离子液体如何阻燃高分子材料

离子液体（IL）是以离子形式存在的液体，定义为100℃以下或者室温下以液体形式存在的盐，被认为是一种绿色的溶剂和催化剂。历史上第一个离子液体被认为是1914年由Paul Walden制得的硝酸乙基铵（[C₂H₅NH₃][NO₃]，EAN)。

根据阳离子的不同，离子液体可分为咪唑盐、吡咯盐、季铵盐、季鳞盐、吡咯烷盐、哌啶盐。根据阴离子的不同，离子液体可以分为三氯化铝型、非三氯化铝型及其他特殊型。

部分离子液体国内外生产商

离子液体应用于阻燃的可行性

可行性

绝大多数离子液体的热分解温度集中在170~430 ℃ (450~700 K）之间，较高的热分解温度，使其添加到聚合物中提高了复合材料的热稳定性。

阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子等的离子液体中含有卤素、氮、磷、硼等阻燃元素，为其发挥阻燃作用提供了可能。

离子液体对Friedel-crafts 烷基化等反应有催化作用，如果聚合物在分解的过程中发生此反应，离子液体可以改善残炭含量，并可能降低烟气产生。

此外，离子液体的结构可设计性也为其阻燃改性提供了基础，一是通过结构设计可以将更多的阻燃元素引入其中，二是引入易成炭结构单元，促进炭层产生阻止热量和气体交换。

离子液体的固化行为

依据阻燃理论，将阻燃元素直接引入到聚合物分子结构中能提高原子的利用效率，实现本征阻燃。许多研究关注了离子液体对环氧树脂的固化行为和阻燃性能的双重影响。具体而言，离子液体化学结构中的富电子基团在环氧开环和环氧预聚过程中通过亲核加成参与了环氧树脂的三维网络形成，这些富电子基团包括咪唑环、季磷、季铵。

截图来源：中国知网

以咪唑环为例，咪唑基离子液体对环氧树脂的固化行为具有显著影响，由于共轭效应，咪唑环内氮原子的电子云密度增大。在环氧固化的过程中，富电子的氮原子参与进攻环氧基团，然后通过质子转移生成氧负离子，氧负离子继续进攻剩余的环氧基团，最后生成环氧三维网络。

离子液体阻燃聚合物材料

离子液体阻燃优势

高度灵活的分子设计性：离子液体种类繁多，阻燃元素，如磷、氮、硼等容易被引入到阴离子或阳离子结构中;

离子液体与部分聚合物之间存在良好的界面相互作用，可以有效提高添加物在聚合物中的分散性和相容性，更大程度提高阻燃效果；

离子液体易于和无机材料结合，实现更好的协同阻燃效果。在阻燃聚合物的研究中所使用的离子液体几乎为有机离子液体。

此外，聚离子液体的开发与在阻燃领域的应用也得到了关注。聚离子液体表现出聚合物和离子液体的共同特点。聚离子液体作为聚合物阻燃剂具有低迁移率、高阻燃元素含量、基体良好的相互作用等优势。

离子液体协同无机材料

离子液体与无机材料的相互作用是离子液体协同无机材料提升聚合物阻燃性能的必要前提。研究表明，离子液体与无机材料之间不仅能通过化学键合方式构建杂化体材料，还可以通过静电吸附、氢键、π-π堆叠形式实现物理吸附结合（非化学键作用)。

离子液体可以通过静电作用吸附在片层的内部和表面。同时，由于离子液体的高热稳定性，离子液体较传统有机表面活性剂更能提升纳米材料和复合材料的热稳定性。添加物的良好分散性，不仅有利于提高材料的热性能，还能避免了燃烧过程中的热岛效应，同时保证了在燃烧过程中片层结构在抑制可燃物溢出、助燃物渗入的阻隔效应。

阻燃聚合物材料

截图来源：中国知网

咪唑离子液体也可通过π-π共轭或阳离子-T吸引作用与碳材料，如碳纳米管、石墨烯等结合。离子液体修饰的碳材料可以在极性较大的聚合物基体，如聚乳酸、全氟代聚合物等材料中实现很好的分散，也可以与生物纤维素形成很好的相互作用力。

同样，咪唑离子液体与氮化硼表面存在强烈的共轭效应和氢键作用，使离子液体得以附着在剥离的氮化硼表面。利用这一特点，使用离子液体剥离氮化硼能明显提高环氧树脂的阻燃性能，同时氮化硼还赋予复合材料更加优异的导热性能，提高了环氧树脂作为电子封装材料的应用范围。

值得注意的是，含有杂多酸的离子液体对于提升膨胀阻燃效率具有显著效果。

离子液体阻燃的多功能化

离子液体还可用于提取聚合物中的阻燃剂，提高阻燃聚合物材料的使用效率和循环寿命。此外，我们还能看到一些含有离子对的特殊聚合物。由于结构中的离子配对结构和阻燃元素，复合材料具有高孔隙率、低导热系数、优异的阻燃能力等特点。依据这些特点，这些聚合物还可作为载体和支架,在催化、光热转换等研究领域表现出更加独特的一面。

文章载自《塑道学苑》