新無鹵膨脹型阻燃劑的應用與研究

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]由于獨特的膨脹成炭阻燃機理，被大量應用于聚烯烴材料[3～4]，其具有高阻燃性、抗熔滴、高耐候、無鹵、低煙等優點。聚磷酸銨（簡稱APP）作為主要酸源應用于膨脹型阻燃劑復配。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，產品浸水后阻燃性能下降明顯的缺點。

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

1 實驗部分

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任公司）；玻璃纖維（泰山玻璃纖維有限公司）；YH503（TPE、昆山創興），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 主要設備及儀器

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

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，并在高速混合機中混勻，經雙螺桿擠出機擠出造粒，粒料110 ℃下干燥2 h，在注塑機上注塑標準樣條以備性能測試。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。極限氧指數按GB/T 2406—1993進行測試，試樣尺寸為80 mm×l0 mm×4 mm。參照ISO 5660-1：2002((對火反應試驗熱釋放、產煙量及質量損失速率第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置為50 kW，溫度約為780 ℃。

2 結果與討論

2.1 聚烯烴中阻燃性

采用有機-無機復合方式在分子鏈中引入硅氧烷，磷、硅和氮等元素協同阻燃，在主鏈中形成—O—P—O—SiR—O—，得到磷/硅化合物，實現磷硅氮協同阻燃。PNA220采用多元素協同阻燃，在PP中應用阻燃效果較傳統IFR好，可適用與玻纖增強聚丙烯的阻燃應用，達到同樣的阻燃等級，阻燃劑添加量同比傳統阻燃劑少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用聚烯烴材料中錐形量熱熱釋放速率峰值低，與傳統阻燃劑相比，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IFR

圖4 不同阻燃劑對熱釋放速率的影響

傳統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、容易產生遷移析出，產品阻燃性下降明顯。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最長時間17 s，平均最長時間13 s，火高34 cm。而傳統阻燃TPE易發生轟然，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 結論

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

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

采用硅烷偶聯包覆，提高阻燃劑在熱塑性彈性體中的相容性，同時硅-炭結合，提高產品阻燃性，滿足不同標準阻燃要求。氣源、酸源、碳源為一體，產品發氣性好，碳性佳，錐形量熱測試膨脹倍率高，熱釋放速率峰值低。

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