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磷 氮膨胀型阻燃剂和溴系阻燃剂复配阻燃聚丙烯的研究

2017-08-02吴燕鹏刘保英房晓敏

中国塑料 2017年7期
关键词:炭层隔膜阻燃剂

李 豪,何 园,吴燕鹏,刘保英*,房晓敏,丁 涛

(1.河南大学精细化学与工程研究所,河南开封475004;2.阻燃与功能材料河南省工程实验室,河南开封475004)

磷 氮膨胀型阻燃剂和溴系阻燃剂复配阻燃聚丙烯的研究

李 豪1,2,何 园2,吴燕鹏2,刘保英1,2*,房晓敏1,2,丁 涛1,2

(1.河南大学精细化学与工程研究所,河南开封475004;2.阻燃与功能材料河南省工程实验室,河南开封475004)

将磷-氮复配膨胀型阻燃剂SR201A和溴-锑系阻燃母粒M进行复配,制备了低溴、低成本的阻燃聚丙烯(PP)复合材料,同时通过垂直燃烧测试、极限氧指数法、锥形量热仪测试、热失重分析和力学实验等研究了2种阻燃剂配比及协效剂[Zn3(BO3)2和ZnO]对PP阻燃性能和力学性能的影响。结果表明,添加20%(质量分数,下同)的复配阻燃剂(SR201A与M质量比为4∶1)时复合材料垂直燃烧级别达UL 94V-2级,极限氧指数达31.4%;阻燃协效剂Zn3(BO3)2和ZnO的加入对体系的气相阻燃和凝聚相阻燃均有一定的促进作用,同时体系的拉伸强度和弯曲强度较纯PP有所提升。

聚丙烯;磷-氮复配膨胀型阻燃剂;溴-锑系阻燃剂;协效剂

0 前言

PP是一种应用十分广泛的热塑性塑料,其来源丰富,价格便宜,具有良好的加工性能和冲击性能。但PP属于易燃材料,其极限氧指数仅为17%~18%,不能满足对阻燃性能要求高的应用领域[1-2],因此,赋予其阻燃性十分重要。由于PP分子链上无活性基团,其阻燃剂以添加型为主,主要分为卤系阻燃剂[3-4]、无机填充型阻燃剂[5-6]、膨胀型阻燃剂等[7-8]。其中,溴系阻燃剂具有其他阻燃剂难以完全替代的良好性能,是阻燃剂中应用最广泛的一种。目前常用于阻燃PP的溴系阻燃剂有十溴二苯醚(DBDPO)、四溴双酚A(TBBP-A)和六溴环十二烷(HBCD)等[9-10]。由于一些含溴的阻燃剂确实可能带来环境和健康风险,如产生溴代二噁英、烟雾等有毒物质,其使用和发展受到了一定限制[11]。聚合物材料阻燃剂的选择不仅要考虑材料的防火性能,还要考虑其与基体材料的相容性和对材料性能的影响等。与溴系阻燃剂相比,其他阻燃剂如无机阻燃剂就存在使用过程中添加量较大,易对材料本身性能产生不利影响,造成塑料的可回收性大打折扣,不利于环境保护。目前,虽然已经出现一些溴系阻燃剂的替代方案,但仍不足以覆盖其全部性能。因此,溴系阻燃剂依然是控制火灾隐患不可或缺的物质。鉴于卤系阻燃剂存在的问题,开发高效、低毒、低挥发性,热稳定性好的阻燃剂是该类阻燃剂今后的发展方向之一[12]。

本研究采用市售磷-氮复配膨胀型阻燃剂SR201A和市售溴-锑系阻燃母粒M复配阻燃改性PP,制备低卤阻燃PP复合材料,并探讨不同阻燃剂配方及阻燃协效剂对PP的阻燃性能、热稳定性和力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP,K8003,中韩(武汉)石油化工有限公司;

磷-氮膨胀型阻燃剂,SR201A,山东旭锐新材有限公司;

溴-锑系阻燃母粒,M,市售;

硼酸锌[Zn3(BO3)2],济南泰星精细化工有限公司;

氧化锌(ZnO),天津市科密欧化学试剂有限公司。

1.2 主要设备及仪器

高混机,SHR-10A,张家港格兰机械有限公司;

