超支化三嗪成炭劑阻燃聚丙烯

石鵬翔，張健榜，王艷東，王 杰，于守武

(華北理工大學材料科學與工程學院，河北省無機非金屬材料重點實驗室，唐山市功能高分子材料重點實驗室，河北 唐山 063009)

0 前言

IFR是20世紀70年代發展起來的一種環保綠色型阻燃劑, 具有低煙、低毒、不滴落的優點，這種阻燃劑具有良好的膨脹阻燃作用，可以有效地預防和減少火災事故的發生[1]。IFR中一般包括3部分，即碳源、酸源和氣源，碳源(成炭劑)是指在燃燒過程中能被脫水劑奪走水分而被炭化的物質[2]。在IFR中，碳源的效率直接決定了IFR的整體效能，因此對于高效成炭劑的開發，一直是研究的熱點[3-6]。

本文應用實驗室自制一種新型CFA，具有相對分子質量大、熱穩定性高等優點，同時在阻燃過程中兼具碳源和氣源的作用。將CFA和APP按1∶1的比例進行復配形成IFR并添加到PP中，制備了阻燃PP復合材料，研究了阻燃復合材料的阻燃性能及力學性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

APP，工業級，湖北柳樹溝化工科技有限公司；

PP，PPH-M12，中國石油化工天津分公司；

CFA，實驗室自制，分子結構如圖1所示。

圖1 CFA的分子結構式Fig.1 Structure of CFA

1.2 主要設備及儀器

轉矩流變儀，XSS-300，上海科創橡塑機械設備有限公司；

平板硫化機，XLB-D/Q400×，青島君臨機械有限公司；

注塑機，M1200，武漢啟恩科技發展有限責任公司；

氧指數測定儀,JF-3，南京市江寧區分析儀器廠；

水平垂直燃燒測定儀，CZF-3，南京市江寧區分析儀器廠；

簡支梁組合沖擊試驗機，XJ-50Z，承德大華試驗機有限公司；

電子萬能拉伸試驗機，AGS-X，日本島津北京分公司；

場發射掃描電子顯微鏡(SEM)，S-4800，日本日立公司。

1.3 樣品制備

將自制的CFA與APP以1∶1的比例復配為IFR，然后將IFR與PP在轉矩流變儀中進行熔融共混，共混溫度為180 ℃，共混時間為15 min；阻燃復合材料的配方見表1。

表1 阻燃復合材料樣品配方

1.4 性能測試與結構表征

沖擊性能按GB/T 1043—2008測試將試樣制成80 mm×8 mm×4 mm的標準試樣，缺口類型為A型，調整簡支梁沖擊測試儀的支撐間距為60 mm，選擇沖擊速率為2.9 m/s，沖擊能量為1 J，每一組試樣為5個，并取平均值；

拉伸性能按GB/T 1040—2006測試將拉伸樣條制成75 mm× 5 mm×2 mm的標準試樣，設定拉伸速率為50 mm/min，每組5個樣條，計算5個試樣的平均值；

垂直燃燒測試按GB/T 2408—2008測定；

SEM分析：對復合材料的沖擊斷面、拉伸斷面進行SEM測試，斷面經噴金處理后進行觀測，加速電壓為10 kV。

2 結果與討論

2.1 力學性能分析

圖2 阻燃復合材料的沖擊強度Fig.2 Impact strength of flame retardant PP composites

沖擊性能測試結果如圖2所示。純PP的沖擊強度為2.95 kJ/m2。當PP中加入15 %的IFR時，沖擊強度相對PP-0有所提高，達到了3.98 kJ/m2，這可能是由于加入阻燃劑時，混合IFR顆粒起到了結晶成核劑的作用，促進了PP結晶，使其球晶細微化，從而改善了其力學性能[7-8]。當IFR含量超過15 %時，隨著含量的增加，復合材料的沖擊強度不斷降低，加入20 %的IFR時，沖擊強度為3.40 kJ/m2，加入25 %的IFR時為3.06 kJ/m2，這是由于熔融共混過程中，阻燃劑微粒部分團聚為大顆粒，隨機分布于PP基體中，造成應力集中，用量越大，缺陷點越多，造成沖擊性能損傷越明顯[9]。

