阻燃聚丙烯的热性能及性能研究

阻燃聚丙烯的热性能及性能研究

这种高科技材料具有节能、轻质、高质量和良好的加工性能。广泛应用于生产区和日常生活。然而，大多数高科技材料是危险的，存在严重的火灾风险。目前,全球生产的阻燃剂种类主要以无机阻燃剂和有机阻燃剂为主。以氢氧化铝为代表的无机阻燃剂在合成材料中,除了有阻燃效果外,还有抑制发烟和氯化氢生成的作用,而且赋予材料无毒性、无腐蚀性和价格低廉等优点,但是其添加量大,常常会影响材料的物理力学性能。有机阻燃剂主要有卤系和磷系两大类:卤系阻燃剂特别是含氯、溴阻燃剂的阻燃效果好,但由于燃烧时会产生有毒有害物质而在应用方面受到很多限制,因此无卤化的呼声越来越高。磷系阻燃剂具有发烟量少,不产生有毒气体,自熄性好且综合性能高等优点,被认为是未来阻燃剂发展的方向。本实验合成了一种新型磷-氮系阻燃剂,并采用聚磷酸铵(APP)与其混合复配成膨胀型阻燃剂,将其应用于聚丙烯(PP)中,并研究了其对PP阻燃性能的影响。1实验部分1.1原料和添加剂新型磷-氮系阻燃剂,实验室自制;聚磷酸铵(APP),武汉凯迪化工科技有限公司;PP,EPS30R,中国石油天然气集团公司。1.2仪器、试药和仪器集热式恒温加热磁力搅拌器,DF-101S,巩义市予华仪器有限公司;高速万能粉碎机,FW-100,天津市泰斯特仪器有限公司;氧指数测定仪,HC-2,江宁县分析仪器厂;垂直燃烧测定仪,CZF-2,江宁县分析仪器厂;热重分析仪,Pyris1,珀金埃尔默仪器(上海)有限公司;同向双螺杆挤出机,SHJ-36,南京诚盟化工机械有限公司;注射机,TY-200,大禹机械公司;电子万能试验机,WDW-20,深圳市凯强利机械有限公司;冲击试验机,XJJ-5,河北承德试验机厂。1.3阻燃聚磷酸铵阻燃涂层胶凝剂的制备单一的磷-氮系阻燃剂应用到PP中阻燃效果一般,为此,需要进行适当的混合复配,使酸源、碳源、气源各组分比例合理,以达到更好的阻燃效果。将自制的阻燃剂和聚磷酸铵按3:1(质量比)混合均匀后,放置真空干燥箱中40℃下干燥6h,将PP放置于烘箱中100℃下干燥3h。然后将复配阻燃剂和PP按不同配比(质量比)进行混合后,采用同向双螺杆挤出机经熔融共混挤出,造粒,通过注射机制得待测试样。其中,同向双螺杆挤出机各段的加工温度分别为:185、190、200、210、200及190℃;喂料转速为210r/min;注射温度为220℃。1.4垂直燃烧检测氧指数按GB/T2406—1993标准使用氧指数仪测定,样条尺寸为100mm×6.5mm×3mm。垂直燃烧等级按UL94标准使用垂直燃烧仪测定,样条尺寸为125mm×13mm×3mm。热失重(TGA)性能测试:样品质量5mg,升温速率为10℃/min,高纯氮氧保护,流速为40ml/min,测试温度范围为30~700℃。拉伸强度按照GB/T1040—1992标准进行测试。缺口冲击强度按照标GB/T1043—1993标准进行测试。2结果与讨论2.1阻燃剂的添加量表1是纯PP以及阻燃改性PP的氧指数(OI)测试结果。从表1可以看出,不同配比的阻燃剂添加量对PP的OI有一定的提高,当添加量为30%时,OI由原来的17%提高到了32.3%,表明该阻燃剂能显著地提高PP的阻燃性能。2.2阻燃剂添加量选择表2是纯PP以及阻燃改性PP的UL94测试结果。从表2可以看出,当阻燃剂添加量为10%时,材料不能通过等级测试;当添加量为15%~20%时,阻燃材料燃烧等级达到UL94V-1级标准;当添加量为25%以上时,阻燃材料燃烧等级达到UL94V-0级。2.3pp热性能的测定纯PP以及阻燃改性PP的TGA曲线,见图1。从图1可以看出,纯PP的热失重过程只有失重阶段,从345.37℃开始失重,在459.68℃失重达到最大,500℃之后失重不明显,直至600℃时,失重已经达到99.69%,基本无炭残渣,说明纯PP成炭性和热稳定性很差;阻燃PP的热失重过程比较杂乱:(1)失重区域在152.36~325.66℃之间,该阶段失重11.77%,这是因为添加的膨胀型阻燃剂提前分解所致;(2)主要失重区域集中在325.66~489.26℃之间,最大失重位于462.69℃,此阶段失重率约为81.61%。这是阻燃剂和PP共同失重的结果;(3)此后失重比较小,到600℃时约有6.56%的残留量,直至800℃时仍有1.72%的残留量。综上所述,阻燃改性PP的成炭性比纯PP要好很多,同时也具有很好的热稳定性,这是由于添加的阻燃剂在热源的作用下优先分解,释放出大量的难燃性气体,稀释了可燃性气体,同时阻燃剂良好的成炭性使得炭层覆盖在PP表面,相对延缓了PP的热分解和氧化反应的发生,从而起到了很好的阻燃效果。2.4阻燃剂添加量对pp树脂体的影响图2为复配阻燃剂用量对PP力学性能的影响。从图2可以看出,随着阻燃剂添加量的不断增加,PP的拉伸强度逐渐增大,说明该阻燃剂对PP树脂基体有一定的增强作用;PP的缺口冲击强度随着阻燃剂添加量增加而下降,且低于未阻燃试样,这是因为该阻燃剂的分子极性较强,从而引起二者相容性下降。3按复配阻燃剂配比进行配比(1)将新型磷-氮系阻燃剂与APP混合复配后使用,阻燃测试结果表明:该复配阻燃剂能显著提高PP的阻燃性能。(2)当按复配阻燃剂:PP=30:70(质量比)进行配比时,改性PP具有良好的阻燃性能,其材料