同向双螺杆挤出机,AK22,南京科亚化工成套装备公司;

注塑机,UN90A2,广东伊之密精密机械股份有限公司;

水平垂直燃烧测定仪,CZF-5,南京市江宁区分析仪器厂;

氧指数测定仪,JF-3,南京江宁区分析仪器厂;

锥形量热仪,FTT,英国FTT公司;

电子万能实验机,WDW-20E,济南恒思盛大仪器有限公司;

简悬组合摆锤冲击试验机,XJJ-11,济南瀚森精密仪器有限公司;

热失重分析仪(TG),TGA/SDTA851e,瑞士Mettler Toledo公司;

场发射扫描电子显微镜(SEM),JSM-7610F,日本电子株式会社。

1.3 样品制备

将所有原料在鼓风烘箱中80℃下干燥4h,并按表1所示配比混合均匀,通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒,挤出机各段温度分别为170、175、180、180、178、175℃,螺杆转速为120r/min;随后将共混粒料在80℃烘干4h进行注塑,制备力学性能和阻燃性能试验测试用标准样条,注塑温度为180~195℃。

表1 实验配方表Tab.1 Formulations for the test

1.4 性能测试与结构表征

垂直燃烧性能按GB/T 2408—2008进行测试,样条规格为125mm×13mm×3.4mm;

极限氧指数按GB/T 2406.2—2009进行测试,样条规格为80mm×10mm×4mm;

锥形量热仪测试按ISO 5660-1:2007进行测试,样品规格为100mm×100mm×6mm,热辐射功率为50kW/m2;

拉伸性能按GB/T 1040.1—2006进行测试,样条断面尺寸为10mm×4mm,标距为100mm,拉伸速率为50mm/min;

弯曲性能按GB/T 9341—2008进行测试,样条规格为80mm×10mm×4mm,测试速率为2mm/min;

缺口冲击性能按GB/T 1043.1—2008进行测试,样条规格为80mm×10mm×4mm,V形缺口,深度为2mm,摆锤冲击能为0.5J;

TG分析:在氮气氛围下,取约6mg样品,以10℃/min的升温速率从室温升到600℃,记录TG和DTG曲线;

SEM分析:将经锥形量热仪测试的试样表面喷金处理,设置加速电压为20kV,进行残炭形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 燃烧性能分析

表2是不同阻燃剂及配比对PP燃烧性能的影响。从实验结果可以看出,纯PP点燃后剧烈燃烧,同时伴随严重的熔融滴落现象。添加单一阻燃剂SR201A或M的2#和3#样品点燃后完全燃烧,极限氧指数虽有一定幅度的提升,但提升幅度不大。此结果表明该添加量下单一阻燃剂的加入对PP有一定的阻燃作用,但效果不明显。在保持阻燃剂添加总量为20%不变的情况下,SR201A与M复配阻燃PP的极限氧指数提升明显,但试样依然均存在不同程度的熔融滴落现象。其中4#和5#样品点燃后缓慢熄灭,极限氧指数分别达到33.6%和31.4%,UL 94均能达到V-2级。这说明当SR201A与M配比为3∶1和4∶1时,阻燃剂对PP树脂起到了较好的协同阻燃作用。

表2 不同配比复配阻燃剂阻燃PP体系的燃烧性能Tab.2 Flame retardant properties of polypropylene with various formulations of flame retardant

锌、钼、锡等的化合物是效果较好的抑烟剂,与能赋予聚合物成炭能力的添加剂并用,能改善材料成炭效果和燃烧性能,对阻燃能起到催化作用。Zn3(BO3)2和ZnO是常用的协效阻燃剂[13-16]。鉴于环保考虑,采用SR201A与M配比为4∶1的复合阻燃剂,进行体系阻燃性能和力学性能的进一步优化研究和探索。在5#样品基础上,保持PP总体含量不变,阻燃剂分别与2%的Zn3(BO3)2和ZnO复配制得7#和8#样品。与5#样品相比,7#和8#样品均可通过UL 94V-2级。但从UL 94燃烧等级和极限氧指数结果来看,二者协效作用均不明显。

