活性阻燃劑對復合材料阻燃及力學性能的影響

周鑫磊，王巖，李樹茂，張建鑫

(1.海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局，哈爾濱150036)(2.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

活性阻燃劑對復合材料阻燃及力學性能的影響

周鑫磊1，王巖2，李樹茂2，張建鑫2

(1.海軍裝備部駐沈陽地區軍事代表局，哈爾濱150036)(2.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

研究了活性阻燃劑、含鹵阻燃劑及二者協同作用對玻璃纖維/環氧樹脂復合材料的阻燃性能及力學性能的影響。結果表明復合材料達到同樣的阻燃性能活性阻燃劑的添加量明顯低于含鹵阻燃劑的用量。當二者比例為1:1時，可以起到很好的協同作用，其復合材料的氧指數可以達到28，相比于只添加含鹵阻燃劑達到同樣阻燃性能的復合材料其力學性能得到明顯提高。

阻燃劑;氧指數;復合材料

1 引言

玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料與金屬材料相比具有密度低、高比強度、高比模量，良好的尺寸穩定性和優異的電性能及化學穩定性，目前已在航空航天等軍工領域得到廣泛地應用，用于制造承力結構和次承力結構，可以實現結構功能一體化［1-5］。但玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料一般屬于易燃材料，在燃燒過程中不僅釋放熱量，而且產生大量有毒有害的黑煙，嚴重影響周圍的環境和人們的身體健康。

為了有效地解決這一問題，目前采用在環氧樹脂中添加阻燃劑從而提高玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料的阻燃性能［6-7］。目前我國阻燃劑以含鹵阻燃劑為主，占整個阻燃劑的80%以上，溴系阻燃劑作為含鹵阻燃劑的代表，其阻燃效率高，用量少，對材料的性能影響較小，且價格適中，在電子電器產品中得到廣泛使用。但含鹵阻燃劑會降低基體材料的抗紫外輻照的穩定性，燃燒產生的氣體具有腐蝕性［8-12］，因此近些年開發的無鹵阻燃劑得到越來越多的關注，其中含磷的活性阻燃劑是一種高效的添加型阻燃劑，與樹脂具有良好的相容性，添加量小，對制品力學性能影響小，是替代含鹵阻燃劑的選擇之一，但對其二者的阻燃效率對比研究卻未見報道。本文采用在環氧樹脂中添加不同比例的含鹵及活性阻燃劑，制備復合材料層合板，通過對層合板氧指數及力學性能的測試研究兩種阻燃劑的阻燃效率。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

實驗中所用樹脂為E51環氧樹脂，無錫樹脂廠;采用高強玻璃纖維織物SW220南京玻璃纖維研究院;活性阻燃劑FR-XS701青島聯美化工有限公司;含鹵阻燃劑十溴二苯醚FR-10。

2.2 試樣制備

將活性阻燃劑及含鹵阻燃劑以不同質量分數比例與環氧樹脂均勻混合，經模具熱壓成型工藝制備成復合材料層合板。

2.3 性能測試

將含有不同阻燃劑比例的復合材料層合板在FTAⅡ氧指數儀按照GB/T8924-2005進行氧指數測試，

將標準試樣在Instron5582萬能試驗機上按照GB/T1447-2005進行拉伸強度測試、按GB/T1448-2005進行壓縮強度試驗、按照GB/T1449-2005進行彎曲強度試驗。

3 結果與討論

3.1 活性阻燃劑對高強玻璃布增強環氧樹脂阻燃性能的影響

活性阻燃劑一般為含磷系阻燃劑，主要分為有機磷和無機磷，其阻燃機理一般認為凝聚氣相機理為主，即在材料燃燒時，形成的磷化合物覆蓋于產品表面，隔絕氧氣，從而起到阻燃作用。同時，在燃燒過程中形成的磷酸和偏磷酸都是強酸，具有很強的脫水性，使產品脫水炭化，形成炭化層，炭化層導熱性能較差，從而隔絕外部熱源，阻止內部材料繼續燃燒。

圖1 活性阻燃劑含量對氧指數的影響

通過圖1可以看到隨著活性阻燃劑含量的增加，材料的氧指數不斷升高，當活性阻燃劑添加量達到40%時，材料的氧指數從22提高到32.5，當添加量為20%時，材料的氧指數提升最為明顯達到28. 3，即達到難燃聚合物材料的要求。

3.2 含鹵阻燃劑對玻璃纖維增強環氧樹脂阻燃性能的影響

溴系阻燃劑由于C-Br鍵能較低，分解溫度在200℃～300℃之間，與材料一同分解過程中，可以產生不燃的HBr氣體，由于該氣體比重較大，覆蓋于材料表面，可以起到隔絕空氣的作用。更為重要的是，HBr氣體可以抑制材料燃燒的連鎖反應，使燃燒速度放緩，直至熄滅。

通過圖2可以看到，含鹵阻燃劑對復合材料阻燃性能提高效果明顯，當阻燃劑添加量達到極限60%時，氧指數由24.3提高到32，當添加量為40%時，材料的氧指數提升最為明顯達到28.8，但在成型過程中，隨著含鹵阻燃劑組分的增加，體系的黏度不斷增大，嚴重影響產品的工藝性。

