新無鹵膨脹型阻燃劑的應(yīng)用與研究

邵江斌，梁忠立，朱峰

(杭州捷爾思阻燃化工有限公司，浙江 杭州 310014)

無鹵膨脹型阻燃（IFR）[1～2]由于獨(dú)特的膨脹成炭阻燃機(jī)理，被大量應(yīng)用于聚烯烴材料[3～4]，其具有高阻燃性、抗熔滴、高耐候、無鹵、低煙等優(yōu)點(diǎn)。聚磷酸銨（簡稱APP）作為主要酸源應(yīng)用于膨脹型阻燃劑復(fù)配。但APP耐水性差，易吸潮水解，因此其在加工過程中有水滑，高溫高濕析出，產(chǎn)品浸水后阻燃性能下降明顯的缺點(diǎn)。

新無鹵膨脹型阻燃體系在阻燃機(jī)理上建立了分階段阻燃模型，前期氣相阻燃為主， 后期以傳統(tǒng)的IFR凝聚相形成致密炭層，避免了不同阻燃機(jī)理的相互干擾。新阻燃體系阻燃效率高，氣相和凝聚相相互協(xié)同改善了薄壁制品滴落性，解決了玻纖增強(qiáng)體系的“燭芯”效應(yīng)，同時(shí)應(yīng)用熱塑性彈性體具有相容性好，阻燃性佳，穩(wěn)定通過VW-1測試的優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1 主要原料

阻燃劑（PNA220，杭州捷爾思阻燃化工有限公司），聚丙烯K7926（PP，共聚，MFR=26 g/10 min，上海賽科石油化工有限責(zé)任公司）；玻璃纖維（泰山玻璃纖維有限公司）；YH503（TPE、昆山創(chuàng)興），聚乙烯SP0540（PE、MFR=3.8 g/10 min 日本普瑞曼） 白油（浙江正信石油科技）；抗氧劑168/1010、鈦白粉R350（杜邦）。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港市億利機(jī)械有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，HJ-20，南京杰恩特機(jī)電有限公司；垂直燃燒測試儀，蘇州菲尼克斯質(zhì)檢儀器有限公司；氧指數(shù)測試儀，蘇州菲尼克斯質(zhì)檢儀器有限公司；錐形量熱儀，蘇州菲尼克斯質(zhì)檢儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將阻燃劑、聚丙烯、玻纖/TPE及各種助劑按一定比例稱取，并在高速混合機(jī)中混勻，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，粒料110 ℃下干燥2 h，在注塑機(jī)上注塑標(biāo)準(zhǔn)樣條以備性能測試。錐形量熱樣品采用粒子在平板流化床上壓片制備，樣品尺寸10 cm×10 cm。

1.4 性能測試及表征

燃燒性能測試：垂直燃燒性能按GB/T 2408—1996進(jìn)行測試，試樣尺寸為125 mm×l3 mm×13 mm，每組測試至少要5根樣條。極限氧指數(shù)按GB/T 2406—1993進(jìn)行測試，試樣尺寸為80 mm×l0 mm×4 mm。參照ISO 5660-1：2002((對火反應(yīng)試驗(yàn)熱釋放、產(chǎn)煙量及質(zhì)量損失速率第l部分：熱釋放速率(錐形量熱儀法)，錐形量熱儀熱輻射功率設(shè)置為50 kW，溫度約為780 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚烯烴中阻燃性

采用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合方式在分子鏈中引入硅氧烷，磷、硅和氮等元素協(xié)同阻燃，在主鏈中形成—O—P—O—SiR—O—，得到磷/硅化合物，實(shí)現(xiàn)磷硅氮協(xié)同阻燃。PNA220采用多元素協(xié)同阻燃，在PP中應(yīng)用阻燃效果較傳統(tǒng)IFR好，可適用與玻纖增強(qiáng)聚丙烯的阻燃應(yīng)用，達(dá)到同樣的阻燃等級，阻燃劑添加量同比傳統(tǒng)阻燃劑少3～5份見表1和圖1。

