次磷酸铝／苯氧基环三磷腈协同阻燃聚碳酸酯的性能研究

许肖丽，胡 爽，林倬仕，叶 文，尹 亮，李平阳

（上海化工研究院 精细化工研究所，上海 200062）

0 前言

聚碳酸酯（PC）是一种无定型、透明的热塑性工程塑料，具有优异的抗冲击性能、透明性、尺寸稳定性，还具有优良的力学性能和电性能，广泛应用于电子电气、建筑、包装、医疗器械、交通运输等，并迅速向航空、航天、计算机等领域发展［1－5］。PC 的氧指数达26%左右，离火能自熄，燃烧时产生大量黑烟，并伴有熔滴［6］，因此，必须进行阻燃处理［7］。

笔者采用次磷酸铝（AHP）和苯氧基环三磷腈（PCPZ）复配成膨胀型阻燃剂对PC 阻燃改性，并研究AHP与PCPZ的质量比，以及阻燃剂的质量分数对PC阻燃性能的影响。

1 实验

1.1 原料

聚碳酸酯（PC）2200，日本出光；

苯氧基环三磷腈（PCPZ）自制；

次磷酸铝（AHP）湖北天湖化工有限公司。

1.2 仪器及设备

双螺杆挤出机 TSE－20型，南京瑞亚高聚物装备有限公司；

塑料注射成型机 760K，宁波市金星塑料机械有限公司；

氧指数测定仪 JF－3型，南京江宁分析仪器厂；

水平／垂直燃烧测定仪 CZF－3型，南京江宁分析仪器厂；

微型燃烧量热仪 MCC－2型，Govmark；

热重分析仪 209F3型，德国Netzsch公司。

1.3 测试与表征

垂直燃烧测试 按照GB／T 2408－2008，在水平／垂直燃烧测定仪上测定垂直燃烧性能。样条尺寸为100mm×40mm×3.2mm 和100mm×40 mm×1.6mm。

氧指数测试 按照GB／T 2406－2009，在氧指数测定仪上测量氧指数。样条尺寸为100mm×10 mm×4mm。

微型燃烧量热仪测试 升温速率1℃／s，测试范围：75～750 ℃，样品质量2～3mg。

热重分析 氮气氛，升温速率20℃／min，测试范围 室温至900 ℃，气体流速20mL／min，样品质量10～12mg。

2 结果与讨论

2.1 单组分阻燃PC

表1 给出了PCPZ和AHP改性PC 的阻燃性能。由表1可知：PCPZ的质量分数在10%时，UL 94（1.6mm）无燃烧等级（NR）；AHP 的质量分数为10%时也仅通过V－1 级；AHP 的质量分数为15%时，通过V－0级。对比可知：在相同质量分数时，PCPZ对PC的阻燃效果没有AHP的好。

表1 单组分阻燃剂改性PC的阻燃性能

2.2 协效阻燃PC

表2 给出了阻燃剂的质量分数为10%时，PCPZ和AHP以不同质量比复配对PC 阻燃性能的影响。PCPZ 和AHP 的质量比为1∶1时，阻燃PC通过UL 94（1.6 mm）V－0 级，说明PCPZ 和AHP的质量比为1∶1时，阻燃效果最好。

表2 复配阻燃剂改性PC的阻燃性能

表3给出了PCPZ和AHP按1∶1的质量比复配，协效阻燃剂的质量分数对改性PC 的阻燃性能的影响。协效阻燃剂的质量分数为10.0%时，阻燃PC的氧指数为35.5%，通过UL 94 V－0（1.6 mm），说明PCPZ 和AHP 复配后，两者之间存在协效阻燃作用，提高了阻燃剂的阻燃效果。