圖2 含鹵阻燃劑含量對氧指數的影響

3.3 不同阻燃劑對復合材料力學性能的影響

通過以上兩組試驗可以看到，當兩組試樣達到氧指數28%時，活性阻燃劑添加量為20%，而含鹵阻燃劑添加量已達到40%。通過對兩組試樣力學性能進行測試，結果表明添加20%活性阻燃劑的復合材料力學性能要優于含鹵阻燃劑的試樣。

將兩種阻燃劑以質量分數1∶1的比例進行復配，當添加量為質量分數為10%時，復合材料的氧指數即可達到28，并且其力學性能較單獨添加任意一種阻燃劑的力學性能明顯提高如表1，因此說明含磷活性阻燃劑與含鹵阻燃劑具有優異的協同阻燃作用。

表1 阻燃劑對玻璃纖維布增強環氧樹脂基復合材料力學性能的影響Table 1 Effect of flame retardant on mechanical properties of glass fiber reinforced epoxy resin matrix composites

4 結語

通過對比試驗研究了活性阻燃劑與含鹵阻燃劑的對復合材料阻燃性能及力學性能的影響，得到如下結論:

(1)使復合材料達到難燃級別，活性阻燃劑的阻燃效率要優于含鹵阻燃劑;

(2)活性阻燃劑與溴系阻燃劑具有優異的協同阻燃效果，通過復配使復合材料達到難燃級別的同時，其力學性能得到明顯提高。

［1］彭治漢.高聚物阻燃技術新進展［J］.合成樹脂及塑料，1999，16 (5):48-50.

［2］DAVIDLM.Brominated flame retardants:current es-sues and future prospect s［M］.New York:Elesedier Publisher，1992: 149-155.

［3］Sen AK，Mukherjee B，Bhattacharya AS，et al.Preparation and characterization of low-halogen and non-halgoen fire-resistant low -smoke(FRLS)cable sheathing compound from blends of functionalized polylefins and PVC［J］.Journal of Applied Polymer Science，1991，43(9):1673-1684.

［4］張宜鵬，趙春梅，畢立，等.無鹵阻燃玻纖增強聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的研制［J］.化工新型材料，2009，37(7):118 -120.

［5］中華人民共和國化學工業部.GB/T 2406-93氧指數法——塑料燃燒性能試驗方法［S］.北京:中國標準出版社，1993.

［6］Suppakarn Nitinat，Jarukumjorn Kasama.Mechanical pro-perties and flammability of sisal/PP composites:Effect of flame retardant type and content［J］.Composites Part B，2009，40(7):613 -618.

［7］Zhou Shun，Song Lei，Wang Zhengzhou，et al.Flame retardation and char formation mechanism of intumescent flame retarded polypropylene composites containing melamine phosphate and pentaerythritol phosphate［J］.Polymer Degradation and Stability，2008，93(10):1799-1806.

［8］Horacek H，Grabner R.Advantages of flame retardants based on nitrogen compounds［J］.Polymer Degradation and Stability，1996，54(2/3):205-215.

［9］Li Yantao，Li Bin，Dai Jinfeng，et al.Synergistic effects of lanthanum oxide on a novel intumescent flame retardant polypropylene system［J］.Polymer Degradation and Stabi-lity，2008，93(1): 9-16.

［10］Wu K，Song L，Hu Y，et al.Synthesis and characterization of a functional polyhedral oligomeric silsesquioxane and its flame retardancy in epoxy resin［J］.Progress in Organic Coatings，2009，65(4):490-497.

［11］陳曉浪，于杰，何敏，等.表面改性劑對聚丙烯/氫氧化鎂復合材料燃燒性能和熱穩定性及結晶行為的影響［J］.高分子材料科學與工程，2009，25(5):60-63.

［12］Hornsby PR.The application of magnesium hydroxide as a fire retardant and smoke-suppressing additive for polymers［J］.Fire and Materials，1994，18(5):269-276.

Effect of Active Flame Retardant on Flame Retardant and Mechanical Properties of Composite Materials

ZHOU Xinlei1，WANG Yan2，LI Shumao2，ZHANG Jianxin2
(1.Deputy of Chinese Navy army in Shenyang，Harbin 150036，China)(2.Harbin FRP Institute，Harbin 150036，China)

Study on the activity of flame retardant，halogen flame retardant decabromodiphenyl oxide(DBDPO)and the two synergistic effects on flame retardant properties and mechanical properties of glass fiber/epoxy resin composite material.The results show that the amount of the active flame retardant of the composite material is obviously lower than that of halogen flame retardant.When the ratio is 1:1，can play a very good synergistic effect，the oxygen index of the composite can reach 28，compared to only add halogen flame retardants reach same flame-retardant properties of composite its mechanical properties are improved significantly.

flame retardant;oxygen index;composite

2016-06-08)

周鑫磊(1979-)，男，黑龍江人，碩士，工程師。研究方向:材料工程及其裝備質量管理。

E-mail:xiaoshitan@sina.com.