表明，基于凹凸棒石/果胶的仿生纳米复合泡沫材料具有可自动熄灭的性能，在阻燃方面展现出较大的潜力。
 

　　
　　2、海藻酸盐
　　
　　海藻酸盐最有用的功能特性之一是其形成凝胶的能力，它可以被钙离子交联形成水凝胶；但由于其快速的胶凝速度，其不能形成均匀的水凝胶。采用CaCO3-GDL(葡萄糖酸内酯)系统控制钙的释放可以获得均质的海藻酸盐水凝胶，在增强材料的机械强度方面非常有效，但是这种方法很复杂且很难工业化。为此，开发了一种通过交联制备高机械强度的海藻酸盐/黏土气凝胶的简便方法，并且通过添加对甲苯磺酸进一步提高了该材料的热稳定性和防火安全性。所制备的A5C5气凝胶的压缩模量从(6.0±0.4)MPa显著增加到(17±3)MPa。燃烧测试表明，所有海藻酸盐/黏土气凝胶均具有出色的阻燃性。
　　
　　海藻酸盐是一种天然的阻燃材料，极限氧指数(LOI)值为48.0%，峰值放热率(PHRR)为4.99kW/m2，因此，这种聚合物在制备阻燃气凝胶领域具有较大的应用潜力。研究发现，海藻酸盐/黏土复合气凝胶具有出色的阻燃性和良好的力学性能。然而，由高含量的不可燃聚合物制备的复合气凝胶不能同时满足气凝胶的隔热性能和超低密度。为了进一步优化气凝胶的隔热性能和密度，必须将聚合物含量降至最低(应同时满足气凝胶的力学性能要求)。将基于凹凸棒石的气凝胶与极少量的海藻酸盐结合以形成独特的分级介孔-微孔结构，采用乙醇溶液置换法和冷冻干燥工艺，所得气凝胶具有超低密度(0.035～0.052g/cm3)、实用机械强度(0.7～2.1MPa)和低导热率(0.0332～0.165W·m－1·K－1(25～1000℃))。此外，由于高比例的凹凸棒石，所得气凝胶显示出优异的阻燃性，并且可以承受超高温火焰10min而不塌陷。这种基于凹凸棒石的具有3D框架的可再生气凝胶是一种有前途的材料，可用于建筑和航空航天领域，可实现隔热和高阻燃性的高要求应用。
 

　　
　　3、木材
　　
　　一些研究人员已经制备了混合木材/黏土材料，将纳米黏土颗粒与三聚氰胺-尿素-甲醛混合，浸渍到木材中并固化，从而改善其力学性能、尺寸稳定性和阻燃性；但是因为没有在木材内部纤维结构中插入黏土纳米片，所以并未形成真正具有纳米结构的木材/黏土复合材料。因此，将轻木(Balsawood)用作模型材料，选用蒙脱土纳米黏土(由约1nm厚的硅酸盐堆积层组成，直径在100～400nm范围内)，通过浸渍将蒙脱土纳米片水解胶体引入脱木素木质支架内，形成了具有高阻燃性的纳米结构木质杂化物。


　　
　　尽管在商业材料应用中已有将无机物与木材结合起来的先例，但控制纳米级结构的方法仍未被尝试。通过将膨润土纳米片浸渍到木材通道中然后进行热压使材料致密化，制成了具有卓越阻燃性、隔热性和机械强度的木材层压板。
 

　　
　　膨润土纳米片的结构有利于形成氢键并增强与聚合物基体之间的界面相互作用，其厚度约为1nm，因此将膨润土纳米片嵌入到木腔或纳米孔内是可行的。另外，木材纤维素和无机填料之间优异的相容性有助于改善木材的阻燃性，且致密的木材层压板结构可提高材料机械强度。阻燃测试表明，与天然椴木相比，这种木材层压板的峰值放热率降低了50%以上。直接暴露在明火中7min后，木质层压板才开始燃烧，且从火焰中移出时会自动熄灭，这表明复合材料具有出色的阻燃性。木质层压板还具有330MPa的高抗拉强度，比原始材料高八倍以上。此外，木质层压板在轴向和径向上分别具有0.2W·m－1·K－1和0.18W·m－1·K－1的较低导热率。这种廉价、无毒且坚固的木质层压板可以满足节能建筑中高强度、阻燃性、终端绝缘材料的要求，在节能建筑领域具有广阔的前景。
 

　　
　　4、棉织物
　　
　　表面改性是在棉织物中增加阻燃性能的一种有效便捷的方法，而作为表面改性方法的一种，逐层组装技术(LbL)被认为是一种简单、功能强大且环保的表面改性方法，其由几种阳离子/阴离子循环沉积，通过产生3D多孔炭层使织物具有自熄性。将生物基阳离子淀粉(CS)和蒙脱土形成的纳米复合材料作为阻燃剂通过LbL技术层压到纯棉织物上；CS和黏土多层薄膜通过在高温下形成陶瓷炭层和具有热稳定的碳质结构来提高织物的热稳定性并改善阻燃性。锥形量热测试显示，LbL涂层织物的释热总值和热量释放能力较差；在垂直燃烧测试中，涂有LbL涂层的棉花样品余辉时间减少。
　　
　　凹凸棒石是一种含有水合氧化镁铝硅酸盐的非金属黏土矿物，其比表面积大、热稳定性高、环保高效、成本低。通过硫醇-烯点击反应，可将凹凸棒石接枝到棉织物的表面来制备阻燃棉织物，此方法促进了凹凸棒石在棉织物表面上的均匀接枝，所得的棉织物显示出优异的阻燃性能。与原始棉织物相比，所得阻燃棉织物的燃烧速率和最大烟密度值分别降低了42.39%和57.81%，而LOI值提高了38.38%。其优异的阻燃性能可归因于在燃烧过程中凹凸棒石分解形成了更稳定的氧化层，从而阻止了外部热量和氧气的输入以及基材释放的可燃气体的输出。用这种方法制得的阻燃棉织物对健康无危害，有利于促进无卤无磷阻燃棉织物的发展。
 

