摘要
有机-无机杂化材料不仅能与聚合物基体良好相容，而且具有较高的热稳定性和结构可调性，常用于改善聚合物的阻燃性能和力学性能。金属有机框架材料(MOFs)由有机配体和无机组分（金属离子或团簇）络合而成，是一类有机无机杂化材料。关于MOFs及其衍生物改善聚合物热稳定性、阻燃性能及力学性能的研究很少。MOFs结构是其性能表现的基础，制备出含有阻燃单元、热稳定性优良的MOFs（或衍生物）是制备高性能聚合物/MOFs复合材料的关键。因此，开发出具有上述优点的MOFs（或衍生物）对改善复合材料的阻燃性能至关重要。本论文首先研究MOFs的种类及组分（有机配体和金属单元）对聚合物燃烧行为的影响。其次，设计两种改性方法将阻燃元素引入到MOFs的结构中，以提高MOFs的阻燃效率。最后以阻燃机理为指导，制备出两种层状MOFs衍生物并研究其对聚合物阻燃性能的影响。取得的研究进展如下: 1.制备并研究MIL-53(Fe)和ZIF-67对聚苯乙烯(PS)热稳定性、阻燃性能的影响，研究了MOFs的降解过程及其气相、凝聚相降解产物，分析了MOFs的结构及其降解产物对聚合物性能的影响。MOFs的添加可以显著改善聚合物复合材料的热稳定性和阻燃性。MOFs的添加可显著抑制PS燃烧产物中的毒性CO的释放。初步分析了MOFs的阻燃作用机理。 2.研究MOFs的成分对聚合物热稳定性、阻燃性能的影响，选用三种有机配体（对苯二甲酸、均苯三甲酸、2-甲基咪唑）和多种过渡金属元素（铝、镉、钴、锌、铁、铜）制备出十种MOFs，并将其添加到聚合物中（环氧树脂和聚苯乙烯）。MOFs的添加可显著改善复合材料的阻燃性能。对比分析各种聚合物/MOFs复合材料的燃烧行为可以发现，相对于有机配体，MOFs中金属部分在改善聚合物阻燃性能方面起决定性作用，其中，钴基MOFs相对于其他过渡金属基MOFs表现出较为优异的阻燃性能。 3.制备出具有三维纳米结构的镍基MOF/氧化石墨(GOF)材料，并研究其对聚合物阻燃性能及烟气释放行为的影响。与PS相比，GOF明显降低复合材料的PHRR和总热释放(THR)值（分别降低33％和16.7％），表明GOF的添加显著改善了PS的阻燃性。同时GOF可显著抑制聚合物燃烧过程中CO的释放，PS/GOF的总CO释放量与PS相比减少超过50％。GO与Ni-MOF在改善PS火安全性能上存在协同效应。该工作为设计高效的MOFs基阻燃剂提供了可行的方案。 4.研究含阻燃元素MOFs对聚合物阻燃性能的影响，制备了含磷Co-MOF(P-MOF)和DOPO接枝改性的Co-MOF(DOPO@Co-MOF)。P-MOF是由含磷配体制备，DOPO@Co-MOF通过DOPO后处理含席夫碱结构的Co-MOF制备。两种含阻燃元素的MOFs都可显著改善聚合物的热稳定性、阻燃性及其力学性能。分子设计是获得高性能MOFs的有效方法，将阻燃元素引入到MOFs结构中，既保存了MOFs与聚合物基体的相容性，又显著提高MOFs作为阻燃剂的效率。 5.制备出两种二维MOFs衍生物:层状Co-Ni双氢氧化物(Co-Ni LDHs)和氮化碳(C2N)纳米片，并将其添加到聚合物基体中，研究MOFs的二维衍生物对聚合物的热稳定性、阻燃性能及力学性能的影响。利用MOFs为Co源制备的Co-Ni LDHs具有多孔结构;MOFs作为碳源制备的C2N，不仅制备速度快，而且与PLA具有很好的相容性。结果表明，这两类二维纳米材料都具有很高的阻燃效率。Co-Ni LDHs还具有很好的抑烟减毒效果，C2N则改善聚合物阻燃性能的同时提升了PLA的强度和韧性。
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