磷系阻燃劑阻燃PET的研究進展

閆夢祥，張思源，王總帥，閏明濤

(河北大學化學與環境科學學院，河北 保定 071002)

綜述

磷系阻燃劑阻燃PET的研究進展

閆夢祥，張思源，王總帥，閏明濤*

(河北大學化學與環境科學學院，河北 保定 071002)

綜述了磷系阻燃劑阻燃聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的改性方法，其中主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、后處理法以及一些新技術。重點介紹了共聚阻燃改性中以2 - 羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)為代表的磷系阻燃劑以及共混阻燃改性中所用的各種阻燃劑，并指出了PET阻燃的研究方向。目前，PET的阻燃主要向著低毒、低煙、無鹵化方向發展，而且開發新型或復配無鹵阻燃劑已經成為PET阻燃的必然趨勢。

聚對苯二甲酸乙二醇酯;磷系阻燃劑;研究進展;發展趨勢

0 前言

PET是各種合成纖維中發展最快、產量最高、應用面最廣的一種合成纖維[1]，是三大合成纖維中工藝最簡單的一種，其纖維紡織品大量用于衣料、窗簾、幕布、床上用品、室內裝飾及各種特殊材料。它具有結實耐用、彈性好、不易變形、耐腐蝕、絕緣、挺括、易洗快干等特點，但是PET的極限氧指數為20 %～22 %[2]，屬于易燃纖維。由PET紡織品引發的火災頻有發生，造成重大的人身傷亡和經濟損失。因此提高PET紡織物的阻燃性成為PET研究的重要領域。

1 PET阻燃改性的研究概況

1.1 阻燃PET的改性方法

阻燃PET的改性方法主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、后處理法和一些新技術。其中，共聚阻燃改性是在聚酯的合成階段將阻燃單體與聚酯組分進行縮聚而合成的阻燃聚酯，進而紡織成阻燃纖維。由于阻燃單體固定在聚酯大分子鏈上，在使用過程中不會發生溶解或滲析現象，因而這種阻燃PET具有相對的永久性，毒性較低[3]。共混阻燃改性是在紡絲過程中進行改性，即在紡絲成形之前，將一定量的阻燃劑添加到聚合物熔體中，經混合加工使阻燃劑均勻地分散在聚合物中，或以普通聚酯與含有阻燃成分的聚酯進行復合紡絲[2]。后處理法主要有涂層法、噴霧法、浸漬烘燥法、浸軋焙烘法等，使阻燃劑固著在織物上，獲得阻燃效果。新技術有復合紡絲改性和接枝改性法等[4]。

1.1.1 共聚阻燃改性

黃璐等[5]在PET中引入阻燃劑[(6 - 氧代 - 6H - 二苯并[c,e][1,2]氧磷雜己環 - 6 - 基)甲基]丁二酸(DDP)，采用共聚法得到含磷阻燃PET，將其與納米二氧化硅(SiO2)共混，得到SiO2含量為2 %～8 %的含磷硅阻燃PET，并對其結構與性能進行了研究。結果發現，隨著DDP含量的增加，PET的起始分解溫度下降，含磷硅阻燃PET在800 ℃氮氣氛圍下質量保持率可達13.6 %；隨著DDP含量的增加，含磷阻燃劑PET的極限氧指數增大，當DDP摩爾分數為5 %時，極限氧指數達到了30.2 %，加入質量分數為8 %的SiO2后，含磷硅阻燃PET的極限氧指數為31.5 %，垂直阻燃性能達UL 94 V-0級；SiO2的加入能提高含磷硅阻燃PET的抗熔滴效果，使阻燃后的炭層石墨化程度提高。

馬萌等[6]在PET的酯化過程中添加含磷共聚型阻燃劑CEPPA(其中磷質量分數相對PET為0.6 %)和硼酸鋅(ZB)(相對PET質量分數為0.05 %～0.2 %)分別作為主阻燃劑和助阻燃劑制備復合阻燃PET。單獨添加ZB使制備的阻燃PET，極限氧指數提高到27 %，殘炭量提高，抑煙效果比較明顯，抗熔滴性能得到改善；共同添加ZB和CEPPA所制得的復合阻燃PET的熱降解殘炭率為14.4 %，極限氧指數進一步提高到29 %，燃燒殘炭表面致密，綜合阻燃性能更好。

王鵬等[7]將磷系阻燃劑CEPPA、三聚氰胺尿酸鹽(MCA)復配成膨脹型阻燃體系，在PET的酯化過程中加入到反應體系內，制備了一系列不同磷氮比的阻燃抗熔滴PET；結果發現，磷系阻燃劑的加入可以顯著提高PET的阻燃性能，同時加入MCA后，改性PET的成炭性能和抗熔滴性能明顯得到改善，相對于純PET，其極限氧指數提高到29 %，垂直燃燒性能達到V-0級。

