摘要
聚碳酸酯（PC）被广泛用于电子电器、汽车、航空航天及日用品等行业。PC本身具有一定的阻燃性，但近年来电子电气火灾频发，对PC的阻燃性提出了更高的要求。含硅阻燃剂是一种优良的无卤新型阻燃剂，在聚合物基体中有良好的分散性、相容性，可与聚合物制备成纳米复合物。由于高温下的裂解/燃烧反应较为复杂，为进一步研究含硅阻燃剂对PC的阻燃机理，本文使用反应分子动力学（ReaxFF）方法从分子水平上研究了有机无机杂化八苯基硅倍半氧烷（OPS）阻燃PC的热解过程和燃烧特性，采用无机二氧化硅（SiO2）和有机硅六甲基二苯基硅氧烷（DPS）作对比，探讨了不同温度对PC及其阻燃体系的热解及燃烧产物的影响规律，从分子层面解释了PC/含硅阻燃剂的分解机理，主要内容如下： （1）构建合理的PC与PC/OPS的分子模型，采用ReaxFF模拟方法研究2000-4000K温度下的PC和PC/OPS的热解过程，分析了其初始分解机理、产物分布和阻燃机理。研究发现PC分子链的分解是由C-O键断裂引起的，OPS分子的分解是由C-Si键断裂引起的。部分C-Si键的断裂使OPS从笼状结构变为层状或网状结构，这种结构已被证明可以抑制热量和易燃易挥发气体产物的扩散，进而提高材料的阻燃性。从PC和PC/OPS复合材料的势能和分解时间来看，OPS的加入减缓了PC分子链的分解速度，提高了复合材料的热稳定性，与报道结果一致。PC/OPS复合材料热解产生的CO2、CO、C6H5OH及其衍生物的含量在反应后期低于纯PC，这是因为OPS分解后产生的不饱和Si原子吸附了含氧小分子从而抑制了这些有害物质。此外，OPS促进了一些产物结合成碳团簇和热稳定有机片段。 （2）研究了贫氧、化学计量和富氧条件以及不同温度下PC及PC/OPS的燃烧特性。不饱和的硅原子会在反应过程中吸附氧气来扩大硅氧结构，这一特性有利于硅氧结构形成隔热隔氧保护层。PC/OPS在低温和低氧条件下可以保持一定的抑烟性能，但在高温和高氧气浓度下却失去了这种效果，这是由于在高温的高氧气浓度下PC/OPS体系充分燃烧导致的。此外，PC/OPS体系还生成了更多的水。OPS提高了PC燃烧反应的活化能，OPS会对PC材料的燃烧反应过程起到抑制作用。 （3）建立了PC/SiO2和PC/DPS两种阻燃分子模型，采用ReaxFF方法研究其热解和阻燃特性。三种阻燃剂的加入都降低了复合材料的势能，使复合材料处于相对稳定的状态。三种阻燃体系对烟气、有害气体均有抑制作用，但有机-无机杂化的PC/OPS体系的综合性能最为优良。各体系活化能相对于纯PC均有所提升，说明硅系阻燃剂对材料的热解反应起到了抑制的作用。通过多个角度对比，发现硅系阻燃剂对烟气、有害气体均有抑制作用，并提高残碳率，延缓热分解。其中有机-无机杂化的OPS的效果最好。 因此，ReaxFF方法可以有效地用于研究PC/含硅阻燃剂复合材料的热解机理，也为阻燃性的理论预测和分析提供新的方法。
NETL