葛乘源

(山東省青島第三十九中學(xué)，山東青島 266000)

聚丙烯(Polypropylene，簡稱PP)由于價格便宜、性能優(yōu)良，強(qiáng)度、剛度、硬度耐熱性好的優(yōu)點。因此得到廣泛應(yīng)用，但聚丙烯氧指數(shù)為17.5%，極易引發(fā)火災(zāi)，聚丙烯燃燒時，產(chǎn)生大量黑煙和刺鼻性氣味，伴隨熔融滴落后，繼續(xù)燃燒，聚丙烯燃燒反應(yīng)不易產(chǎn)生炭［1］。

氮磷阻燃劑由酸源(脫水劑)、炭源(成炭劑)和氣源(泡沫劑)。其燃燒時，產(chǎn)生煙量低煙、具有低毒［2］，且是對環(huán)境影響較小的阻燃劑。但由于氮磷阻燃劑相容性差、熱穩(wěn)定性能差、用量大，以及易吸濕和遷移等問題，嚴(yán)重影響了機(jī)械性能、外觀和成本，應(yīng)用范圍使用受到影響。

紅磷是一種廣泛使用的無機(jī)阻燃劑［3］，但紅磷的吸濕性和不穩(wěn)定性。力學(xué)性能很差，影響其應(yīng)用范圍。目前，國內(nèi)對經(jīng)膠囊化包覆處理氮磷阻燃劑、紅磷阻燃劑有較多報道，但包覆處理的紅磷與氮磷阻燃劑添加到聚丙烯(PP)中研究不多。

本文重點研究包覆紅磷與氮磷阻燃劑協(xié)同，通過制備包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯，氮磷阻燃劑為包覆紅磷阻燃劑提供了含氧的基團(tuán)，同時磷的含氧酸加速氮磷阻燃劑碳源脫水成炭，形成的液膜和炭層隔離高溫，提高阻燃效能、節(jié)約了成本。筆者按照不同用量制備包覆紅磷阻燃聚丙烯、氮磷阻燃聚丙烯和包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯;通過對阻燃劑聚丙烯的力學(xué)、燃燒和阻燃性能測定，驗證了氮磷阻燃聚丙烯和包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯的阻燃特性。

1 試樣制備與測試

1.1 試樣原料

聚丙烯，PP－H－075，山東東方宏業(yè)化工有限公司;包覆紅磷，含磷量80%，青島海飛化學(xué)有限公司;氮磷阻燃劑(IFR)(為膠囊化處理的季戊四醇、聚磷酸銨和三聚氰胺按比例復(fù)配而成)，青島歐普新材料有限公司;PE蠟和抗氧劑1010，青島伊士特國貿(mào)有限公司

1.2 測試設(shè)備與儀器

雙螺桿擠出機(jī)，KTE－16A，南京科爾克擠出裝備有限公司;雙科精密注塑機(jī)，SK30，濟(jì)南金捷塑料機(jī)械有限公司;氧指數(shù)測定儀，JF－3型，上海精密儀器儀表有限公司;電子拉力試驗機(jī)，TCS－2000，高鐵檢測儀器有限公司;雙目體式顯微鏡，SX－5，北京上光儀器有限公司;塑料沖擊試驗機(jī)，XJJ－50，濟(jì)南美特斯測試技術(shù)有限公司;熱失重儀，TG209F1，德國耐馳公司。

1.3 試樣制備

首先將各種配料按照配比方案稱重混合，然后使用擠出機(jī)造粒，擠出機(jī)溫度設(shè)定為150～230℃，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整為120r/min。然后將造粒后的物料放置到恒溫鼓風(fēng)干燥箱，溫度設(shè)定為80℃，干燥8h。最后將注塑機(jī)設(shè)定溫度170～220℃。注塑機(jī)保壓時間為6s，冷卻時間15s，注射壓力為6.0MPa，將粒料制成試樣。

1.4 試樣測試

將試樣分別按照 GB/T1040.2－2006、GB/T9341－2008、GB/T1043.1－2008/1eA進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度等力學(xué)測試，按照GB/T2406.1－2009和GB/T2408－2008測試極限氧指數(shù)和水平燃燒性能。

燃燒殘渣表面形貌使用體視顯微鏡，放大20倍觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃劑用量對聚丙烯阻燃性能影響

2.1.1 IFR用量對聚丙烯阻燃性能影響

圖1 聚丙烯中磷氮阻燃劑含量與極限氧指數(shù)變化曲線

圖1 為聚丙烯中磷氮阻燃劑含量與極限氧指數(shù)變化曲線。上圖表明隨著磷氮阻燃劑含量的增大，復(fù)合材料極限氧指數(shù)不斷增大，當(dāng)磷氮阻燃劑(IFR)用量25份時，聚丙烯的極限氧指數(shù)達(dá)到27.8%。對氮磷阻燃聚丙烯進(jìn)行垂直燃燒發(fā)現(xiàn)，氮磷阻燃劑(IFR)達(dá)到25份以上僅達(dá)到V－2阻燃等級。因為聚丙烯燃燒中生成大量的氣體，氣相的阻燃效果顯著，但碳層形成不理想，且凝聚相的阻燃效果不高。所以垂直燃燒測試的阻燃等級不高。

