改性纳米炭黑怎么加？能否让PC的阻燃和机械性能都UP UP↑

发布时间：2025.07.11

纳米炭黑（CB)

纳米炭黑(CB)是一种具有耐热性、阻燃性、导电性和价格低廉的功能性填料，其表面具有阻聚基团，在燃烧过程中能够捕获自由基，具有较好的阻燃潜力，近年来被广泛应用于聚合物阻燃性能的改性研究。

本文在PC基体中掺杂0.5%~3.0%的氨丙基双封端二甲基硅油接枝改性纳米炭黑(MCB)，如表1，并利用万能试验机、极限氧指数仪、锥形量热仪和热失重仪探究PC/CB复合材料的力学性能、热稳定性、总放热量和总烟量随着CB掺杂量的变化，以改善PC性能，旨在为相关领域研究提供参考。

一、极限氧指数（LOI）

LOI是评估材料燃烧难易程度的重要指标，图1为改性前后复合材料的LOI。

从图1可以看出，随着MCB含量的增加，PC复合材料的LOI逐渐增大，其中PC的LOI为26.5%(<27%)，在垂直燃烧测试中出现熔滴现象，材料的阻燃等级为V-2，阻燃能力较差。

PC/MCB2.0%的LOI为33.5%，相比PC提高26.4%，且燃烧过程中几乎无熔融物滴落，材料的阻燃性能达到V-0，具有较好的阻燃性能。

当MCB掺杂质量分数为3.0%时，PC复合材料的LOI为33.9%，相比PC/MCB2.0%提升并不明显，说明继续增加MCB的含量对复合材料的阻燃性能的提升不明显。

二、热释放速率（HRR）

从图2可以看出，未经改性的PC复合材料的PHRR为612 kW/m2；当MCB掺杂质量分数为0.5%时，复合材料的PHRR为545 kW/m2，降低10.9%；当掺杂质量分数2.0%和3.0%的MCB时，复合材料的PHRR分别为260 kW/m2和234 kW/m2，分别降低57.5%和61.8%，且二者HRR曲线相似，较为平缓。

这说明随着MCB掺杂量的增加，PC/MCB复合材料的阻燃性能逐渐增加。这是由于MCB在燃烧过程中形成残炭，减少了热释放。

此外，随着MCB的掺杂量的增加，PC/MCB复合材料的HRR曲线峰值左移，这是由于掺杂的MCB热分解温度较差，PC分子链提前降解所致。

三、烟生成速率、CO2和CO产生速率

聚合物在燃烧过程中会释放出大量的有毒气体，严重危害人的生命健康和财产安全，因此优异的阻燃材料应具有较低的烟雾释放量。图3为改性前后的复合材料的烟生成速率、CO2和CO的产生速率。

从图3可以看出，未经改性的PC的烟生成速率较高，峰值为0.22m2/s。

随着MCB含量的增加，复合材料的烟生成速率逐渐降低。

其中PC/MCB2.0%的烟生成速率峰值为0.13 m2/s，降低40.9%，且随着MCB含量的增加，复合材料的烟生成速率曲线逐渐平缓，材料的抑烟性能逐渐增强。

这是由于未经改性的PC燃烧后表面会形成多孔结构，烟雾释放量较多，而纳米MCB改性后的PC复合材料在燃烧过程中会形成致密炭层，覆盖在聚合物表面，形成保护层，抑制了烟雾的释放，减少了氧气交换，使材料的阻燃性能明显提升。

此外，相比未经改性的PC材料，PC/MCB2.0%复合材料的CO2和CO烟雾产生速率峰值分别为0.17 g/s和0.006 g/s，降低60.5%和61.0%。这从侧面说明MCB的加入能够明显减少有毒性小分子的产生和释放，复合材料具有较好的抑烟性能。

四、TG曲线

从图4可以看出，未经改性的PC热分解曲线只有1个降解过程，其5%热失重温度约为478℃，800℃时材料的残炭率24.6%。

经2.0%MCB改性后的PC复合材料的5%热失重温度约435℃，相比PC减少43℃，且800℃时材料的残炭率也有所降低，约为20.8%。这是由于改性的纳米MCB的化学性质较为活泼，其热分解温度较低，一般为340℃，将其加入PC基体中会对PC分子链分解产生催化作用，使材料的热分解提前，最终PC复合材料的5%热失重温度和残炭率有所降低。

值得注意的是，随着MCB的质量分数从0.5%增加至3.0%，PC热分解过程仍然为一个阶段，且复合材料的5%热失重温度和残炭率变化不大，这表明MCB与基体具有较好的相容性，其掺杂后对PC材料的热稳定性影响不大。

五、拉伸强度和断裂伸长率

从图5可以看出，随着MCB含量的增加，PC/MCB复合材料的拉伸强度整体呈现逐渐增加的趋势，而断裂伸长率整体呈现逐渐降低的趋势。

其中，未经改性的PC的拉伸强度为63.1 MPa，断裂伸长率为78.4%。

而PCB/MCB3.0%的拉伸强度为65.9 MPa，相比PC提高4.4%，断裂伸长率为70.6%，相比PC降低9.9%。这是由于MCB为无机多孔纳米粒子，改性后相容性较好，能够在PC中均匀分散，PC基体中粒子点与PC分子链相互作用，形成缠结点，限制了PC分子链的自由运动，使复合材料的拉伸强度增加，断裂伸长率有所降低。