摘 要：黄麻纤维复合材料由于具有诸多优点，逐渐取代了玻璃纤维增强复合材料在市场中的份额，然而这类材料的易燃性却限制了其在阻燃要求较高的建筑与汽车工业领域的广泛应用，因此阻燃改性处理势在必行。综述了近年来黄麻纤维复合材料阻燃改性的研究进展，具体叙述了4种阻燃改性方法（化学反应修饰法、浸轧烘焙法、表面撒粉法和涂层法），并进行了对比。此外，指出了黄麻纤维复合材料阻燃改性的未来发展趋势。
关键词：黄麻纤维复合材料；阻燃；改性；机理
黄麻纤维是最廉价的天然纤维之一，呈白色、有光泽、吸湿性能优越、散水好、透气性好、易生物降解，且力学性能优异。黄麻纤维密度约为玻璃纤维的3/5，但成本仅约为玻璃纤维的1/6，与热塑性树脂结合，能开发出可降解和再生的绿色复合材料。黄麻纤维复合材料降噪能力较强，MOHANTY等通过热压工艺制备了一种碱处理后黄麻纤维与天然橡胶的复合材料，发现在31.5~8000Hz全频段都有明显降噪效果，因此，黄麻纤维复合材料在汽车、建筑等工业领域具有良好的发展前景和创新空间，是一种应用价值较高、使用范围广泛的植物纤维复合材料。黄麻纤维主要包含多羟基结构的半纤维素和纤维素，因此易燃烧的特性成为黄麻纤维复合材料在使用过程中亟待解决的问题之一。随着工业企业应用对阻燃要求的不断提高，黄麻纤维复合材料阻燃改性的研究就愈发显得重要。
根据处理工艺的不同，黄麻纤维复合材料的阻燃改性方法主要分为化学反应修饰法、浸轧烘焙法、表面撒粉法和涂层法4种。下面分别从相关机理和实用角度等方面介绍国内外黄麻纤维复合材料阻燃改性的研究进展。
1化学反应修饰法阻燃改性
化学反应修饰法主要利用麻纤维表面活性的羟基官能团易和一些反应型阻燃剂发生化学键结合的特点，使阻燃剂分子到达纤维的表面，达到阻燃的目的。YU等以磷基化合物（DOPO-ICN）为阻燃剂对黄麻纤维增强聚乳酸复合材料完成了阻燃处理，结果证明，处理后的复合材料阻燃效果显著，而且力学性能也有所提升。赖金琼选用DOPO型硅烷偶联剂对黄麻纤维进行处理，结果表明其最佳处理质量分数为10％，最佳处理时间为2h，使得复合材料的阻燃性能有较大提高。周双等先用NaOH溶液对黄麻纤维进行预处理后再制备复合材料，结果表明，用1mol·L-1的NaOH溶液浸泡黄麻纤维48h后制备的复合材料耐热性能提高，维卡软化温度由97.5℃升至101.3℃。SUARDANA等将黄麻纤维置于不同浓度的磷酸氢二铵（DAP）溶液中并在160℃下反应1h，烘干得到阻燃黄麻纤维再与聚丙烯制成复合材料。实验结论表现为，增大DAP浓度后，复合材料的燃烧速率、质量损失速率均不同程度降低，DAP质量分数为5％时，复合材料在500℃时残炭率由5.35％提高至16.43％，阻燃性能明显提升。
2浸轧烘焙法阻燃改性
该方法是纤维织物最常用的阻燃整理工艺，多采用混合阻燃液的形式（染色剂、渗透剂、阻燃剂、表面活性剂等），简单的工艺处理却可获得持久性较好的阻燃特性，但纤维复合材料的触觉柔韧性会有所降低。杜兆芳等选用的阻燃液为复合型FR-PG-G，通过浸轧并烘干黄麻纤维复合材料的针剌毡，使得复合材料的极限氧指数（LOI）明显提高至大于35%，但另一方面，却造成了力学性能不同比例的降低。焦永胜制成黄麻纤维/可溶性聚芳醚酮（PEK-M）复合材料，结果显示，当黄麻纤维的含量较低时，复合材料的阻燃性能较好，黄麻纤维是复合材料阻燃性能的主要影响因素，且选择高性能PEK-M基体会使复合材料的阻燃效果更为突出，因而不再添加阻燃剂、抗氧剂等助剂。BASAK等使用不同浓度的九水偏硅酸钠（SMSN）对黄麻纤维复合材料进行阻燃处理，结果表明，使用2％质量分数的SMSN可以使黄麻纤维复合材料的垂直燃烧速率较处理前降低90%，同时LOI由21％增大到29％。于涛采用磷系的9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）作为阻燃剂对黄麻纤维/聚乳酸复合材料进行了阻燃处理，使黄麻纤维/聚乳酸复合材料的阻燃性能得到了极大的提高，当DOPO质量分数为5%时，黄麻纤维/聚乳酸复合材料的防火可达到UL94V-0级。
3表面撒粉法阻燃改性