黃意龍等[8]采用磷系阻燃劑CEPPA作為第三單體，通過聚合反應制備了含磷的阻燃共聚酯。與PET相比，阻燃共聚酯的玻璃化轉變溫度(Tg)和熔點(Tm)下降，結晶度減小。隨阻燃劑含量的增加，材料的極限氧指數值增加，當阻燃共聚酯的磷含量達到9.08 mg/g時，極限氧指數達到33 %以上。

魏雪梅等[9]用磷系阻燃劑CEPPA與乙二醇(EG)合成2 - 羧乙基苯基次膦酸乙二酯(CEPPA-EG)，再加入到對苯二甲酸乙二醇酯的縮聚體系中合成含磷阻燃聚酯。隨著阻燃劑添加量的增多，阻燃聚酯的Tg和Tm下降，而結晶溫度(Tc)則呈上升趨勢，同時阻燃聚酯高溫處理后成炭情況良好，相對未添加阻燃劑的純聚酯，阻燃劑質量分數大于1.1 %時，極限氧指數達到34 %，阻燃效果得到較好的改善。

Lin等[10]合成出新型阻燃劑1 - (4 - 乙酰氧基苯)-1-(4羧基苯基)-1-(6 - 氧代 - 6H - 二苯并[c,e][1,2]氧磷雜己環 - 6 - 基)乙烷。阻燃劑和PET通過酸解和縮聚合成次磷酸共聚酯。通過X射線衍射和差示掃描量熱分析(DSC)分析可以看出，隨著阻燃劑含量的增加，共聚酯的結晶能力遞減。通過動態熱力學分析(DMA)和熱力學分析(TMA)表明，隨著阻燃劑含量增加，Tg增加。UL 94試驗表明，隨著阻燃劑含量的增加，PET的阻燃性能增強。并且當磷含量低至1.43 %時，共聚酯阻燃等級可以達到UL 94 V-0級。

Liu[11]以CEPPA和納米ZnCO3用原位聚合法合成新型含磷共聚酯納米復合材料。這種含磷共聚酯復合材料具有較高的極限氧指數(約32 %)，且UL 94測試為V-0級。這表明納米ZnCO3和CEPPA大大提高了PET的阻燃性能。靜態力學性能測試結果表明，復合材料的斷裂強度、模量和屈服應力隨納米ZnCO3的含量增加而增加；當3 %的納米ZnCO3加入到PET中時，這種含磷共聚酯的斷裂強度高于純PET。動態力學分析表明，與純PET相比，這種PET復合材料的儲能模量和損耗模量明顯增加。

1.1.2 共混阻燃改性

牛梅等[12]采用原位聚合法自制的核 - 殼型碳微球(CMSs)/PET微膠囊(PCMSs)作為阻燃劑，采用熔融紡絲法制備PET/PCMSs功能纖維。當阻燃劑PCMSs的質量分數為0.6 %時，PCMSs在PET纖維基體中的分散性和相容性良好，此時纖維表面較為光滑，同時具有良好的吸濕性能和阻燃性能，其極限氧指數達29.7 %。

王忠衛等[13]以2 - (二苯基膦酰) - 1,4 - 苯二酚(DPO-HQ)和苯基磷酸二氯酯(MPCP)為原料，合成新型磷系阻燃劑聚苯氧基膦酸[2-(二苯基膦酰)-1,4 - 苯二酚]酯(PDPMP)，以PDPMP為阻燃劑制備阻燃PET(FR-PET)，此阻燃PET當磷含量僅為0.41 %時，其極限氧指數達到了28.25 %，顯示出優異的阻燃性能。熱重分析表明阻燃劑的加入使得PET初始熱穩定性降低，但殘炭量明顯提高。阻燃PET在燃燒過程中生成了耐熱性較好的炭層，有助于減緩或者終止聚酯的燃燒，起到凝聚相阻燃的作用。

白玲[14]以聚對苯二甲酸1.3丙二醇酯(PTT)、回收PET瓶片為基材樹脂，通過添加玻纖、阻燃劑、增韌劑等制備出無鹵阻燃增強PTT/回收PET瓶片復合材料。在復合材料中，隨著回收PET瓶片含量的增加，復合材料的拉伸強度先增加，當質量分數達到20 %后略有降低，復合材料的缺口沖擊強度則隨著回收PET瓶片含量的增加逐步降低；無鹵紅磷阻燃劑質量分數為15 %時，復合材料的阻燃性能達到UL 94 V-0，復合材料具有良好的成型加工性和綜合性能。