新無鹵膨脹阻燃劑為單組分、三元一體化阻燃劑，在燃燒過程中產(chǎn)品成炭性能更佳，炭層致密、牢固，且在燃燒過程中釋放出大量氣體，有利于炭層膨脹及其帶走熱量，減小火焰，因此新無鹵膨脹型阻燃劑應(yīng)用聚烯烴材料中錐形量熱熱釋放速率峰值低，與傳統(tǒng)阻燃劑相比，相同添加量熱釋放峰值降低約30%。

表1 新型膨脹型阻燃劑與傳統(tǒng)IFR的阻燃性比較

圖1 UL 94測試對比

圖2 新型膨脹型阻燃劑

2.2 聚丙烯中耐水性

圖3 傳統(tǒng)IFR

圖4 不同阻燃劑對熱釋放速率的影響

傳統(tǒng)APP體系無鹵膨脹阻燃劑，與高分子料的相容性差、本身耐水性不佳、容易產(chǎn)生遷移析出，產(chǎn)品阻燃性下降明顯。新無鹵膨脹型阻燃劑采用非APP體系制備，產(chǎn)品耐水性好，高溫高濕析出少，水中遷移率低，阻燃性能良好見表1。配方為：55%PP K7926，共聚，MI=26 g/10 min+24%阻燃劑+0.1%168+0.2%1010 +0.7% EBS+30%GF

表2 新型膨脹型阻燃劑與傳統(tǒng)IFR的耐水性比較

2.3 熱塑性彈性體中阻燃性

PNA220集碳源、酸源、氣源三元一體，具有良好的阻燃性，在較低的添加量下滿足不同級別的阻燃要求，傳統(tǒng)無鹵膨脹阻燃體系易流淌，造成轟燃，新阻燃體系成碳性佳，吹氣性好，自熄性好，通過1.6 mm UL94 V-0要求。

彈性體一般主要用于線纜，采用VW-1，新的無鹵膨脹阻燃FRTPE，離火自熄性佳，5/5PASS最長時(shí)間17 s，平均最長時(shí)間13 s，火高34 cm。而傳統(tǒng)阻燃TPE易發(fā)生轟然，并且火焰上面的彈性體不斷軟化-熔滴-流淌，無法形成碳層，自熄性差，不自熄

表3 新型膨脹型阻燃劑與傳統(tǒng)IFR的阻燃性比較

圖5 PNA220與IFR（APP）的UL94對比

圖6 PNA220和IFR（APP）的VW-1的對比

3 結(jié)論

新無鹵膨脹型阻燃劑在聚烯烴中的應(yīng)用，由于其阻燃機(jī)理的特殊性，可滿足不同厚度制品的阻燃要求，應(yīng)用于玻纖增強(qiáng)材料阻燃效率同樣高效。

產(chǎn)品與傳統(tǒng)APP體系無鹵膨脹型阻燃劑相比，產(chǎn)品耐水性好，不會發(fā)生遷移，高溫高濕表面無析出，解決“水滑”問題。

采用硅烷偶聯(lián)包覆，提高阻燃劑在熱塑性彈性體中的相容性，同時(shí)硅-炭結(jié)合，提高產(chǎn)品阻燃性，滿足不同標(biāo)準(zhǔn)阻燃要求。氣源、酸源、碳源為一體，產(chǎn)品發(fā)氣性好，碳性佳，錐形量熱測試膨脹倍率高，熱釋放速率峰值低。

未來，開發(fā)新型含氮磷三嗪聚合物類高效阻燃劑、探索協(xié)效阻燃新途徑、構(gòu)建高效協(xié)效阻燃體系、提高阻燃劑的耐水性以及減小阻燃劑對材料力學(xué)性能的影響，將是無鹵膨脹阻燃技術(shù)研究發(fā)展的主要方向。