表3 协效阻燃剂的质量分数对改性PC的阻燃性能的影响

2.3 燃烧性能分析

图1给出了阻燃PC 的热释放速率与温度的关系曲线；微型量热仪测试的数据，如表4 所示。纯PC 2200的热释放速率为584J／g·K，热释放速率峰值为821.9 W／g，总热释放量为20.8kJ／g，点燃温度（ignition temperature）为548.7℃。添加协效阻燃剂后，阻燃改性PC 材料的燃烧数值均有所降低，协效阻燃剂的质量分数为10.0%时，热释放速率降至367J／g·K，降低了37.16%，热释放速率峰值为510.8 W／g，降低了37.85%，总热释放量为17.6kJ／g，降低了15.38%。热释放速率和总热释放量常用于评估火灾危害性。热释放速率的增加不仅会加快火灾的蔓延，而且会造成氧气浓度的下降，导致材料的不完全燃烧，生成更多的烟气；而总热释放量则决定火灾的大小及潜在的危害。从表4可知：添加了PCPZ和AHP 协效阻燃剂后，阻燃改性PC 材料的阻燃性能进一步提高。这种变化可以解释为：样品在热解燃烧过程中成炭量增加，在PC 材料表面形成膨胀炭层，阻碍了氧气、可燃物和热量的流通，发挥了保护层的作用，从而导致热释放速率的下降，提高了PC 的阻燃性能。

图1 阻燃剂的质量分数对阻燃PC的热释放速率与温度的关系曲线

表4 协效阻燃剂的质量分数对阻燃PC的燃烧性能

2.4 热重分析

阻燃PC在N2中的热重残炭率，如表5所示。阻燃改性PC的热降解过程分为三个阶段：第一阶段主要是阻燃剂的分解；然后是基体PC 材料的降解；最后是残炭的氧化降解。在900 ℃时，纯PC的残炭率只有0.22%。随着协效阻燃剂的质量分数增加，阻燃PC的残炭率也逐渐增加。阻燃剂的质量分数为10.0%时，残炭率增加到13.19%。这可能是因为阻燃剂在受热时放出的三氧化硫使PC膨胀，并迅速分解而形成炭层，从而阻止热量和气体向材料内部扩散，减缓了PC 的分解，提高了材料的阻燃性。由表5可知：协效阻燃剂的质量分数从2.5%增加到7.5%时，残炭率增加缓慢；但是从7.5%增加到10.0%时，残炭率发生突变。这和燃烧量热测试数据一致，说明协效阻燃剂的质量分数在10.0%以上时，可以有效提高PC材料的阻燃性能，通过UL 94V－0级。

3 结语

（1）通过单组分阻燃剂改性PC 阻燃性能对比，AHP比PCPZ的阻燃效果更好。

表5 阻燃PC在N2中的热重残炭率

（2）将PCPZ和AHP按1∶1的质量比复配，协效阻燃剂的质量分数为10.0%时，阻燃PC 的氧指数为35.5%，通过UL 94V－0（1.6mm），说明复配后两者之间存在协同阻燃作用，明显提高PC 的阻燃性能。

（3）从微型量热测试数据可知：复配阻燃改性PC材料的燃烧数值均有所降低。与纯PC 2200的相比，协效阻燃剂的质量分数为10.0%时，热释放速率降至367J／g·K，降低了37.16%，热释放速率峰值为510.8 W／g，降低了37.85%，总热释放量为17.6kJ／g，降低了15.38%。

（4）通过热重分析，研究了协效阻燃PC 的热重过程。添加阻燃剂后可以使PC 的热分解延迟，残炭率从0.22%增加到13.19%。

［1］徐路.六苯氧基环三磷腈对聚碳酸酯及其合金的阻燃作用研究［D］.青岛：青岛科技大学，2014.

［2］徐建忠，何战猛，屈红强.六苯氧基环三磷腈阻燃PC及其热解过程的研究［J］.中国塑料，2013，27（1）：92－97.

［3］杜少忠，夏延致，纪全，等.无卤阻燃聚碳酸酯／ABS的制备及燃烧性能［J］.高分子材料科学与工程，2008，24（8）：100－103.

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［5］程从亮，李萍.无卤阻燃PC／ABS合金性能及应用［J］.工程塑料应用，2009，37（4）：51－54.

［6］金国珍.工程塑料［M］.北京：化学工业出版社，2001.

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