2.2 锥形量热仪测试

图1和图2分别为锥形量热仪测试后阻燃PP样品残余炭层的数码照片。从图中可以看出,添加单一阻燃剂SR201A以及复配阻燃剂的复合体系燃烧后均形成大量连续的膨胀炭层,而添加单一M阻燃母粒的体系燃烧后并没有大量蓬松炭层生成。这主要是由于溴系阻燃母粒M主要通过受热分解出Br自由基捕捉聚合物燃烧反应中产生的活性自由基,使燃烧减缓或者终止,实现气相阻燃,并未产生固相成炭现象,因此3#样品燃烧后仅残余少量炭质成分。添加膨胀型阻燃剂SR201A阻燃PP的体系中,阻燃剂分解和酯化等反应,产生的不燃气体在聚合物表层黏度较低的熔体中推动发泡,形成膨胀炭层。而在M与SR201A复配阻燃PP体系燃烧过程中M首先分解产生HBr气体,其密度较大,在SR201A分解成炭的过程中覆盖在PP表面,随着气流不断推动炭层向上隆起,形成更为蓬松的炭层骨架,同时起到气相阻燃和凝聚相阻燃的作用,阻燃效果更佳。这一现象也与样条的极限氧指数和垂直燃烧测试结果一致。

图1 锥形量热测试后样品炭层的照片Fig.1 Photographs of flame-retarded polypropylene samples after cone calorimeter test

图2和表3分别为PP和阻燃PP样品在燃烧过程中热释放速率(RHRR)随时间的动态变化图及体系的一些燃烧特征参数。tTTI是使材料表面有光火焰燃烧时所维持点燃的时间。tTTI越长,表明聚合物材料在此条件下越不易点燃,材料的阻火性越好。由表3可以看出,膨胀型阻燃剂及复合阻燃剂的加入,均能使体系的阻火性明显提升。由图2可以看出,纯PP和添加有M阻燃剂的PP试样在燃烧过程中,热释放速率均呈现出迅速上升的趋势,达到峰值热释放速率后,快速下降至一恒定值趋于平缓并逐渐消失,整个曲线呈“后单峰型”。RHRR的最大值为热释放速率峰值(RpkHRR),HTHR为材料燃烧的总释放热。RHRR或RpkHRR或HTHR越大,聚合物热裂解速度就越快,进而产生更多的挥发性可燃物,聚合物在火灾中的危险性就越大。添加M阻燃剂后,PP燃烧的Rav-HRR有一定程度的下降。而添加SR201A及SR201A/M复合阻燃剂的阻燃体系燃烧过程中RHRR曲线呈“双峰型”,RHRR和RpkHRR较纯PP和添加有M阻燃剂的PP体系明显下降。PP/SR201A体系兼具凝聚相和气相阻燃,主要通过凝聚相成炭发挥阻燃作用,复合材料燃烧时形成的膨胀炭层能阻隔气体和热量交换。对比1#、2#和3#样品,阻燃剂SR201A的加入大幅降低了PP的RpkHRR和HTHR,说明在单位时间里,燃烧反馈给材料表现的热量减少,材料的热解速度降低和挥发性可燃物气体的生成量减少,从而延缓了火焰的传播。5#样品的RHRR曲线出现2个热释放峰,与2#和3#样品相比,RpkHRR和HTHR进一步降低,说明SR201A和M有一定的协效阻燃作用。材料燃烧后,一方面M受热分解释放的Br自由基通过捕获聚合物燃烧反应中产生的活性自由基抑制燃烧的链式反应,同时在PP表面形成气相保护层;另一方面SR201A燃烧形成的膨胀炭层,能有效阻隔气体交换和热量释放。对比5#、7#和8#样品,添加协效剂Zn3(BO3)2和ZnO后,7#和8#样品的HTHR较5#样品下降约30%,Rav-CO和Rav-CO2仅为5#样品的1/2左右,大幅降低了添加阻燃剂后造成的产烟量和有毒气体CO增加的不利影响,这对火灾的救援非常有利;RHRR曲线第二个热释放峰大幅减小,这一现象主要归因于协效剂的加入促进了阻燃剂的阻燃作用,减少了材料燃烧中的热释放。同时,7#和8#样品的HEHC明显降低,表明这2种样品热解产生的可燃性挥发物在气相火焰中的燃烧不完全,产生的热量显著减少,2种协效剂的加入均促进了气相阻燃作用,且Zn3(BO3)2效果更明显。