王良等[15]以磷系阻燃劑CEPPA和氫氧化鈉為原料，合成2 - 丙酸鈉苯基次膦酸鈉(CEPP-Na)，并與PET共混制得阻燃聚酯。CEPP-Na與PET基體相容性良好，當CEPP-Na的質量分數為15 %時，阻燃聚酯的極限氧指數為28.5 %，且UL 94達到V-0級。

方孝芬等[16]采用對苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)并添加第三單體(SIPE)、第四單體(PEG)和第五單體(親水性)進行共聚反應制備高親水聚酯切片。通過親水聚酯切片和含共聚阻燃劑(CEPPA)的阻燃母粒共混熔融紡絲的方法制備具有阻燃功能和高親水功能的聚酯纖維，并對其阻燃性能和親水性能進行測試。結果表明，經改性后的聚酯切片熱穩定性與PET相比變化不大，極限氧指數大于30 %，得到的親水阻燃聚酯的親水性，熱穩定性及阻燃性能良好。

潘倩倩等[17]研究了含聚[9,10 - 二氫 - 9 - 氧雜 - 10 - (2,5 - 二羥基苯基)磷雜菲基 - 10 - 氧化物]苯基硫代膦酸酯(PDPTP)添加劑的PET復合體系的阻燃性能。結果顯示，加入質量分數為10 %的PDPTP后，點燃時間從47 s延長到63 s，PET的最大熱釋放速率急劇地降低了57 %，比消光面積降低31.26 %，顯示了其優異的阻燃與抑煙性。

鄧義等[18]對一種含硫聚膦酸鹽 - 聚硫代苯基膦酸(9,10 - 二氫 - 9 - 氧雜 - 10 - 膦酰雜菲)苯撐酯(PDPTP)在PET中的阻燃機理進行了研究。采用裂解色譜 - 質譜分析(PY-GC-MS)、熱重 - 紅外分析和X射線光電子能譜(XPS)等方法對PET/PDPTP復合材料的熱解產物進行分析。結果表明，PDPTP的存在有利于炭層的形成，延遲了炭層的分解。對其阻燃性能測試，當PDPTP含量為10 %時，其改性的PET材料的極限氧指數可達47 %；當PDPTP含量為5 %時，材料的垂直燃燒性能可達UL 94 V-0級。

Kilinc等[19]為了增加PET的阻燃性，使用不同的阻燃劑如磷酸三苯酯、三苯基氧化膦、硼酸鋅、硼磷酸鹽(BP)改性。復合材料使用雙螺桿擠出機制備，并隨后注射成型以用作表征。通過極限氧指數試驗測定的復合材料的阻燃性能。在燃燒過程中的冒煙情況通過百分比透光率來評估。PET復合材料的熱穩定性和拉伸性能分別通過熱重分析和拉伸試驗與純PET進行比較。當在PET里加入5 %BP和5 %磷酸三苯酯時，和純PET相比，其極限氧指數從21 %提高到36 %。根據煙濃度分析，BP是一種抑煙劑。相對于純PET，阻燃PET復合材料拉伸性能得到了增強。

Li[20]用環磷腈的對烯丙基醚酚衍生物(PACP)作為熔融共混改性PET的阻燃性能的填料。探討了阻燃劑的作用機理，研究了阻燃劑含量對其力學性能的影響。結果顯示，當5 %濃度的PACP(磷含量為0.37 %)時，能明顯提高PET/PACP的阻燃性能。且對PET的力學性能影響不大。PET/PACP的高阻燃性能是由于凝聚相阻燃劑和氣相阻燃劑的共同作用。

Thumsorn[21]以回收PET(RPET)和5 %～10 %的滑石粉和玻璃珠以及加入2 %的聚磷酸銨(APP)，用雙螺桿擠出機注射成型。研究填料含量和APP對RPET復合材料阻燃性能的影響。滑石粉和玻璃微珠以及添加APP顯著提高了RPET復合材料的拉伸強度和彎曲模量。掃描電子顯微鏡照片表現出滑石粉的分布良好，而玻璃珠則聚集在RPET的母體上。RPET復合材料阻燃性能達到UL 94 V-2阻燃等級?？梢灾赋?，由于添加的滑石粉和玻璃珠與APP的協同作用，復合材料沒有滴落效果。從熱重分析看出，大的殘炭量和低的活化能表明RPET的阻燃性能得到增強。

1.1.3 后處理法

張春花等[22]以磷酸、季戊四醇和二乙醇胺合成阻燃劑，并對PET織物進行阻燃整理。發現當阻燃劑質量濃度為250 g/L，烘焙條件為180 ℃焙烘120 s時，自制阻燃劑對PET具有很好的阻燃效果，能起到抗熔滴作用，整理PET織物的續燃時間為0 s，陰燃時間為0 s，達到GB/T 50222—2001的B1級標準。

