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膨胀型阻燃剂的阻燃原理及常用配方
发布时间:2021.08.11
信息摘要:
膨胀型阻燃剂(IFR)由于其阻燃效率高、低烟、无毒、无腐蚀气体释放等特点,被认为是当今无卤阻燃材料的发展方向之一。但由于膨胀型阻燃剂与聚丙烯相容性差、吸潮、易析出等原因,目前,膨胀型阻燃剂表面改性、不同阻燃剂的协同效应、开发新型膨胀型阻燃剂已成为膨胀型阻燃技术主要发展趋势。



膨胀型阻燃剂(IFR)由于其阻燃效率高、低烟、无毒、无腐蚀气体释放等特点,被认为是当今无卤阻燃材料的发展方向之一。但由于膨胀型阻燃剂与聚丙烯相容性差、吸潮、易析出等原因,目前,膨胀型阻燃剂表面改性、不同阻燃剂的协同效应、开发新型膨胀型阻燃剂已成为膨胀型阻燃技术主要发展趋势。


288-膨胀型阻燃剂


1.阻燃机理


IFR一般是以磷、氮、碳元素为主要成分的新型复合阻燃剂。通常由三部分组成——成炭剂(碳源),脱水剂(酸源)和膨胀剂(气源)。在常规的IFR复合阻燃剂中,通常作为酸源的是聚磷酸铵(APP),作为碳源的是季戊四醇(PER),作为气源的是三聚氰胺(MA),其发挥阻燃的作用机理为:当温度升高时,IFR中的碳源在酸源的作用下,发生酯化反应,产物为酯类化合物;其后,发生脱水交联反应,酯类化合物形成炭化物,同时气源分解产生的气体作用于这些炭化物,使其形成封闭、多孔、蓬松的发泡结构炭层,该炭层实质是碳的微晶,为无定型碳结构,不能燃烧,并且可起到隔断聚丙烯阻燃材料与热源间发生热传导的作用,使得聚阻燃丙烯的热降解温度得到提高。此外,封闭的发泡炭层能够阻碍气体发生扩散,亦即阻止热分解生成的可燃性气体发生扩散,同时阻隔外界氧气流通到未裂解的阻燃聚丙烯材料表面,由于燃烧得不到充足的氧气和热能,正在燃烧的阻燃聚丙烯材料就会自熄。


2.常用配方


通过调节碳源、酸源、气源这三种组分的配比,可合成阻燃效果不同的复合型IFR。传统的复合型IFR配方是以3/1/1的质量比来分别混合复配酸源、碳源、气源,由此得到的IFR具有最佳的阻燃效果。目前,主要由多羟基化合物和含碳丰富的聚合物作为碳源,前者主要有如季戊四醇、甘露醇或山梨醇等,后者则包括热塑性聚氨酯和PA6以及淀粉等。三嗪高分子及其衍生物,由于含有稳定的三嗪环,其本身具有易成炭的性能,已成为新型的成炭剂,近年来也开始备受关注。聚磷酸铵、硼酸锌和磷酸铵镁是最常见的酸源物质。三聚氰胺、双氰胺甲醛树脂、硼酸胺、双氰胺、聚磷酸铵、氯化石蜡等则是常用的气源物质。



288-膨胀型阻燃剂01



单组分的IFR集碳源、酸源和气源于同一组分当中,其优点是不仅可以有效地减少PP中IFR的添加量,同时改善材料的吸水性,而且具有良好的热稳定性,此外,还可通过与聚丙烯基体材料的单体进行接枝共聚,这样就能有效地改善IFR与聚丙烯基体之间兼容性差的问题,但单组分IFR阻燃效率相对较低。目前,国内外单组分IFR实现商品化的品种较少,最先被应用于聚烯烃阻燃的单组分IFR是1-氧基磷杂-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂双环[2.2.2]辛烷(PEPA)的磷酸酯,从此之后,这类化合物作为IFR阻燃剂在聚烯烃中的应用和研发引起了阻燃界高度重视。季戊四醇双磷酸酯密胺盐(PDM)是季戊四醇系列单组分IFR的代表,是最典型的“三位一体”IFR阻燃剂,也是国外已商品化的单组分IFR产品,其阻燃性能良好、有较好的热稳定性以及耐光老化性能。



为了进一步提高IFR的阻燃效率,通常采用沸石、传统的金属化合物、金属螯合物、天然黏土以及稀土氧化物等作为IFR体系的协同阻燃助剂。此外,蒙脱土、水滑石、单壁碳纳米管或多壁碳纳米管等纳米颗粒,也被添加到聚丙烯基体中,与IFR共同作用以提高其阻燃效果。总之,添加适量的协效助剂,与IFR共同协效阻燃,可明显地改善聚丙烯的阻燃性能,抑制聚丙烯在燃烧过程中释放热量,减缓放热率,同时降低燃烧时发生的热失重效应导致的质量损失,提高聚丙烯的热稳定性和增加燃烧后的剩炭量。



针对IFR的热稳定性差、易吸潮、与聚丙烯相容性差以及阻燃效率不够高等问题,近年来出现纳米化、表面改性、微胶囊化等新型处理技术对IFR进行性能改进处理。



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