2.1.2 不同用量包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯阻燃效能

圖2 聚丙烯中包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃含量與極限氧指數(shù)變化曲線

圖2 是包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量對聚丙烯(包覆紅磷和氮磷阻燃劑質(zhì)量比1∶4)極限氧指數(shù)的影響。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨阻燃劑增加材料極限氧指數(shù)提升顯著，當(dāng)包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量為25份時，極限氧指數(shù)為31.5%，阻燃效果好于單獨使用氮磷阻燃劑(IFR)或包覆紅磷阻燃劑。同時在垂直燃燒測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量為25份時，復(fù)合材料可在不滴滴的垂直燃燒試驗中自行熄滅，達(dá)到V1級，阻燃效果較好。

2.2 阻燃劑用量對聚丙烯力學(xué)性能的影響

2.2.1 氮磷阻燃聚丙烯力學(xué)指標(biāo)

從表1發(fā)現(xiàn)，隨著氮磷阻燃劑添加量變化，對聚丙烯力學(xué)性能的影響。氮磷阻燃劑添加量增大，聚丙烯的拉伸強(qiáng)度逐漸減小;彎曲強(qiáng)度隨著IFR用量增大先增加后減小，加入10份IFR后，聚丙烯的彎曲強(qiáng)度增大至49.5MPa，提高了32.4%，氮磷阻燃劑添加量增大，彎曲強(qiáng)度逐步下降;沖擊強(qiáng)度隨著氮磷阻燃劑(IFR)添加量增多，先增加后減小，加入20份IFR后，聚丙烯的沖擊強(qiáng)度增大至9.4kJ/m2，提高了44.6%，這可能是阻燃劑起到了異相成核作用造成的。

表1 不同用量氮磷阻燃聚丙烯的力學(xué)指標(biāo)

2.2.2 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量對聚丙烯力學(xué)性能的影響

表2 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量對聚丙烯力學(xué)性能的影響

從表2中發(fā)現(xiàn)，隨包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量的增加，聚丙烯的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨之下降，而沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)25份包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑時，沖擊強(qiáng)度達(dá)到峰值7.8 kJ/m2，說明包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑填料作用明顯，同時也具有一定異相成核作用。

2.3 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑對聚丙烯熱性能影響

圖3 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑阻燃聚丙烯TGA曲線

從圖3中可以看到隨著包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑添加量增加，材料的初始分解溫度下降，最大熱失重速率溫度和分解速率溫度升高，殘?zhí)苛恳灿兴岣撸@是因為高溫下包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑降解，釋放出的NH3、水蒸氣和其他一些小分子物質(zhì)，吹起聚丙烯表面炭層，形成一層蓬松帶有氣孔的炭層，阻斷了部分氧氣和熱量與聚丙烯直接接觸，大大減緩聚丙烯降解速率，而隨著阻燃劑含量不斷增加，高溫下聚丙烯蓬松炭層厚度增加，聚丙烯最大熱失重速率溫度升高，使包覆紅磷協(xié)同氮磷系阻燃聚丙烯熱穩(wěn)定性有進(jìn)一步的提高。

表3 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量熱失重實驗數(shù)據(jù)

從表3可以看出，純聚丙烯在燃燒后的熱失重率很低，僅為0.3%;在加入包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑之后，聚丙烯的熱失重率有了較大提高，但起始分解溫度卻大幅下降，雖然聚丙烯的起始分解溫度有所降低，但T50%和Tmax均有一定的上升，所以整體的熱穩(wěn)定性較之純聚丙烯是提高的。

2.4 包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯燃燒后烯殘渣形貌

圖4為純聚丙烯和包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃聚丙烯經(jīng)過燃燒后殘渣的顯微鏡圖。發(fā)現(xiàn)包覆紅磷協(xié)同氮磷聚丙烯表面炭層呈現(xiàn)海綿狀泡沫層，泡沫層吸附有含有的絮狀碳化物，其為聚丙烯燃燒釋放的黑煙生成物。

圖4 燃燒殘渣形貌照片

3 結(jié)論

(1)包覆紅磷與氮磷阻燃劑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)使復(fù)合材料氧指數(shù)達(dá)到31.5%，垂直燃燒測試等級增加到V－1級，阻燃效果好于單獨使用包覆紅磷或氮磷阻燃劑。

(2)材料的彎曲強(qiáng)度和簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度隨IFR與包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑用量的增加先增加后減小，拉伸強(qiáng)度則隨之減小。

(3)材料的殘?zhí)苛?、最大熱失重速率溫度和熱穩(wěn)定性隨包覆紅磷協(xié)同氮磷劑增加而增加。

(4)當(dāng)包覆紅磷用量5份和氮磷阻燃劑(IFR)20份組成的包覆紅磷協(xié)同氮磷阻燃劑阻燃聚丙烯的綜合性能較好。