　　
　　5、纤维素
　　
　　在众多种类的纤维素中，具有纳米尺寸、大比表面积、独特微观结构等特性的纤维素纳米纤维(CNF)逐渐成为学者的重点研究对象，在大多数情况下，将CNF与无机或有机成分结合使用，可在不降低其热稳定性的前提下，大幅提高阻燃性。
　　
　　海泡石是由八面体-四面体-八面体的块状结构组成，呈针状和隧道状。海泡石的基本单元是在黏土表面附着有硅烷醇基的水合硅酸镁，其表面的羟基有利于与纤维素相互作用形成复合物。通过冷冻干燥工艺合成以CNF和海泡石为基础的有机-无机混合气凝胶。通过改变海泡石和CNF的浓度使其尺寸稳定、导热低以及阻燃。结果表明，制备的气凝胶具有出色的阻燃性，UL-94达到V-0等级，水平燃烧测试和火焰渗透证实了其隔热性和阻燃性。导热率结果也表明所制备的复合气凝胶具有良好的隔热性能。当涉及这种混合泡沫的工业生产时，所掺入组分的量及其来源起着重要作用。实际上，使用尽可能少量的成分，尤其是来自丰富自然资源的成分，将有效地简化加工条件并实现可持续生产。因此，为了尝试使用更少的组分来获得所需的阻燃性能，使用冷冻浇铸技术将磷酸化改性的CNF(P-CNF)与微纤维海泡石黏土混合，制得了轻质且阻燃的纳米结构泡沫。该泡沫具有出色的阻燃性能、较好的自熄行为和极低的热释放率。此外，还具有高耐火焰渗透性，这主要归因于P-CNF的固有炭化能力以及海泡石在材料表面形成的热保护膨胀型屏障的能力。由于海泡石颗粒的纳米级尺寸、其大比表面积和刚度以及与P-CNF的紧密相互作用，黏土纳米棒的掺入可显著提高纳米复合泡沫的机械强度和刚度。在这项研究中制备的新型泡沫有望在可持续建筑领域中发挥其巨大的应用潜力。
 

　　
　　6、天然橡胶
　　
　　将纳米黏土引入天然橡胶是一条经济、绿色的技术路线，可以显著提高天然橡胶的力学性能、耐热性、阻隔性和阻燃性。
　　
　　Liu等对有机改性埃洛石纳米管(OHNT)复合50%环氧化水平的天然橡胶(ENR-50)的理化性能进行了评价，并采用溶剂铸造技术制备了不同质量比的OHNT/ENR-50纳米复合材料。结果表明，ENR-50主要是通过氢键吸附在HNT表面，在ENR-50的存在下OHNT得到完全均匀分散，且随着OHNT含量的增加，ENR-50最大分解温度(Tmax)有所提高。纳米复合材料的力学性能表明，ENR-50的硬度和弹性模量随OHNT的加入而增加。极限氧指数测试表明，制备的OHNT/ENR-50纳米复合材料的LOI值高达48%～72%，属于自熄灭材料。研究表明，埃洛石等黏土矿物在增强橡胶等聚合物阻燃性能的过程中发挥了积极作用，制备的黏土基矿物复合材料OHNT/ENR-50在耐火涂料领域中具有广阔的应用前景。
　　
　　以N，N，N三(2-羟乙基)-N-十二烷基溴化铵(THDAB)对蒙脱石进行修饰，然后将其与乙二胺和丙烯酸甲酯的分支基团复合，成功制备了三代树枝状聚合物改性的有机黏土(DOMMT)，用于制备天然橡胶复合材料。结果表明，这些DOMMT具有扩展的层空间，并表现出良好的热稳定性。获得的复合材料的拉伸强度从15.2MPa提高到了17.3MPa。另外，NR/DOMMT复合材料的最大失重率随着DOMMT添加量的增加而降低，复合材料的水平燃烧时间增加，阻燃性能得到改善。以天然橡胶(NR)和高分子改性的有机蒙脱土(FR-DOMt)复合制备了一系列阻燃纳米复合材料，这些纳米复合材料的优点在于其良好的力学性能和阻燃性能。由于层状硅酸盐与弹性体之间复杂的相互作用，NR/FR-DOMt复合材料表现出较高的抗拉强度。通过锥形量热仪分析，当FR-DOMt加载20%(质量分数)时，NR的可燃性参数明显降低，特别是燃烧过程产生的CO烟气量远远低于纯NR，这归因于FR-DOMt中占据高比例的硼、硅等元素的抑烟能力。另外，炭渣缓慢燃烧结合有机黏土迁移到聚合物基体表面形成阻隔保护层，体现了黏土矿物优异的压制火焰能力。
 

　　
　　资料来源：《解维闵,梁晓正,赵晓光,杨华明.黏土矿物基纳米复合阻燃材料的研究进展[J].材料导报,2021,35(23):23192-23204》，由【粉体技术网】编辑整理，转载请注明出处！