表面撒粉法的阻燃处理方式相对比较新颖，流程简单，阻燃剂直接选取粉末状固体即可。窦艳丽等采用分层撒粉法制备阻燃黄麻纤维/聚丙烯（PP）复合材料，当β-环糊精（β-CD）与聚磷酸铵（APP）以质量比为1∶2复配时，黄麻纤维/PP复合材料阻燃特性表现突出。当阻燃剂质量占比为20%时，黄麻纤维/PP复合材料的LOI值可达26.6%，相当于日本JISD1201-77标准中规定的第三难燃等级。阻燃剂含量的升高会导致黄麻纤维/PP复合材料的水平燃烧速率下降，甚至于自熄，随着APP占比的提高，自熄时间逐渐缩短，最少为58s。郭博渊在实验中证明，当黄麻纤维上下表面喷洒不同比例的APP粉和可膨胀石墨（EG）粉时，提高EG含量，黄麻纤维/PP复合材料即会出现自熄现象。主要原因是，在燃烧时，EG分解形成较多蠕虫状的炭层，同时释放出如CO2、SO2等惰性气体，提供了APP膨胀阻燃所需的炭源和气源，因此最大程度地实现了APP对黄麻纤维/PP复合材料的高效阻燃，确保了复合材料的阻燃特性最优化。DOU等将APP粉末散布在黄麻纤维/PP无纺布毡的表面，然后转化为阻燃层热压成黄麻纤维/PP复合材料，与预浸渍法相比，复合材料的阻燃性和力学性能均有显著提高。张天琪采用将不同含量的β-CD均匀往复地撒到黄麻纤维/PP复合材料毡表面，再在平板硫化机上进行热压成型。结果表明，β-CD的加入可以降低黄麻纤维/PP复合材料在热分解时形成挥发物中的可燃成分，提高复合材料的阻燃性能。
4涂层法阻燃改性
先将阻燃剂与树脂按一定比例均匀混合，再利用树脂的黏结性将混合液涂于纤维织物表面，即为涂层法。该方法的优点是阻燃效果较好且作用时间较长，缺点是表层树脂固化后硬度变大对应用造成影响。WILLIAMS等通过实验发现，以氰酸三烯丙酯为交联剂的乙烯基膦酸（VPA）原位光聚合的涂层不仅对纤维增强环氧树脂复合材料（GRE）有效，而且对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）这种热塑性材料亦有效。基于VPA的含磷防火涂料——新型层合之间的防火涂层，提高了两者之间的附着力涂层，在一定程度上显著改善了复合材料的阻燃性。DOU等制备了不同质量分数的双酚A-环氧丙烯-酸酯（BAEA）、2-羟乙基甲基丙烯酸磷酸酯（PM-2）和聚氨酯丙烯酸酯（PUA）的AUV固化阻燃涂料，通过调整PUA和PM-2的含量，为黄麻纤维/PP复合材料制备了更好的阻燃涂层。随着PM-2含量的增加，LOI值变大，水平燃烧速率降低，复合材料热稳定性更好，残炭质量分数在650℃时可达16.07%，锥形量热试验中带涂层的复合材料的热释放速率峰值、有效燃烧热及总产烟率均被有效抑制。扫描电子显微镜（SEM）显示，复合材料表面产生了致密光滑的炭层，使其难以释放燃烧产生的热量，抑制了复合材料的燃烧。当PUA和PM-2共存时，最终双键转化率可以达到84.23%，LOI可达25.1%，达到难燃水平。
5结束语
以上4种阻燃改性方法中，化学反应修饰法对生产设备要求偏高；浸轧烘焙法在一定程度上影响了复合材料的力学性能、拉伸强度；表面撒粉法是选择较多且相对稳定的方法；涂层法对纤维织物的应用有一定影响。
当前阻燃剂的创新发展中，占主导地位的还是含磷、氮和卤素元素的阻燃剂，而这些阻燃剂的使用常常需在酸性条件才能发挥其作用，虽然提高了阻燃性，但也因此导致经阻燃处理后的黄麻纤维失去拉伸强度，变得更加坚硬。由硅酸钠、EG和聚羧酸等组成的膨胀型阻燃剂，造成了复合材料的机械、电、绝缘等性能不同程度的降低，更为严重的是，大幅度减弱的拉伸和抗冲击强度严重阻碍了工业企业的多方面应用，即使这种阻燃处理的程序绿色无污染，但其弊端仍十分明显。由此可见，针对黄麻纤维复合材料，开发性价比更高、环保性更优、持久性更强的阻燃改性方法为众多科技人员提供了具有诸多挑战性的研究课题。阻燃改性的提升虽然可以为黄麻纤维复合材料的使用提供有力的性能价值，但在一定程度上会影响其绿色可降解性能。另外，阻燃改性时使用的化学试剂还会带来一些不可避免的环境污染，随着时间的延长，添加的阻燃剂还会有小分子迁移到复合材料表面，进而影响复合材料的外观和相关性能。
综上所述，研发高度交联型及原位反应型绿色阻燃剂以及采用低碳环保、性价比高、低烟低毒的阻燃方法是提高黄麻纤维复合材料阻燃性能的发展趋势。
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文章摘自：王海蓉，曲芳，盛泓皓，祝贺，邵永轩，黄麻纤维复合材料阻燃改性的研究进展[J].辽宁化工，2023，52(06)：860-862.