图2 纯PP和阻燃PP样品的RHRR曲线Fig.2 RHRRcurves of pure PP and flame-retarded PP samples

表3 纯PP和阻燃PP样品的燃烧特征参数Tab.3 Combustion characteristic parameters of pure PP and flame-retarded PP samples

2.3 SEM分析

图3是阻燃PP样品锥形量热仪测试后残炭的表面形貌图。与添加单一种类阻燃剂的样品2#和3#相比,添加有复合阻燃剂的5#样品燃烧后形成明显的膨胀炭层,炭层表面致密连续,呈现褶皱状形貌,能够有效抑制燃烧过程中气体的交换和热量的逸散,进而发挥阻燃作用。添加协效剂Zn3(BO3)2的7#样品炭层表面能观察到明显的白色颗粒状物质,这些颗粒物分布均匀,可能是Zn3(BO3)2在燃烧后沉积在炭层表面的残留物。添加协效剂ZnO的8#样品炭层均一性好,表面褶皱更加明显,结构连续性、封闭性都较好,且具有一定的强度。这样的炭层结构不但能有效地减少聚合物暴露于火焰中的面积,而且能是体系有效地与火焰隔离,减缓聚合物热降解过程中可燃性气体的产生与释放,达到较好的阻燃效果。

图3 阻燃PP样品锥形量热仪测试后炭层的SEM照片Fig.3 SEM of carbon layer of flame retarded polypropylene samples after cone calorimeter test

2.4 TG分析

图4所示为纯PP、阻燃剂SR201A、溴-锑系阻燃母粒M、阻燃PP体系的TG和DTG曲线,相关分析数据见表4。由图4和表4可知,阻燃剂SR201A的初始分解温度(T5%)为307℃,600℃残炭率约为37.9%;阻燃剂M的T5%为299、600℃残炭率约为42.5%,二者都具有较好的热稳定性。阻燃剂的加入,使复合体系的T5%及最大热分解温度(Tmax)较纯PP均有明显提升,表明阻燃剂的加入提高了PP的热稳定性。

图4 纯PP、阻燃剂及阻燃PP样品的TG和DTG曲线Fig.4 TG and DTG curves of pure PP,flame retardant and flame retardant PP samples

表4 纯PP、阻燃剂及阻燃PP样品的TG分析数据Tab.4 TG analysis data of pure PP,flame retardant and flame retardant PP samples

阻燃PP样品的600℃残炭率较纯PP增加明显,且添加复配阻燃剂的体系600℃残炭率较仅加入单一阻燃剂的样品(2#、3#)高,说明二者复配成炭作用好,残炭量的增多有利于形成较好的膨胀炭层。3#样品的的热分解过程与阻燃剂M的分解趋势一致,呈两阶分解。添加协效剂后,阻燃样品的热分解行为未受影响。与5#样品相比,7#和8#样品的残炭率均有一定程度增加,其中添加Zn3(BO3)2的阻燃样品残炭量比5#样品增加约20%,说明Zn3(BO3)2促进阻燃体系成炭的作用更加显著。

2.5 力学性能分析

由表5可知,阻燃剂SR201A的加入使得PP的拉伸强度、弯曲强度有所下降,缺口冲击强度下降明显。这主要是小分子阻燃剂SR201A的添加量较大导致的,是磷-氮系阻燃剂普遍存在的问题。3#样品的各项力学性能指标较纯PP略有降低,说明M的加入对PP力学性能影响不大,这也是M阻燃剂的优势所在。添加复配阻燃剂的5#样品拉伸强度和弯曲强度较添加单一组分阻燃剂的样品有所提升,而冲击强度也比单独添加SR201A体系有所提高。协效剂Zn3(BO3)2和ZnO的加入,阻燃体系的拉伸强度和弯曲强度优于基体树脂的性能,尤其是8#样品,拉伸强度和弯曲强度较纯PP树脂分别提升了8.6%和20.0%。但二者的缺口冲击强度较纯树脂依然有所下降,这主要归因于无机粒子在材料中分散性差,使材料易在外力作用下产生应力集中而提前失效。

