EPDM-g-MAH对PP膨胀阻燃材料性能的影响

闫怀文，危加丽，尹波，杨鸣波

（四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室，四川省成都市 610065）

EPDM-g-MAH对PP膨胀阻燃材料性能的影响

闫怀文，危加丽，尹波*，杨鸣波

（四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室，四川省成都市 610065）

采用氮磷膨胀型阻燃剂制备了无卤阻燃聚丙烯（PP）材料，研究了马来酸酐（MAH）接枝三元乙丙橡胶（EPDM）（EPDM-g-MAH）对PP无卤阻燃材料性能的影响。结果表明：加入EPDM-g-MAH可提高阻燃剂和PP基体间的界面作用，降低试样在燃烧过程中的熔融滴落现象，且加入EPDM-g-MAH提高了阻燃PP的力学性能。此外，加入EPDM-g-MAH可提高PP无卤阻燃材料在高温（600～800℃）下的炭层热稳定性以及材料的最大热分解速率，但会降低材料的最大热分解温度。因此，少量的EPDM-g-MAH可以提高PP无卤阻燃材料的极限氧指数(LOI)，但当w(EPDM-g-MAH)超过10%时，PP无卤阻燃材料的LOI下降，阻燃性能降低。

聚丙烯 膨胀型阻燃剂 马来酸酐接枝三元乙丙橡胶 界面作用 热分解行为 力学性能

聚丙烯（PP）极易燃烧，极限氧指数（LOI）只有17.4%，燃烧时放热量较大，且产生熔融滴落现象，火势很容易蔓延。无卤阻燃PP技术是当前研究的热点[1-3]，而膨胀型阻燃体系以低烟、无毒、高效阻燃等优势受到了人们极大的关注[4-8]。

FP-2200是一种新型的单组分无卤膨胀阻燃剂，阻燃效果良好，对基体性能影响较小，可用于PP、聚乙烯等材料的阻燃。但PP中加入FP-2200后导致材料的力学性能下降，且在燃烧过程中易产生熔融滴落现象。因此，本工作将马来酸酐（MAH）接枝三元乙丙橡胶（EPDM）（EPDM-g-MAH）加入到PP/FP-2200阻燃材料中，研究了EPDM-g-MAH对阻燃材料的阻燃性能、力学性能和界面相互作用等的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，T30S，中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司生产；氮磷阻燃剂，FP-2200，日本爱迪科公司生产；EPDM-g-MAH，南京德巴化工有限公司生产。

1.2 仪器与设备

SHJ-20型同向旋转双螺杆挤出机，南京恩特机电有限公司生产；PS40E5ASE型精密注塑机，日精树脂工业株式会社生产；HC-2型氧指数测定仪，CZF-3型水平垂直燃烧测定仪，均为江宁县分析仪器厂生产；JSM-5900LV型扫描电子显微镜，日本电子株式会社生产；AGS-J型电子精密万能试验机，日本岛津株式会社生产；WRT-2型热重分析仪，上海仪器厂生产。

1.3 试样制备

将试样按配方采用双螺杆挤出机挤出造粒，螺杆温度从料斗到口模分别为180，190，200，195℃，螺杆转速为100 r/min。200℃下将粒料压制成0.5 mm厚的薄片，剪裁成所需样条尺寸，用于垂直燃烧测试和拉伸试验。通过注塑机注射成标准样条，用于LOI测试，注射机从料斗到喷嘴温度分别为180，190，200，195℃。

1.4 性能测试

垂直燃烧试验按UL 94测试，试样尺寸为127 mm×12.7 mm×0.5 mm。LOI测试试样尺寸为130 mm×10 mm×4 mm。扫描电子显微镜（SEM）观察的加速电压20 kV。热重（TG）分析，氮气氛围，升温速率10℃/min。拉伸性能按ASTM D 638—2003测试，试样为哑铃型，标距25 mm，宽6 mm，厚0.5 mm，拉伸速率为5 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 EPDM-g-MAH对PP/FP-2200阻燃性能的影响

由表1可见：EPDM-g-MAH对PP/FP-2200阻燃材料的垂直燃烧实验的阻燃等级没有影响，均为V-2级，且均有熔滴和引燃脱脂棉现象。未加入EPDM-g-MAH时，PP/FP-2200阻燃材料燃烧时有明显的熔融滴落现象；w（EPDM-g-MAH）为5%时，材料的熔融滴落现象出现的次数明显减少；w（EPDM-g-MAH）由5%增加到15%，熔融滴落现象随之减少。此外，w（EPDM-g-MAH）小于10%时，材料的LOI小幅增大，即EPDM-g-MAH提高了材料的阻燃性能。但w（EPDM-g-MAH）超过10%时，加入EPDM-g-MAH反而会明显降低PP/FP-2200的LOI。因此，w（EPDM-g-MAH）为5%～10%较适宜。

表1 w(EPDM-g-MAH)对PP/FP-2200阻燃性能的影响Tab.1Influence of EPDM-g-MAH content on flame retardancy of PP/FP-2200

2.2 EPDM-g-MAH对PP/FP-2200热分解行为的影响

由图1看出：PP和EPDM-g-MAH的热分解行为存在明显差异，EPDM-g-MAH最大热失重的温度（Tmax）为534.3℃，明显高于PP（506.8℃），且最大热失重速率（Vmax）也大于PP。

