膨脹型阻燃劑在聚丙烯中的應用

李艷東，喬 輝，丁 筠，張 雯

（北京化工大學，北京市 100029）

聚丙烯（PP）綜合性能優良，廣泛應用于工業、農業、汽車、電子電器、包裝及建筑材料等領域[1]。但是，PP的極限氧指數（LOI）低，只有17%～18%[2]，遇火易燃且燃燒速率快、發熱量高,并伴有發煙、滴落現象[3-5]，使其應用受到限制。因此，研究開發阻燃PP具有重要意義。

與傳統添加型阻燃劑（如鹵系阻燃劑、金屬氫氧化物阻燃劑等）相比[6-8]，膨脹型阻燃劑（IFR）因具有阻燃、抑煙、無毒環保等優點[9-10]而受到廣泛關注。IFR包含酸源、碳源與氣源。酸源通常指無機酸或燃燒時可生成酸的鹽類（如磷酸、磷酸銨、聚磷酸銨等）；碳源一般指富含碳原子的多元醇化合物，能在酸作用下脫水，從而形成膨脹型碳層的骨架，常見的碳源一般有季戊四醇、淀粉等；氣源是指在加熱燃燒的過程中可以生成非可燃性氣體的物質，氣源的主要作用是產生氣體，形成膨脹型碳層，常用氣源主要有三聚氰胺、脲醛樹脂、雙氰胺等。高聚物中添加IFR后，燃燒時表面生成膨脹碳層，可阻燃、隔熱、隔氧，生煙量少，不易生成有毒或腐蝕性氣體。本工作將國產新型磷氮系膨脹型阻燃劑（IFR-A）及國外高效膨脹型阻燃劑（IFR-B）用于阻燃PP，并制備IFR-A阻燃母粒，測試了阻燃PP的阻燃、耐水、絕緣、力學等性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP：T30S，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司生產；S2040，上海賽科石油化工有限責任公司生產。IFR-A，SR-50A，山東旭銳新材有限公司生產。IFR-B，FP-2100J，日本艾迪科精細化工有限公司生產。

1.2 主要設備及儀器

MHS-20型雙螺桿擠出機，昆山美弧螺桿機械公司生產；Π1-90F2型注塑機，東華機械有限公司生產；CMT4204型電子萬能材料試驗機，美斯特工業系統有限公司生產；XJJ-5型簡支梁沖擊試驗機，承德市金建檢測儀器有限公司生產；JF-3型氧指數測試儀，CZF-3型垂直燃燒測試儀，均為南京市江寧區分析儀器廠生產；8009型電阻率測試儀，美國吉時利儀器公司生產。

1.3 試樣制備

將IFR-A，IFR-B于80 ℃真空干燥4 h后，與PP T30S按配比混合均勻，通過雙螺桿擠出機擠出造粒并注塑成標準測試樣條；將IFR-A與PP S2040、加工助劑按配比混合均勻，通過雙螺桿擠出制備IFR-A阻燃母粒。

1.4 性能測試

阻燃性能測試：按GB/T 2406—1993測定試樣的LOI并記錄燃燒特征，按美國UL-94標準測試阻燃PP垂直燃燒級別。

耐水性能測試：稱試樣質量 ，將試樣浸于70℃去離子水中泡168 h ，烘干試樣至質量恒定，再稱量，記錄質量變化 ，測試試樣的UL-94及LOI。

導電性能測試：采用模壓法制備試樣，測定其表面電阻率及體積電阻率，試樣尺寸直徑為100 mm，厚度為（2±0.2）mm。

簡支梁沖擊強度按GB/T 1043—2008測試；彎曲性能按GB/T 9341—2000測試；拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測試。

2 結果與討論

2.1 阻燃劑對PP性能的影響

2.1.1 阻燃及耐水性能

由表1看出：當w（IFR-A），w（IFR-B）均為20%時，PP的LOI顯著提高，分別為30.9%，32.8%；當阻燃劑質量分數為25%時，IFR-A的阻燃效果勝過IFR-B。水煮前，兩種阻燃劑阻燃的PP均能通過UL-94 V-0級測試。

表1 兩種阻燃劑對PP阻燃及耐水性能的影響Tab.1 Effect of IFR-A or IFR-B on combustion performance and water resistance of the PP/IFR systems

經水煮后，兩種阻燃劑阻燃的PP都能通過UL-94 V-0級測試，且由表1還看出：兩種阻燃劑阻燃PP的LOI都有較高的保留率，隨w（IFR-B）增加，LOI保留率變化不大；當w（IFR-A）為20%時，LOI保留率為100%，隨w（IFR-A）增加，LOI保留率呈降低趨勢。