陳冠宇等[23]用一種新型含磷腈環和磷酸酯的阻燃劑制備阻燃涂層PET織物，研究其對PET織物的阻燃性能。通過極限氧指數和垂直燃燒性能研究其在PET織物上的阻燃效果。結果表明：當阻燃劑用量僅為5 %時，極限氧指數可達28.0 %，屬于難燃等級，可以達到B1級別，且具有良好的抗熔滴性。

李芬等[24]以N,N - 雙(2 - 羥甲基)氨基乙基磷酸二甲酯與甲苯二異氰酸酯反應合成出磷 - 氮阻燃水性聚氨酯，應用于PET織物上，制備出阻燃PET。與未阻燃整理的PET織物相比，阻燃整理的PET織物的極限氧指數提高了5.7 %，垂直燃燒性能達到GB/T 5455—1997 B1級，燃燒后布面干凈，并具有良好的耐水洗性能。PET織物燃燒后表面形成致密、光滑、無空洞的炭層，炭層中磷含量遠遠超過阻燃織物中原始含量，磷富集于炭層表面。阻燃整理織物的熱失重曲線上快速熱解階段縮短，最大分解速率減小了32.7 %。

丁佩佩等[25]采用自制的膨脹型阻燃劑IFR-1對PET織物進行阻燃整理，探討了阻燃劑用量、烘焙時間對阻燃效果的影響，確定了最佳阻燃整理工藝。結果發現，膨脹型阻燃劑對PET有很好的阻燃效果，并能起到抗熔滴作用，極限氧指數值為28.5 %，陰燃、續燃時間均為0 s，在空氣氛圍下殘炭量達9.52 %，均遠大于純PET，阻燃劑自身有很好的成炭性，也促進了PET的成炭，阻燃PET的起始分解溫度低于純PET，同時拓寬了PET的分解溫度范圍。

李祥等[26]以雙三羥甲基丙烷、三氯氧磷和乙醇胺為原料，合成多功能整理劑雙三羥甲基丙烷磷酸酯乙醇胺鹽，并用于PET織物后整理。發現整理劑質量濃度為200 g/L、焙烘溫度為160 ℃、焙烘時間為180 s時，整理后織物的阻燃效果顯著，抗靜電性能良好。

臧文慧等[27]采用丙烯酰胺(AM) - 乙烯基三甲基硅烷(VTMS)水相共聚包裹聚磷酸銨(APP)的方法制備一種新型阻燃水溶膠體系，并用浸軋的方法將該阻燃體系附著到PET織物表面。當AM添加量為10 %(質量分數，下同)、VTMS添加量為1 %、APP添加量為25 %時，所得阻燃水溶膠體系均勻穩定，可固化成膠，且當烘焙溫度為150 ℃時，所得改性后PET織物具有較好的阻燃性能和耐水洗性，且力學性能受到的影響較小。

2 結語

從長遠來看，阻燃PET的發展應該向著無毒、環保、高效的方向發展。目前所使用的阻燃劑多為磷氮系阻燃劑，此類阻燃劑在阻燃過程中不僅能降低材料的熱釋放速率，提高阻燃效果，還克服了鹵系阻燃劑燃燒時易釋放出刺激性和腐蝕性氣體以及大量有毒煙氣的缺點，是目前阻燃劑發展的主要趨勢[28]。雖然磷系阻燃劑在使用過程中不會產生有毒物質，但是阻燃劑生產和中間體有一定的毒性。因此磷系阻燃劑也有一些問題急需解決。應繼續加強阻燃PET的研究，開發出更好的改性方法以及更優良的阻燃劑體系。

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ResearchProgressinPhosphorusFlameRetardantsforPolyesters

YAN Mengxiang, ZHANG Siyuan, WANG Zongshuai, RUN Mingtao*

(College of Chemistry & Environmental Science, Hebei University, Baoding 071002, China)

This paper overviewed flame-retardant modification methods for polyesters, which focused on the copolymerization, blending and post-processing methods for flame-retardant modification, and also introduced some new modification technologies. Furthermore, 2-carboxyethyl(phenylphosphinic) acid (CEPPA) as a representative phosphorus-containing flame retardant used for polyesters was introduced in detail, and future development direction of flame-retardant polyesters was proposed. It should be pointed out that low toxicity, low smoke and halogen-free flame retardants for polyesters are the current direction in development, but the development of new types of halogen-free flame retardants will be a future trend.

polyester; phosphorus flameretardant; research progress; developing trend

TQ323.4+1

A

1001-9278(2017)10-0001-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.10.001

2017-03-27

*聯系人，Lhbx@hbu.cn