雜化阻燃劑對膨脹型阻燃PP的研究

李寶釵

(衡水學院 應用化學系，河北 衡水 053000)

聚丙烯(PP)質輕，易成型加工，耐化學腐蝕性及電絕緣性良好，應用領域廣泛。但PP易燃，極限氧指數(LOI)值為18%左右，且燃燒時產生大量的熔融滴落物，導致火勢的蔓延，限制了其本身的應用[1-2]，提高PP的阻燃性能也變得尤為重要。膨脹型阻燃劑(IFR)是無鹵阻燃劑發展的重要方向之一，開發和研究日趨活躍[3]。硅磷兩元素的阻燃機理具有一定互補性，將兩者同時使用可產生協同作用[4]。雜化阻燃劑與膨脹型阻燃體系復配，具有一定的協效作用，阻燃性能得到改善[5-6]。

李小吉[7]將磷硅雜化阻燃劑(EMPZR)、聚磷酸銨(APP)和多聚磷酸密胺(MPP)并用成新型IFR加入到PP中。結果表明，復配阻燃劑對PP的阻燃效果更加明顯，高溫殘炭率提高。吳艷金[8]將含磷聚硅氧烷、硅樹脂與APP復配加入到PP中，結果表明，復配阻燃劑能在降低阻燃劑總用量的前提下，提高PP的阻燃效果和高溫殘炭率。本文將自制的硅磷雜化阻燃劑(SiP)與傳統膨脹型阻燃劑聚磷酸銨/季戊四醇(APP/PER)復配使用，研究其對 PP 的影響。

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；聚磷酸銨，高聚，麥克林試劑公司；季戊四醇，分析純，天津市大茂化學試劑廠；硅磷雜化阻燃劑，實驗室自制。

1.2 測試儀器及設備

塑料雙輥開煉機，XK-160，大連嘉爾新橡膠機械有限公司；平板熱壓機，XLB-D350X350，青島華天鑫工貿有限公司；電子萬能試驗機，UTM4204，深圳三思縱橫科技股份有限公司；氧指數測試儀，ZY6155A，東莞市中諾質檢儀器設備有限公司；煙密度測試儀，ZY6166A-PC，東莞市中諾質檢儀器設備有限公司；萬能制樣機，WYZ-240，承德市科承試驗機有限公司；懸臂梁沖擊試驗機，XJU-5.5J，承德益和檢測設備有限公司；邵氏硬度計，LX-D，溫州一鼎儀器制造有限公司；熱重分析儀，TGA4000，美國PE。

1.3 復合材料的制備

按照配方稱取PP、IFR，SiP于170℃雙輥開煉機上混煉10min。其中，PP用量75份，阻燃劑總用量25份(SiP的份數分別為0、1、1.5、2、2.5、3份，其余為IFR用量)，混煉均勻后下片，于190℃、壓力為10MPa平板熱壓機上熱壓10min，熱壓完成后再冷壓20min，得到PP復合材料，裁成標準樣以備性能測試。

1.4 性能測試

拉伸性能：GB/T1040-2006，拉伸速率50mm/min。彎曲性能：GB/T9341-2008，試驗速度2mm/min。沖擊性能：GB/T1843-2008。氧指數：GB/T2406.2-2009。煙密度：GB/T8627-2007。熱失重：氮氣保護，流量20mL/min，測量范圍35℃～800℃，升溫速率20℃/min。

2 結果與討論

2.1 燃燒性能測試

表1是不同用量SiP對膨脹型阻燃PP的燃燒性能的影響結果。由表可以看出，當添加25份阻燃劑時，PP/IFR復合材料的氧指數為26.8%，煙密度等級為66.1%，最大煙密度為100%。隨著SiP用量的增加，PP/IFR/SiP復合材料的氧指數、煙密度呈現先降低后增加的趨勢，最大煙密度有一定程度的降低。當添加2份SiP時，PP/IFR/SiP復合材料的氧指數達到26.3%，煙密度等級達到50.1%，最大煙密度達到81.4%，阻燃性能及抑煙性能較好。可能是由于少量磷硅雜化阻燃劑的加入，破壞了傳統膨脹型阻燃體系的穩定性，阻燃效果變差。但隨著硅磷雜化阻燃劑用量的增多，提高了阻燃劑間的相互作用，使得體系極限氧指數增加，且PP的熔融滴落情況有所緩解。硅磷雜化阻燃劑高效、防熔滴、低煙，SiP的加入使得PP/IFR/SiP試樣濃煙減少，煙密度等級降低，SiP阻燃劑與IFR之間具有一定的協同作用。

表1 PP/IFR/SiP燃燒性能測試結果

2.2 熱失重測試

圖1和表2探討了SiP的引入對膨脹型阻燃PP的熱穩定性的影響。由圖表看出，PP/IFR復合材料的初始失重溫度T5%為314.0℃，峰值失重Tmax為461.1℃，失重50%的溫度T50%為448.6℃，800℃殘炭量為2.1%。SiP的加入，使得PP/IFR/SiP復合材料初始分解溫度降低，峰值失重溫度降低，殘炭率增加。PP/IFR/SiP復合材料熱失重過程主要分為三個階段，第一階段是220℃到300℃，主要是APP的初步分解及其分解產物與PER的反應。第二階段是300℃到500℃，主要是PP的分解。第三階段是500℃到600℃，主要是SiP發生分解以及APP、PER的進一步分解[9]。

圖1 PP/IFR/SiP的TG(a)和DTG(b)圖譜

表2 TG和DTG譜圖相關參數

2.3 力學性能測試

表3是PP/IFR/SiP復合材料的力學性能測試結果，由表可知，PP/IFR復合材料的拉伸強度為17.87MPa，沖擊強度為3.45 kJ/m2，彎曲強度為36.22 MPa，邵氏D硬度為70。隨著SiP用量的增加，PP/IFR/SiP復合材料拉伸強度呈先下降后上升趨勢，沖擊強度變化不大，彎曲強度呈先下降后上升的趨勢，硬度呈下降趨勢。加入少量的SiP可能局部分布不均，致使PP鏈之間的相互作用力減弱，導致了力學性能的降低。但隨著SiP用量的增加，提高了IFR與PP的相容性，體系力學性能上升。

表3 PP/IFR/SiP力學性能測試結果

3 結論

將硅磷雜化阻燃劑加入到膨脹型阻燃PP中，氧指數呈現先降低后增加的趨勢，煙密度等級下降，拉伸強度和彎曲強度呈現先降低后增加的趨勢，沖擊強度變化不大，硬度降低，熱重曲線峰值失重溫度降低，800℃殘炭率增加。當添加2份SiP時，PP/IFR/SiP復合材料的氧指數達到26.3%，煙密度等級達到50.1%，最大煙密度達到81.4%，阻燃性能及抑煙性能較好。