2.1.2 力學性能

由表2看出：添加阻燃劑后， 阻燃PP的拉伸強度顯著下降。隨w（IFR-B）增加，PP的彎曲應力略有升高；隨w（IFR-A）升高，阻燃PP的彎曲應力呈下降趨勢。未添加阻燃劑的PP樣條無法被沖斷，抗沖擊性能較好，但添加兩種阻燃劑后的阻燃PP樣條均可被沖斷，說明加入阻燃劑使PP的沖擊強度嚴重下降；當w（IFR-A）和w（IFR-B）均為20%時，阻燃PP的沖擊強度相差不大；當w（IFR-A）和w（IFR-B）均為25%時，IFR-A阻燃PP的沖擊強度迅速降低，而IFR-B阻燃PP的沖擊強度也有所降低，但幅度較小；當w（IFR-A）和w（IFR-B）均為30%時，IFR-A阻燃PP的沖擊強度下降幅度變小，而IFR-B阻燃PP的沖擊強度大幅降低。這可能是由于兩種阻燃劑與PP的相容性有一定差異，且在不同含量時，阻燃劑在PP中的分散均勻程度不同所致。

表2 阻燃劑對PP力學性能的影響Tab.2 Effect of IFR-A or IFR-B on mechanical properties of the PP/IFR systems

2.1.3 導電性能

由圖1看出：添加阻燃劑后，PP的體積電阻率與表面電阻率均呈上升趨勢，但仍保持在1×1012數量級。

圖1 兩種阻燃劑阻燃PP的體積電阻率和表面電阻率Fig.1 Variation of the volume resistivity and surface resistivity with IFR-A or IFR-B content

2.2 IFR-A阻燃母粒的制備

將IFR-A與PP S2040熔融共混，分別制備w（IFR-A）為55%，60%，65%，70%，75%的阻燃母粒。將阻燃母粒分別與PP T30S共混，使最終阻燃PP中的w（IFR-A）均為20%。將IFR-A直接添加到PP中，所制w（IFR-A）為20%的阻燃PP的LOI為35.1%。由圖2看出：隨阻燃母粒中w（IFR-A）增加，阻燃母粒阻燃PP的LOI在35.1%上下波動，但幅度不大。阻燃母粒中w（IFR-A）為60%時，阻燃PP的LOI最大，為36.4%，可能是該濃度的阻燃母粒與PP的共混效果好，阻燃劑在PP中分布較均勻的緣故。

圖2 w（IFR-A）不同的阻燃母粒對阻燃PP LOI的影響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：選用w（IFR-A）分別為60%，65%，70%的阻燃母粒制備阻燃PP，所制阻燃PP均能順利達到UL-94 V-0級；當阻燃母粒中w（IFR-A）分別為55%，75%時，所制阻燃PP達到UL-94 V-1級。這可能是由于該濃度阻燃母粒與PP共混時，IFR-A在PP中分散不勻，阻燃PP中有效阻燃劑含量降低所致。

表3 w（IFR-A）不同的阻燃母粒對阻燃PP力學性能的影響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還看出：與直接添加法相比，采用添加阻燃母粒阻燃PP的拉伸強度、彎曲應力變化不大，沖擊強度波動較大。當阻燃母粒中w（IFR-A）為60%時，所制阻燃PP的拉伸強度最大，達23.37 MPa；當阻燃母粒中w（IFR-A）為75%時，所制阻燃PP的彎曲應力最大，達30.83 MPa；當阻燃母粒中w（IFR-A）為65%時，所制阻燃PP的沖擊強度最大，達29.27 kJ/m2；當母粒中w（IFR-A）大于65%時，所制阻燃PP的沖擊強度顯著降低。這是因為阻燃母粒中的阻燃劑濃度過高，在阻燃PP加工成型過程中難以分散均勻所致。

采用母粒法制備阻燃PP可減少基體PP的熱歷史，便于生產，當阻燃母粒中w（IFR-A）為60%時，最終阻燃PP的燃燒性能、力學性能較好。

3 結論

a）當w（IFR-A）或w（IFR-B）為20%～30%時，阻燃PP均能達到UL-94 V-0級，表面電阻率與體積電阻率均保持在1×1012數量級，阻燃劑對PP的導電性能影響不大。w（IFR-A）為20%時，IFR-A阻燃PP經水煮后，LOI保留率為100%，耐水性最好。

b）w（IFR-A）或w（IFR-B）為20%時，阻燃PP的彎曲應力、沖擊強度較高，拉伸強度明顯下降。

c）當阻燃母粒中w（IFR-A）為60%時，阻燃PP的燃燒性能、力學性能較好，與直接添加IFR-A相比，阻燃PP的性能變化不大。

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