聚合物蒙脱土复合材料已应用于薄膜、涂层或气凝胶等许多领域，但阻燃纤维材料的相关研究报道较少。硼化镁（MgB2）是由六方硼层与镁原子交替排列的层状化合物，薄层的MgB2纳米片不仅可以作为物理屏障限制传质、传热和可燃性气体的扩散，而且还可以促进碳的形成。因此，剥离的蒙脱土（MMT）纳米片和MgB2纳米片之间是否在纤维中存在协同阻燃效应，从而获得更好的阻燃性能值得深入研究。
最近，陕西师范大学的刘宗怀教授团队以聚乙烯醇（PVA）为基体，剥离的MMT纳米片和MgB2纳米片为交联单元，采用湿法纺丝法制备了具有优异力学性能和阻燃性能的PVA/MMT/MgB2复合纤维（图1）。该研究工作以“Polyvinyl
alcohol/montmorillonite/magnesium diboride fibers with superior flame
retardancy, strength, and flexibility”为题发表在《Chemical Engineering
Journal》上。文章第一作者是陕西师范大学材料科学与工程学院的王伟，陕西师范大学的刘宗怀教授和张楠为论文的通讯作者。
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图1. 湿法纺丝法制备PVA/MMT/MgB2复合纤维的工艺示意图。由图2可以看出，当MgB2纳米片添加量为5 %时，拉伸强度可达304
MPa，断裂伸长率为9.8 %，远高于PVA/MMT-50复合纤维。PVA/MMT/MgB2-5复合纤维的弹性模量高达4000 MPa，这表明制备的PVA/MMT/MgB2-5复合纤维具有良好的柔韧性和优异的力学性能。
图2. 不同 MgB2添加量的PVA/MMT/MgB2复合纤维：（a）2 %；（b）5 %和（c）7 %；（d）PVA/MMT/MgB2-5纤维的柔韧性：干燥条件下的打结纤维；（e）机织织物；（f）承载200 g质量的纤维的图像；（g）PVA/MMT-50和不同量的MgB2纳米片添加的PVA/MMT/MgB2复合纤维的应力-应变曲线。纯PVA纤维的LOI（极限氧指数）仅为18.8
%，PVA/MMT/MgB2-5复合纤维的LOI达到49.8
%。如图3所示，在UL-94测试中，纯PVA纤维比较易燃，只需13 s即完全燃烧，且液滴可以点燃棉花。PVA/MMT-50纤维和PVA/MMT/MgB2-5纤维均达到了V-0等级。PVA/MMT/MgB2-5的t1燃烧时间更短仅1.5 s，具有更好的阻燃性。在微型量热测试中（图4），PVA/MMT/MgB2-5复合纤维放热峰移至272 ℃，PHRR（热释放速率峰值）为52.4
W g-1，THR（总热释放量）为8.5 kJ g-1，分别比纯PVA纤维降低89
%和85 %。同时添加MMT纳米片和MgB2纳米片可以促进PVA的分解，导致分解温度急剧降低，并促进纤维表面炭层的形成。![]()
图3.（a）PVA、（b）PVA/MMT-50和（c）PVA/MMT/MgB2-5纤维的点火燃烧过程图。（d，h）PVA纤维、（e，i）PVA/MMT-50纤维和（f，j）PVA/MMT/MgB2-5纤维的低、高倍率FE-SEM图像、（g，k）PVA/MMT/MgB2-5纤维在燃烧后的截面图。
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图4. PVA、PVA/MMT-50和含不同MgB2纳米片添加量的PVA/MMT/MgB2纤维的HRR曲线。【阻燃机理】
PVA/MMT/MgB2-5复合纤维的阻燃机理如图5所示。首先，PVA和MgB2纳米片之间通过共价键形成化学交联。剥离后的MgB2纳米片表现出良好的亲水性和缺镁特性，使部分B原子处于相对活跃状态。这些B原子与PVA的羟基反应形成B-O共价键。因此，复合纤维的炭层更为致密。此外，MMT纳米片和MgB2 纳米片可以与PVA交联，形成有效的物理屏障来抑制热反馈、可燃挥发物的释放和氧气的进入，从而显著增强了阻燃性能。图5. PVA/MMT/MgB2-5复合纤维的阻燃机制。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142261
作者|江惠
校审|刘杰
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