钼酸铈纳米片作为多功能阻燃剂，用于提升ABS复合材料的消防安全性和机械强度

《Materials Today Communications》：Cerium Molybdate Nanosheets as a Multifunctional Flame Retardant for Enhancing Fire Safety and Mechanical Strength of ABS Composites

通过熔融共混将氢热法制备的Ce2(MoO4)3纳米片（CM） incorporated into ABS基体，显著提升复合材料阻燃及抑烟性能。15wt% CM loading使PHRR降低39.4%，PSPR下降40.5%，燃点延迟26秒，残炭量从0.89wt%增至15.97wt%。CM纳米片在燃烧时迁移形成富Ce/Mo chars层，兼具自由基淬灭和成炭阻燃机制，同时改善热稳定性但导致部分力学性能下降。

　　在当今社会，随着对材料安全性的关注日益增加，塑料材料的防火性能成为了研究的重要方向。其中，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）作为一种广泛应用于仪器、汽车和消费电子等领域的高性能聚合物，因其优异的化学稳定性、刚性、表面光泽和抗冲击性而受到青睐。然而，ABS材料本身具有较高的可燃性，这主要体现在其较低的极限氧指数（LOI），通常仅为约18%。这意味着在空气中，ABS材料很容易燃烧，且燃烧过程中会释放大量烟雾和有毒气体，如氰化氢（HCN）、氮氧化物（NOx）、氨（NH3）和一氧化碳（CO），这些物质不仅对环境造成威胁，也对人体健康构成严重风险。

为了提升ABS材料的防火性能，研究人员尝试了多种方法，其中卤素自由型的纳米阻燃剂因其独特的性能而受到广泛关注。与传统的卤素阻燃剂不同，纳米阻燃剂能够在燃烧过程中通过其独特的热稳定性和结构特性，提供更有效的阻燃效果。例如，某些纳米阻燃剂能够通过化学协同作用和催化碳化能力，有效减少燃烧释放的热量和烟雾。此外，纳米结构还能够增强材料的机械性能，使其在保持高强度和韧性的同时，提高整体的耐久性和抗老化能力。

在本研究中，科学家们开发了一种基于稀土元素的新型阻燃材料——二价铈钼酸盐（Ce?(MoO?)?，简称CM）纳米片。这种材料不仅具有良好的热稳定性和阻燃性能，还能够在燃烧过程中形成保护性的炭层，从而有效隔绝热量和氧气。为了实现这一目标，研究人员采用了一种水热法来合成CM纳米片，并将其加入到ABS材料中，形成ABS/CM复合材料。通过实验测试，研究人员发现，在CM纳米片的添加量达到15%时，复合材料的峰值热释放率（PHRR）和峰值烟雾释放率（PSPR）分别降低了39.4%和40.5%，而点燃时间则增加了26秒。这表明CM纳米片在提升ABS材料防火性能方面具有显著效果。

同时，CM纳米片的加入还对ABS材料的机械性能产生了积极影响。在15%的CM添加量下，复合材料的拉伸强度提高了12.8%，但断裂伸长率则降低了48.2%。这说明虽然CM纳米片在一定程度上增强了材料的刚性，但同时也减少了其延展性。然而，这种性能的变化在实际应用中是可以接受的，因为材料的防火性能提升通常更为关键。此外，CM纳米片的加入还显著提高了ABS材料的热稳定性。在600°C的高温条件下，复合材料的残余炭产率从纯ABS材料的0.89%提升到了15.97%。这一结果表明，CM纳米片在燃烧过程中能够有效促进炭层的形成，从而提供额外的热保护。

为了进一步了解CM纳米片在ABS材料中的作用机制，研究人员进行了详细的分析。实验结果表明，CM纳米片在燃烧过程中会迁移到复合材料的表面，形成一种富含铈和钼的保护性炭层。这种炭层能够通过凝聚相作用，有效隔绝热量和氧气，从而降低燃烧速率和释放的烟雾量。这一机制不仅能够提高ABS材料的防火性能，还能够减少燃烧过程中产生的有毒气体，从而改善环境安全和人体健康状况。

在实验方法上，研究人员首先通过水热法合成了CM纳米片，并对其微观结构和化学组成进行了全面表征。随后，他们将CM纳米片与ABS材料通过熔融共混的方法制备成复合材料，并利用透射电子显微镜（TEM）分析了CM纳米片在ABS基体中的分散状态。此外，研究人员还通过机械测试、热重分析（TGA）和锥形量热仪（cone calorimetry）等方法，系统评估了纯ABS材料和ABS/CM复合材料的机械、热和阻燃性能。

本研究的主要创新点在于，通过设计具有特定化学协同效应和二维结构的CM纳米片，实现了对ABS材料的多功能增强。这种设计不仅提高了材料的防火性能，还改善了其热稳定性和机械性能。通过实验数据的分析，研究人员验证了CM纳米片在燃烧过程中形成的保护性炭层的有效性，以及其在提升材料性能方面的潜力。

此外，本研究还探讨了CM纳米片与其他阻燃剂的协同作用。例如，研究人员发现，CM纳米片能够与传统的膨胀型阻燃剂和氢氧化铝等材料协同作用，有效降低聚合物材料的热释放率和烟雾释放率。这一发现表明，CM纳米片不仅能够作为独立的阻燃剂使用，还能够在与其他阻燃剂的组合中发挥更高效的阻燃效果。

在实验材料的选择上，研究人员使用了高质量的ABS树脂（DG-417，注射级）作为基体材料，并采用高纯度的硝酸铈六水合物（Ce(NO?)?·6H?O）和钼酸铵（(NH?)?MoO?）作为CM纳米片的前驱体。这些材料均未经过额外的纯化处理，直接用于实验。通过这种方法，研究人员确保了实验结果的准确性和可靠性。

在实验过程中，研究人员还对CM纳米片的合成方法进行了优化。例如，通过调整反应条件和前驱体的配比，他们能够控制CM纳米片的尺寸和形态，从而提高其在ABS基体中的分散性和阻燃效果。此外，研究人员还对CM纳米片的表面特性进行了分析，发现其表面具有丰富的官能团，这些官能团能够促进与ABS基体的相互作用，从而增强复合材料的整体性能。

综上所述，本研究通过合成和表征二价铈钼酸盐（CM）纳米片，将其作为高效的卤素自由型多功能添加剂，显著提升了ABS材料的防火性能、烟雾抑制能力和热稳定性。这些研究成果不仅为开发新型阻燃材料提供了理论依据，还为提高聚合物材料的安全性提供了实践指导。未来，研究人员可以进一步探索CM纳米片在其他聚合物材料中的应用，以及其与其他阻燃剂的协同作用，从而开发出更加高效和环保的阻燃材料。