膨胀型阻燃剂在聚丙烯中的应用

2014-03-26李艳东

合成树脂及塑料 2014年4期

李艳东，乔辉，丁筠，张雯

（北京化工大学，北京市 100029）

聚丙烯（PP）综合性能优良，广泛应用于工业、农业、汽车、电子电器、包装及建筑材料等领域[1]。但是，PP的极限氧指数（LOI）低，只有17%～18%[2]，遇火易燃且燃烧速率快、发热量高,并伴有发烟、滴落现象[3-5]，使其应用受到限制。因此，研究开发阻燃PP具有重要意义。

与传统添加型阻燃剂（如卤系阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂等）相比[6-8]，膨胀型阻燃剂（IFR）因具有阻燃、抑烟、无毒环保等优点[9-10]而受到广泛关注。IFR包含酸源、碳源与气源。酸源通常指无机酸或燃烧时可生成酸的盐类（如磷酸、磷酸铵、聚磷酸铵等）；碳源一般指富含碳原子的多元醇化合物，能在酸作用下脱水，从而形成膨胀型碳层的骨架，常见的碳源一般有季戊四醇、淀粉等；气源是指在加热燃烧的过程中可以生成非可燃性气体的物质，气源的主要作用是产生气体，形成膨胀型碳层，常用气源主要有三聚氰胺、脲醛树脂、双氰胺等。高聚物中添加IFR后，燃烧时表面生成膨胀碳层，可阻燃、隔热、隔氧，生烟量少，不易生成有毒或腐蚀性气体。本工作将国产新型磷氮系膨胀型阻燃剂（IFR-A）及国外高效膨胀型阻燃剂（IFR-B）用于阻燃PP，并制备IFR-A阻燃母粒，测试了阻燃PP的阻燃、耐水、绝缘、力学等性能。

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大庆石化分公司生产；S2040，上海赛科石油化工有限责任公司生产。IFR-A，SR-50A，山东旭锐新材有限公司生产。IFR-B，FP-2100J，日本艾迪科精细化工有限公司生产。

1.2 主要设备及仪器

MHS-20型双螺杆挤出机，昆山美弧螺杆机械公司生产；Π1-90F2型注塑机，东华机械有限公司生产；CMT4204型电子万能材料试验机，美斯特工业系统有限公司生产；XJJ-5型简支梁冲击试验机，承德市金建检测仪器有限公司生产；JF-3型氧指数测试仪，CZF-3型垂直燃烧测试仪，均为南京市江宁区分析仪器厂生产；8009型电阻率测试仪，美国吉时利仪器公司生产。

1.3 试样制备

将IFR-A，IFR-B于80 ℃真空干燥4 h后，与PP T30S按配比混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出造粒并注塑成标准测试样条；将IFR-A与PP S2040、加工助剂按配比混合均匀，通过双螺杆挤出制备IFR-A阻燃母粒。

1.4 性能测试

阻燃性能测试：按GB/T 2406—1993测定试样的LOI并记录燃烧特征，按美国UL-94标准测试阻燃PP垂直燃烧级别。

耐水性能测试：称试样质量，将试样浸于70℃去离子水中泡168 h ，烘干试样至质量恒定，再称量，记录质量变化，测试试样的UL-94及LOI。

导电性能测试：采用模压法制备试样，测定其表面电阻率及体积电阻率，试样尺寸直径为100 mm，厚度为（2±0.2）mm。

简支梁冲击强度按GB/T 1043—2008测试；弯曲性能按GB/T 9341—2000测试；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试。

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂对PP性能的影响

2.1.1 阻燃及耐水性能

由表1看出：当w（IFR-A），w（IFR-B）均为20%时，PP的LOI显著提高，分别为30.9%，32.8%；当阻燃剂质量分数为25%时，IFR-A的阻燃效果胜过IFR-B。水煮前，两种阻燃剂阻燃的PP均能通过UL-94 V-0级测试。

表1 两种阻燃剂对PP阻燃及耐水性能的影响Tab.1 Effect of IFR-A or IFR-B on combustion performance and water resistance of the PP/IFR systems

经水煮后，两种阻燃剂阻燃的PP都能通过UL-94 V-0级测试，且由表1还看出：两种阻燃剂阻燃PP的LOI都有较高的保留率，随w（IFR-B）增加，LOI保留率变化不大；当w（IFR-A）为20%时，LOI保留率为100%，随w（IFR-A）增加，LOI保留率呈降低趋势。