表5 PP和阻燃PP样品的力学性能Tab.5 Mechanical properties of PP and flame retardant PP systems

3 结论

(1)阻燃剂SR201A和溴-锑系阻燃母粒M能够提高PP树脂的热稳定性,对基体有较好的协同阻燃作用,垂直燃烧可达到V-2级,极限氧指数最高可达33.6%;SR201A和M的复配可以显著降低阻燃PP材料的RHRR、HTHR和HEHC的值,通过气相阻燃和凝聚相阻燃机理,共同发挥阻燃作用,显示出较好的阻燃效果;

(2)锌类阻燃协效剂的加入有利于复合阻燃体系炭层的形成和残炭的增加,进而提高阻燃剂的阻燃效果;

(3)单独添加膨胀型阻燃剂SR201A后,树脂基体的力学性能发生劣化,尤其是冲击性能下降比较明显;而溴-锑系阻燃母粒M的加入对基体树脂的力学性能影响不大;将SR201A与溴-锑系阻燃母粒M复配添加到PP中,复合材料的力学性能较单独添加SR201A的体系有所提升,锌类协效阻燃剂剂的加入明显改善复合阻燃体系的拉伸和弯曲性能。

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关于召开2017锂电池和隔膜产业链高峰论坛暨电池隔膜专委会成立大会的通知

中国塑料加工工业协会电池隔膜专委会(以下简称中国塑协电池隔膜专委会)筹委会定于2017年8月16-17日在广东佛山富林朗悦酒店举办“2017锂电池和隔膜产业链高峰论坛暨中国塑协电池隔膜专委会成立大会”,会议规模约400人。本次会议由佛山市金辉高科光电材料有限公司承办,中国汽车动力电池产业创新联盟(业务主管单位为工业和信息化部)支持,中国电池工业协会协办,日本东芝机械株式会社、微觉视检测技术(苏州)有限公司、马鞍山欧林机械设备有限公司、威海海朝机械有限公司、上海思德胶辊制造有限公司赞助,中国电池网作为媒体支持。

一、会议主要内容

本次会议侧重于技术交流,目的是促进锂电池和隔膜产业链生产企业提质增效,加强技术研发、提高成品率和产品一致性,通过练内功来提高企业的核心竞争力,从而积极应对整个产业链即将到来的行业低谷与激烈竞争。本次会议将正确引导行业投资,倡导行业自律与理性竞争,将邀请国家工信部相关部门领导到会指导工作,从而鼓励和引导行业企业良性竞争,推动锂电池和隔膜产业链可持续健康发展。

1、电动汽车发展前景与有关技术探讨7、动力锂电池隔膜技术要求与专用料探讨

2、锂电池行业2017年上半年市场现状与2017年下半年发8、锂电池隔膜的生产工艺探讨;展趋势;9、锂电池隔膜的生产设备介绍;

3、动力锂电池技术要求与市场前景探讨10、锂电池软包装用铝塑复合膜生产技术探讨;4、锂电池隔膜行业2017年上半年市场发展报告与下半年需11、锂电池安全运输管理规范介绍;求探讨;12、储能、手机等锂电池下游行业发展预测;

5、锂电池和隔膜行业发展面临的问题探讨与对国家有关部13、国家有关新能源行业发展政策探讨;门政策建议;14、16日下午举行全国锂电池隔膜生产企业负责人高峰座6、召开中国塑协电池隔膜专委会成立大会; 谈会。二、参加会议人员

1、国家有关部门领导、有关协会代表;7、有意向投资锂离子电池和隔膜、铝塑复合膜行业的企业负

2、电动汽车企业有关负责人; 责人;

3、锂电池生产企业负责人、技术、生产骨干;8、有关科研、监测机构与高等院校代表;

4、锂离子电池隔膜生产企业负责人;9、锂电池隔膜生产企业配套设备、备件与原辅材料生产企业

5、锂离子电池隔膜生产企业设备与工艺技术人员; 代表;