阻燃復合材料的拉伸強度如圖3所示。可以看出，阻燃劑對材料的抗拉伸能力具有破壞作用，但降低幅度不大。純PP的拉伸強度為38.40 MPa,隨著阻燃劑含量的增加，樣條的拉伸強度不斷下降，當加入15 %的IFR時，材料的拉伸強度下降為36.49 MPa，加入20 %的IFR時，拉伸強度為32.11 MPa，加入25 %的ITR時，拉伸強度為30.73 MPa，阻燃劑含量為25 %時，復合材料的拉伸強度相當于純PP的80 %，該IFR的加入對材料的力學性能影響相對較小。

圖3 阻燃復合材料的拉伸強度Fig.3 Tensile strength of flame retardant PP composites

2.2 阻燃性能分析

表2為復合材料的極限氧指數和垂直燃燒等級的測試結果。從測試結果來看，純PP為易燃材料，PP-1為可燃材料，PP-2、PP-3為難燃材料。隨著IFR含量的增加，極限氧指數不斷提高。其中添加15 %的IFR時，材料的極限氧指數即達到26.0 %；加入25 % IFR的PP-3，極限氧指數已經達到31.9 %，說明這種復合IFR具有良好的阻燃效果。IFR含量為15 %的PP-1，就可以通過UL 94 V-0測試，此時極限氧指數為26 %。這表明CFA和APP復配的IFR具有優異的阻燃效果，使得PP的阻燃性能得到大幅度提升。

表2 復合材料的極限氧指數和垂直燃燒等級

2.3 SEM分析

樣品：(a)PP-0 (b)PP-1 (c)PP-2 (d)PP-3圖4 阻燃復合材料的沖擊斷面照片Fig.4 Shock section photos of flame retardant PP composites

阻燃復合材料的沖擊斷面如圖4所示。可以看出，PP-0沖擊斷面展現出錯位平臺的形貌，一般呈現這種形態的材料，沖擊強度偏弱。從PP-1的沖擊斷面可以看出，阻燃顆粒在其中分散比較均勻，很少有顆粒團聚的現象，阻燃劑與PP基體沒有明顯的邊界，同時表面有不規則的凸起和凹陷，這可能是由于阻燃顆粒脫嵌造成的，而顆粒脫嵌需要較高的能量，所以沖擊強度比較高。PP-2和PP-3也出現凸起和凹陷，但隨著阻燃劑含量的增加，阻燃劑大顆粒出現得更加密集。這是因為熔融共混過程中，由于阻燃劑含量相對較高，顆粒間的碰撞幾率比較高，形成團聚體的概率也就相對較高。PP-3中阻燃劑顆粒的尺寸甚至可以達到30 μm左右，這些大尺寸團聚體容易造成應力集中，在復合材料受到沖擊應力時，就會從應力集中點附近率先形成破壞[10]。圖5是PP-1的拉伸斷裂試樣的斷面照片。可以看出,PP-1試樣的斷面比較粗糙，該試樣中雖然加入了15 %的IFR，在斷裂時仍因為拉伸作用形成了一定數量的微纖狀細絲，這些微纖狀的細絲在被拉斷之前，能產生比較高的斷裂應力，從而使阻燃復合材料顯示出相對較高的拉伸強度。

圖5 PP-1的拉伸斷面照片Fig.5 Tensile section picture of PP-1

3 結論

(1)復合IFR具有優異的阻燃性能，加入15 %的IFR，即可使PP的垂直燃燒達到UL 94 V-0級別，同時其極限氧指數為26.0 %；復合材料中含有25 %的IFR時，材料的極限氧指數可以達到31.9 %；

(2)含有15 %的IFR時，復合材料的沖擊性能相對純PP稍有提高，隨后隨著IFR含量的增加，沖擊性能降低；

(3)隨著IFR含量的增加，阻燃復合材料的拉伸性能有所降低但不明顯，含有25 %IFR時,其拉伸性能相當于純PP的80 %。