2.1.2 力学性能

由表2看出：添加阻燃剂后，阻燃PP的拉伸强度显著下降。随w（IFR-B）增加，PP的弯曲应力略有升高；随w（IFR-A）升高，阻燃PP的弯曲应力呈下降趋势。未添加阻燃剂的PP样条无法被冲断，抗冲击性能较好，但添加两种阻燃剂后的阻燃PP样条均可被冲断，说明加入阻燃剂使PP的冲击强度严重下降；当w（IFR-A）和w（IFR-B）均为20%时，阻燃PP的冲击强度相差不大；当w（IFR-A）和w（IFR-B）均为25%时，IFR-A阻燃PP的冲击强度迅速降低，而IFR-B阻燃PP的冲击强度也有所降低，但幅度较小；当w（IFR-A）和w（IFR-B）均为30%时，IFR-A阻燃PP的冲击强度下降幅度变小，而IFR-B阻燃PP的冲击强度大幅降低。这可能是由于两种阻燃剂与PP的相容性有一定差异，且在不同含量时，阻燃剂在PP中的分散均匀程度不同所致。

表2 阻燃剂对PP力学性能的影响Tab.2 Effect of IFR-A or IFR-B on mechanical properties of the PP/IFR systems

2.1.3 导电性能

由图1看出：添加阻燃剂后，PP的体积电阻率与表面电阻率均呈上升趋势，但仍保持在1×1012数量级。

图1 两种阻燃剂阻燃PP的体积电阻率和表面电阻率Fig.1 Variation of the volume resistivity and surface resistivity with IFR-A or IFR-B content

2.2 IFR-A阻燃母粒的制备

将IFR-A与PP S2040熔融共混，分别制备w（IFR-A）为55%，60%，65%，70%，75%的阻燃母粒。将阻燃母粒分别与PP T30S共混，使最终阻燃PP中的w（IFR-A）均为20%。将IFR-A直接添加到PP中，所制w（IFR-A）为20%的阻燃PP的LOI为35.1%。由图2看出：随阻燃母粒中w（IFR-A）增加，阻燃母粒阻燃PP的LOI在35.1%上下波动，但幅度不大。阻燃母粒中w（IFR-A）为60%时，阻燃PP的LOI最大，为36.4%，可能是该浓度的阻燃母粒与PP的共混效果好，阻燃剂在PP中分布较均匀的缘故。

图2 w（IFR-A）不同的阻燃母粒对阻燃PP LOI的影响Fig.2 Variation of the limit oxygen index of the PP/IFR-A systems with different IFR-A contents of the flame retardant masterbatch

由表3看出：选用w（IFR-A）分别为60%，65%，70%的阻燃母粒制备阻燃PP，所制阻燃PP均能顺利达到UL-94 V-0级；当阻燃母粒中w（IFR-A）分别为55%，75%时，所制阻燃PP达到UL-94 V-1级。这可能是由于该浓度阻燃母粒与PP共混时，IFR-A在PP中分散不匀，阻燃PP中有效阻燃剂含量降低所致。

表3 w（IFR-A）不同的阻燃母粒对阻燃PP力学性能的影响Tab.3 Variation of the mechanical properties of the PP/IFR-A systems with different IFR-A contents of the flame retardant masterbatch

由表3还看出：与直接添加法相比，采用添加阻燃母粒阻燃PP的拉伸强度、弯曲应力变化不大，冲击强度波动较大。当阻燃母粒中w（IFR-A）为60%时，所制阻燃PP的拉伸强度最大，达23.37 MPa；当阻燃母粒中w（IFR-A）为75%时，所制阻燃PP的弯曲应力最大，达30.83 MPa；当阻燃母粒中w（IFR-A）为65%时，所制阻燃PP的冲击强度最大，达29.27 kJ/m2；当母粒中w（IFR-A）大于65%时，所制阻燃PP的冲击强度显著降低。这是因为阻燃母粒中的阻燃剂浓度过高，在阻燃PP加工成型过程中难以分散均匀所致。

采用母粒法制备阻燃PP可减少基体PP的热历史，便于生产，当阻燃母粒中w（IFR-A）为60%时，最终阻燃PP的燃烧性能、力学性能较好。