图1 阻燃材料的TG和热失重速率曲线Fig.1 TG and DTG curves of the flame retardant materials

PP/FP-2200的Tmax明显高于EPDM-g-MAH和纯PP，说明PP/FP-2200的热稳定性高于纯PP。加入EPDM-g-MAH可以提高PP/FP-2200在高温下（600～800℃）炭层的热稳定性。并且随着EPDM-g-MAH含量增加，炭层的稳定性提高，隔热隔质作用也提高，能有效地阻隔可燃物质的传递，有利于提高材料阻燃性能。但加入EPDM-g-MAH反而会降低Tmax，提高材料的Vmax，并且当w（EPDM-g-MAH）增至20%时，这种影响更明显，使材料的Tmax降低，从而使材料的耐高温能力下降，不利于提高阻燃性能。所以，少量EPDM-g-MAH可以提高PP/FP-2200的LOI，但是当w（EPDM-g-MAH）超过10%后，加入EPDM-g-MAH反而会使PP/FP-2200的LOI下降。

2.3 EPDM-g-MAH对PP/FP-2200相形态的影响

由图2a看出：FP-2200粒子表面不光滑且分散不均匀，与PP基体间存在明显相界面。这是因为FP-2200是无机粒子，与PP相容性差，界面黏合不好。从图2b看出：FP-2200粒子与基体间的相界面变得模糊，且基体中粒子脱落形成的孔洞数目减少，说明两相界面相互作用提高。从图2c看出：FP-2200粒子在基体中分散更均匀，粒子尺寸下降，与基体PP的相界面更为模糊，虽然仍存在基体收缩后形成的孔洞，但孔洞中的粒子没有显著脱落，说明w（EPDM-g-MAH）为20%时，极大提高了PP和FP-2200粒子间的相容性。这是因为EPDM-g-MAH是增容剂，表面带有的极性基团能与PP相互作用，其含量越高，越能有效改善PP和FP-2200的相容性，改善界面状况[9-10]。

2.4 EPDM-g-MAH对PP/FP-2200力学性能的影响

图2 不同w(EPDM-g-MAH)的PP/FP-2200断面的SEM照片Fig.2 SEM images of cross-section of PP/FP-2200 with different mass fraction of EPDM-g-MAH

从表2可看出：当EPDM-g-MAH含量较低时，对体系的断裂伸长率和屈服强度影响不大；当w（EPDM-g-MAH）增至10%后，试样的断裂伸长率随w（EPDM-g-MAH）增大而增大。这是由于PP与FP-2200的相容性较差，界面黏合不好，使应力易集中，材料易在缺陷位置提前破坏，从而导致材料的力学性能较差。加入EPDM-g-MAH提高了FP-2200与PP的相容性，在材料受力变形时，EPDM-g-MAH使应力分散，导致材料破坏时的应力临界值增大，断裂伸长率提高。且随着EPDM-g-MAH含量的提高，所消耗的能量越大，体系的韧性越好，断裂伸长率就越高[11]。此外，随EPDM-g-MAH含量的增大，材料的屈服强度降低。这是由于EPDM-g-MAH的屈服强度低于PP基体，导致PP/FP-2200的屈服强度下降。

表2 w(EPDM-g-MAH)对PP/FP-2200力学性能的影响Tab.2Influence of EPDM-g-MAH content on mechanical properties of PP/FP-2200

3 结论

a)加入EPDM-g-MAH能减少试样在燃烧过程中的熔融滴落现象，且随其含量增加，熔融滴落现象减少。当w（EPDM-g-MAH）为5%～10%时，材料的LOI较大，阻燃性能最好。

b)加入EPDM-g-MAH能提高PP/FP-2200阻燃材料的断裂伸长率，且随着w（EPDM-g-MAH）增加而增加，但屈服强度有所降低。

c)加入EPDM-g-MAH可提高PP/FP-2200阻燃材料在高温（600～800℃）下炭层的热稳定性及在热分解过程中的Vmax。但加入EPDM-g-MAH会降低材料的Tmax。因此，少量EPDM-g-MAH可提高PP/FP-2200阻燃材料的LOI，当w（EPDM-g-MAH）超过10%后，PP/FP-2200阻燃材料的LOI下降。

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Effect of maleic anhydride grafted EPDM on properties of intumescent flame retardant PP materials

Yan Huaiwen,Wei Jiali,Yin Bo,Yang Mingbo
(College of Polymer Science and Engineering,State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

The authors preparedhalogen-free flame retardantpolypropylene(PP)by introducing intumescent flame retardant made from nitrogen phosphorus compound,and studied the effect of content of maleic anhydride grafted ethylene propylene diene monomer(EPDM-g-MAH)on properties of the PP materials.The results show that adding EPDM-g-MAH can enhance interfacial interaction between PP matrix and the flame retardant, reduce melt dripping of the specimens during combustion process and improve mechanical properties of the PP materials.The addition of EPDM-g-MAH can raise thermal stability of the carbon layer athightemperature (600-800℃)and the maximum thermal decomposition rate but lowers the maximum thermal decomposition temperature of the PP materials.As a result,adding a small quantity of EPDM-g-MAH can make the limited oxygen index(LOI)of the PP materials augment.However,the LOI decreases and the flame retardancy of the PP material declines when the mass content of EPDM-g-MAH exceeds 10%.

polypropylene;intumescent flame retardant;maleic anhydride grafted ethylene propylene diene monomer;interface interaction;thermal degradation behavior;mechanical property

TQ 325.1+4

B

1002-1396(2012)02-0031-04

2011-09-28。

2011-12-26。

闫怀文，1990年生，在读本科生，主要从事无卤阻燃聚丙烯的研究工作。联系电话：（028）85405977；E-mail：feiyanhuaiwen@126.com。

国家自然科学基金青年基金项目资助（50903050）。通讯联系人。电话：（028）85405324；E-mail：yinbo@scu.edu.cn。

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（编辑：陈文淑）