6、锂电池软包装用铝塑复合膜生产企业负责人与技术骨干;10、国外驻华机构、新能源行业代表。

三、论文征集

为开好会议,请发言企业(见附件一)做好交流资料准备,将撰写的论文,于7月25日前以word或PPT格式,通过电子邮件发给会务组。

欢迎电动汽车、锂电池、隔膜、铝塑复合膜产业链企业和各大专院校、科研所撰写市场、技术、学术性论文,并向组委会投稿,论文将刊登在本次会议会刊上,优秀论文将在大会作交流,并将给予表彰和奖励,以促进行业交流与发展。

四、会议日期和地点

2017年8月16日报到,17日开会。会议地点:广东省佛山市南海区罗村南湖二路2号,富林朗悦酒店,酒店联系人麦妙荣经理,手机13823488550,电话:0757-81808888。

交通线路:广州白云机场乘坐机场大巴到佛山汽车站,然后乘坐107、116路公交车在北湖三路站下车,步行744米到达酒店;广州火车站乘坐广佛地铁到佛山祖庙站C出口,然后乘坐K5公交车在罗村中心广场站下车,步行840米到达酒店;广州南站乘坐大巴到佛山汽车站,然后乘坐107、116路公交车在北湖三路站下车,步行744米到达酒店。自驾车请用卫星导航。

五、会议费用(包括餐费、资料费等)

1、国内外汽车、锂电池、隔膜、铝塑复合膜生产企业及有意投资单位全部免收会务费;各高校、科研所免收会务费;

2、为锂电池配套的设备、材料(隔膜除外)等配套企业收取每人2000元会务费,两人参会每人减免10%,三人参会每人减免30%;

4、锂电池隔膜设备企业、分切机企业、原料企业收取每人2500元会务费,会员企业收取每人2000元会务费,两人参会每人减免10%,三人参会每人减免20%;

5、为锂电池隔膜配套的辅助材料、辅助设备、零部件及其它类型企业或单位收取每人2000元会务费,会员企业收取每人1500元会务费,两人参会每人减免10%,三人参会每人减免20%;

五、联系方式

联系人:孙冬泉,范 艳,樊立辉,谷岳阳,董育轩 电 话:010-68697510、68698234

手 机:13601177690(范) 15333384016(樊) 18501960344(谷) 13683645072(董)

E-mail:ppack@126.com ppack@ppack.cn 微 信:13522080819(电池隔膜专委会)

Study of Flame-retardant Polypropylene Based on Phosphorus-nitrogen Intumescent Flame Retardant and Brominated Flame Retardant

LI Hao1,2,HE Yuan2,WU Yanpeng2,LIU Baoying1,2*,FANG Xiaomin1,2,DING Tao1,2

(1.Institute of Fine Chemistry and Engineering,Henan University,Kaifeng 475004,China;2.Henan Engineering Laboratory of Flame-retardant and Functional Materials,Kaifeng 475004,China)

Low-cost and low brominated flame-retardant polypropylene(PP)composites were prepared by a complex of phosphorus-nitrogen intumescent flame retardant(SR201A)and bromine-antimony flame retardant,and the effect of flame-retardant agents on combustion performance and mechanical properties of flame-retardant PP were investigated.The combustion behavior and mechanical properties of PP were evaluated by vertical burning experiments,limiting oxygen index,cone calorimeter measurement,thermogravimetric analysis and mechanical measurements.The results indicated that composite achieved a classification of UL 94V-2in the vertical burring test when 20wt%of complex flame retardants was added,and their limiting oxygen index reached 31.4%.The cone calorimeter testing results confirmed that there was a synergistic effect derived from the complex flame retardant agent systems,which could effectively promote the formation of residual char during the combustion of PP composites.In addition,the tensile and flexural strength of flame-retardant polypropylene composites was higher than those of pure PP resin.

polypropylene;phosphorus-nitrogen complex intumescent flame retardant;bromine-antimony flame retardant;synergist

TQ325.1+4

B

1001-9278(2017)07-0063-07

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.07.011

2017-01-11

河南省科技发展计划项目(162102210023);河南省高等学校重点科研项目(17A150004);河南省重点科技攻关项目(152102210052)

*联系人,liubaoying666@163.com

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