bedrijfsnieuws over Nieuw nanomateriaal verbetert brandwerendheid en sterkte van TPU

Thermoplastisch polyurethaan (TPU) wordt al lang gewaardeerd vanwege zijn uitzonderlijke slijtvastheid, hechting en verwerkbaarheid, waardoor het een materiaal bij uitstek is in industrieën variërend van de automobielsector tot de ruimtevaart. De hoge ontvlambaarheid en de aanzienlijke rookuitstoot tijdens de verbranding hebben de toepassingen in de transport-, elektrische en textielsector echter beperkt.

De opkomst van nanovulstoffen heeft nieuwe mogelijkheden geopend om de vlamvertraging van TPU te verbeteren. Materialen zoals koolstofnanobuisjes (CNT's), grafeen-nanoplaatjes (BNP's), molybdeendisulfide (MoS₂) en grafeenoxide (GO) hebben aanzienlijke verbeteringen in de brandwerendheid van TPU aangetoond. Bijvoorbeeld:

• Nanocomposieten van TPU/grafeenschuim (TPU/GF), bereid via infiltratie, vertoonden een vermindering van 35,1% in de piekwarmteafgiftesnelheid (PHRR) vergeleken met pure TPU.
• TPU met 2,0 gew.% gefunctionaliseerde MoS₂bereikte een vermindering van 45,4% in PHRR.
• TPU-nanocomposieten gevuld met 2,7 gew.% BNP vertoonden een afname van 41,1% in PHRR.

Hoewel nanovulstoffen de vlamvertraging verbeteren, brengen ze vaak de taaiheid en elasticiteit van TPU in gevaar. Deze afweging heeft geleid tot de zoektocht naar een oplossing die tegelijkertijd de brandveiligheid en mechanische prestaties verbetert.

MXeen (Ti₃C₂T_X), een tweedimensionaal materiaal, heeft de aandacht getrokken vanwege zijn piëzo-elektrische, mechanische en elektronische eigenschappen. Studies suggereren het potentieel ervan in vlamvertragende polymeer nanocomposieten:

• Het toevoegen van 2,0 gew.% Ti₃C₂T_Xaan onverzadigde polyesterhars verminderde de PHRR en de totale koolmonoxideopbrengst (COTY) met respectievelijk 29,6% en 31,6%.
• TPU/Ti₃C₂T_Xnanocomposieten met 3,0 gew.% geëxfolieerd Ti₃C₂T_Xbereikte een reductie van 51,4% in de piekrookproductie (PSPR) en een afname van 57,1% in COTY.

Ondanks de indrukwekkende vlamvertragende eigenschappen blijft het vermogen van MXene om de mechanische prestaties te verbeteren beperkt.

DOPO-HQ (10-(2,5-dihydroxyfenyl)-9,10-dihydro-9-oxa-10-fosfafenantreen-10-oxide), een organische fosforverbinding, is veelbelovend gebleken als nanovulmiddel. Het verbetert niet alleen de vlamvertraging, maar verbetert ook de mechanische eigenschappen. Bijvoorbeeld:

• DOPO-HQ-gefunctionaliseerde GO (FGO-HQ) verminderde de totale warmteafgifte (THR) en de totale rookafgifte (TSR) van polymelkzuurnanocomposieten met respectievelijk 43,0% en 83,0%, terwijl de uitstekende mechanische prestaties behouden bleven.
• Nieuwe oligomeren op basis van DOPO-HQ en ferroceengroepen (PFDCHQ) verbeterden de brandveiligheid en Young's modulus van epoxy/PFDCHQ-composieten aanzienlijk.

Om de beperkingen van MXene aan te pakken, hebben onderzoekers de combinatie van Ti onderzocht₃C₂T_Xen DOPO-HQ. Een door waterstofbruggen geïnduceerde zelfassemblagebenadering werd gebruikt om een ​​nieuwe nanohybride (Ti₃C₂T_X-DH), dat vervolgens in TPU werd verwerkt.

Uit het onderzoek bleek dat het toevoegen van slechts 2,0 gew.% Ti₃C₂T_X-DH tot TPU verminderde de warmte- en rookafgifte aanzienlijk, terwijl de treksterkte en taaiheid werden verbeterd. De belangrijkste bevindingen zijn onder meer:

• Vlamvertraging:PHRR en rookemissie werden aanzienlijk verminderd, waardoor de brandveiligheid werd vergroot.
• Mechanische eigenschappen:Treksterkte, rek bij breuk en slagsterkte verbeterden allemaal.
• Thermische stabiliteit:Thermogravimetrische analyse (TGA) toonde verhoogde thermische ontledingstemperaturen aan, wat wijst op betere prestaties bij hoge temperaturen.

De effectiviteit van de nanohybride komt voort uit meerdere synergetische mechanismen:

• Fysieke barrière:Ti₃C₂T_Xnanosheets vormen een barrière die de verspreiding van hitte en rook vertraagt.
• Chemische vlamvertraging:DOPO-HQ laat fosforradicalen vrij die de verbranding remmen.
• Char-formatie:DOPO-HQ bevordert verkoling en creëert een beschermende laag die hitte en zuurstof blokkeert.
• Mechanische versterking:Ti₃C₂T_Xverbetert de sterkte, terwijl DOPO-HQ de spreiding en taaiheid verbetert.

Deze doorbraak opent deuren voor TPU in:

• Vervoer:Brandwerende auto-interieurs, vliegtuigonderdelen en hogesnelheidstreinstoelen.
• Elektronica:Vlamvertragende kabels, behuizingen en isolatiematerialen.
• Textiel:Beschermende kleding en brandwerende stoffen.
• Bouw:Brandwerende coatings en bouwmaterialen.

De ontwikkeling van Ti₃C₂T_X-DH vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van TPU-modificatie en biedt een evenwichtige verbetering van de vlamvertraging en mechanische eigenschappen. Deze innovatie maakt de weg vrij voor bredere toepassingen van TPU in alle sectoren, waardoor zowel de veiligheid als de prestaties worden gegarandeerd.