呂強(qiáng)　劉小林　胡志　葉淑英　劉罡

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院科聚孚工程塑料有限責(zé)任公司,重慶，400037;2. 重慶市高性能工程塑料工程技術(shù)研究中心,重慶，400037)

聚丙烯(PP)具有密度小、無毒、易加工、抗沖擊強(qiáng)度、抗撓曲性及電絕緣性好等優(yōu)點,被廣泛用于包裝、紡織品、建材、電子電器等很多行業(yè)[1]。然而,純PP的極限氧指數(shù)(LOI)值僅為17.4%～18.5%,非常容易燃燒且燃燒發(fā)熱量大,產(chǎn)生的熔滴又極易傳播火焰,并產(chǎn)生大量的不飽和氣體,由此而帶來的火災(zāi)危險性也越來越大[2]。傳統(tǒng)的含鹵阻燃PP可以達(dá)到較為理想的阻燃效果,但是火災(zāi)過程中會釋放大量有毒、腐蝕性的鹵化氫氣體,導(dǎo)致電路系統(tǒng)開關(guān)和其他金屬物件的腐蝕以及對人體呼吸道和其他器官造成危害甚至因窒息而威脅生命安全[3]。無鹵阻燃材料因為其阻燃性能優(yōu)異,有毒煙氣釋放量低成為當(dāng)今阻燃材料研究的一大熱點。因此,對無鹵阻燃PP的火災(zāi)危險性分析具有重大意義。

下面分別對比了純PP與無鹵阻燃PP的阻燃性能、熱降解情況、模擬火災(zāi)過程中的熱量釋放以及有毒煙氣釋放隨時間的變化規(guī)律,系統(tǒng)分析無鹵阻燃PP對火災(zāi)中熱和煙氣危險性的降低作用。

1　試驗部分

1.1　主要原料及儀器設(shè)備

PP,K7726,中石油北京燕山分公司;無鹵阻燃劑SR-201A-1(聚磷酸銨APP與三嗪環(huán)成炭劑CFA復(fù)配產(chǎn)品),市售。

高速混合機(jī),SHR-10A,張家港市曙光機(jī)械廠;雙螺桿擠出機(jī),TE-35型,江蘇科亞化工裝備有限公司;注塑機(jī),SZ-90型,廣東東華機(jī)械有限公司;垂直燃燒儀，CZF-2型,南京江寧分析儀器有限公司;氧指數(shù)測定儀，HC-2C型,南京江寧分析儀器有限公司;熱重分析儀，TG 209 F1,德國NETZSCH公司;錐形量熱儀，標(biāo)準(zhǔn)型，英國Fire Test Technology公司。

1.2　試樣制備

將各種物料按照一定配方加入高速混合機(jī)中,混合均勻后在雙螺桿擠出機(jī)中熔融共混,擠出造粒。擠出機(jī)各段溫度為180,190,200,200,190 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min。將所得粒料在80 ℃下干燥6 h,經(jīng)注塑機(jī)在200 ℃下注塑成標(biāo)準(zhǔn)試樣,供測試使用。

1.3　性能測試

UL-94樣條尺寸:130 mm×13 mm×3.2 mm;LOI樣條尺寸:130 mm×6.5 mm×3.2 mm;熱重分析,升溫速率為10 ℃/min,加熱范圍為40～700 ℃,氮氣的氣體流速均為60 mL/min;錐形量熱測試,輻照強(qiáng)度在50 kW/m2條件下, 按ISO 5660—1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試, 樣品尺寸為100 mm×100 mm×3 mm。

2　結(jié)果與分析

2.1　垂直燃燒和氧指數(shù)測試

通過添加不同用量無鹵阻燃劑SR-201A-1,測試阻燃PP的UL-94和LOI數(shù)據(jù),各種物料配方及測試結(jié)果見表1。

表1　無鹵阻燃PP的配方及阻燃性能

從表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),阻燃劑SR-201A-1對提高PP阻燃性能有很好的效果,隨著阻燃劑添加量的增加,LOI數(shù)值也逐漸增加,當(dāng)添加阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和15%時,LOI由純PP的17.6%分別增加至21.2%和26.7%;添加了阻燃劑SR-201A-1的PP燃燒過程中熔滴現(xiàn)象得到了很好抑制,當(dāng)阻燃劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時,第1次供火后,樣條均在1～5 s內(nèi)熄滅,未出現(xiàn)熔滴現(xiàn)象,只是第2次供火后,樣條依舊持續(xù)燃燒;阻燃劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,樣品的LOI達(dá)到33.2%,UL-94達(dá)到V-0級。

2.2　熱降解行為分析

圖1為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的熱失重曲線。

從圖1可以看出,無鹵阻燃PP(4#)與純PP(1#)的熱分解過程相似,主要失重均發(fā)生在350～500 ℃,純PP的初始分解溫度(材料失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時)為345 ℃,在700 ℃下沒有任何殘?zhí)渴Ｓ?。無鹵阻燃PP的初始分解溫度略有提高, 達(dá)到359 ℃,說明阻燃劑SR-201A-1加入導(dǎo)致PP的分解過程滯后,提高了材料的熱穩(wěn)定性;同時阻燃劑的加入,提高了材料在凝聚相中的殘留,700 ℃的殘?zhí)抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)由0提高至6.9%。

圖1　無鹵阻燃PP及純PP熱失重分析

2.3　火災(zāi)熱危險性分析

圖2為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的熱釋放速率曲線。

圖2　無鹵阻燃PP及純PP熱釋放速率分析

從圖2可以看出,純PP點燃后熱釋放速率(HRR)短時間內(nèi)急劇上升,其峰值熱釋放速率高達(dá)718 kW/m2,而無鹵阻燃PP(4#)燃燒時,熱釋放速率相比純PP得到很好的抑制,其峰值熱釋放速率為156 kW/m2,只有純PP的21.7%。說明無鹵阻燃PP在燃燒過程中向環(huán)境放熱是一個緩慢的過程,不利于引燃其他材料。

2.4　火災(zāi)煙氣危險性分析

圖3和圖4分別為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的煙釋放速率和總煙釋放與時間的關(guān)系。

圖3　無鹵阻燃PP及純PP的煙釋放速率與時間關(guān)系

從圖3中可以看出,無鹵阻燃PP(4#)煙釋放速率峰值比純PP明顯下降,從純PP為0.13 m2/s

降低至0.02 m2/s,下降幅度為85%。這意味著無鹵阻燃PP在實際火情中有毒煙氣的釋放強(qiáng)度得到了有效地抑制;同時在時間上也向后延緩,為人員的現(xiàn)場疏散贏得了寶貴的時間。從圖4中可以看出,無鹵阻燃PP對總煙生成量抑制效果也較為突出,總煙釋放與純PP的19.7 m2相比降低至8.3 m2。

圖4　無鹵阻燃PP及純PP的總煙釋放與時間關(guān)系

3　結(jié)論

a)無鹵阻燃劑SR-201A-1對PP有著優(yōu)異的阻燃效果,當(dāng)其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,阻燃材料LOI可達(dá)33.2%,垂直燃燒為V-0級。

b)無鹵阻燃劑SR-201A-1促使PP材料的分解過程滯后,熱穩(wěn)定性提高。

c)無鹵阻燃PP材料可以有效地降低體系熱和煙的釋放速率及釋放量,極大地減小材料的火災(zāi)危險性。