热塑性聚烯烃弹性体/磷酸二氢铵阻燃复合体系的性能

李 晓 燕，冯 钠，李 红，王 旭，刘 建 辉

（大连工业大学 化工与材料学院，辽宁 大连 116034）

0 引言

热塑性聚烯烃弹性体（TPO）是一种重要的热塑性弹性体，它具有高弹性、高强度、高伸长率和良好的低温性能，又具有优异的耐热耐老化和抗紫外性能。但是TPO 本质具有可燃性，氧指数仅为18%，存在极易燃烧的严重缺陷，这就极大地限制了TPO 的使用范围。因此，TPO 的阻燃问题是一个亟待解决的问题［1-2］。

针对TPO 阻燃体系的研究主要集中在卤阻燃体系和无卤阻燃体系两个方面。卤阻燃体系阻燃效果好，但燃烧时会造成二次污染；无卤阻燃的研究主要是采用添加无机阻燃剂的方法改善TPO 的阻燃性能，这种方法简单易行，但不足是会使TPO 的断裂伸长率大幅度降低，弹性下降。近年来，随着人们环保意识的增强和社会对清洁高效阻燃体系需求的增加，化学膨胀阻燃体系引起了人们的广泛关注，并正在成为阻燃聚合物研究的热点课题［3-5］，但是针对TPO 弹性体化学膨胀阻燃体系的设计和系统研究报道甚少。

本文以TPO 为基体树脂，设计了以磷酸二氢铵（ADP）为气源兼酸源的二元化学膨胀阻燃体系。通过氧指数测试、垂直燃烧测试、水平燃烧测试等手段，研究ADP 阻燃TPO 体系的阻燃性能；采用光学显微镜（OM）对体系的膨胀层进行表征，并对体系的力学性能进行系统研究。

1 实验

主要原料和助剂：TPO，ADP，其他助剂均为化学纯。

主要仪器和设备：双辊筒炼塑机，平板硫化机，电子万能实验机，氧指数测试仪，光学显微镜，数码相机。

复合材料制备：TPO 与处理后的阻燃剂经双辊混炼，压制成型制样。

炭层形貌表征：在空气中点燃试样，达到指定燃烧时间后，熄灭。取距顶端指定距离的切片作为样品进行分析。利用数码相机对聚合物燃烧后的膨胀炭层表面形貌进行数码拍照。

膨胀层表征：在空气中点燃试样，达到指定燃烧时间后，熄灭。取距顶端指定距离的切片作为样品，采用连续变倍体光学显微镜进行分析。

力学性能测试：参照GB 1040—79标准进行拉伸测试，拉伸速度为30 mm/min，力学性能数据通过在微机控制电子万能试验机上进行拉伸实验测得。

2 结果与讨论

2.1 TPO/ADP体系阻燃性能及膨胀层结构

由表1可以看出，随着ADP用量由0份增加到80 份，LOI由19%逐渐提高到26.6%。当ADP用量为50份时，LOI达到25.0%，材料由易燃材料改性成为难燃材料；当ADP 用量为30～60份时，体系燃烧时出现了能够覆盖燃烧表面的炭层，但是不够致密坚固；当ADP用量为30份以上时，体系燃烧时没有产生黑烟。氧指数测试条件下样条的燃烧状况由图1 所示。结果表明，ADP能够提高体系的LOI，改善体系的燃烧状况，同时促使TPO 树脂快速形成不燃性的炭物质，可以阻挡未燃烧区域与O2的接触，起到良好的隔质作用。

表1 TPO/ADP 阻燃体系LOI测试结果及燃烧现象Tab.1 The results of LOI and phenomenon of intumescent flame-retardant of TPO compound

图1 LOI测试条件下TPO/ADP阻燃体系燃烧样条数码照片Fig.1 The digital picture of LOI of intumescent flame-retardant of TPO compound

由表2可以看出，当ADP的用量低于50份时，体系脱离火焰后的燃烧时间超过30s，并且火焰迅速蔓延到夹具，无法达到等级要求；当ADP的用量为70份时，体系脱离火焰后的燃烧时间在10s之内，燃烧时没有滴落物产生，火焰传播缓慢，燃烧没有蔓延到夹具，达到FV-0级；而80份时，规定10s内，无法引燃体系，达到FV-0级。

表2 TPO/ADP阻燃体系垂直燃烧测试结果及燃烧现象Tab.2 The results of vertical burning and phenomenon of intumescent flame-retardant

由图2可以看出，燃烧时间为20s时，膨胀层截面相对光滑，气孔数量相对较少，气孔孔径较小。随着燃烧时间的增加，膨胀层截面变得凹凸不平，气孔数量明显增加，气孔孔径明显增大。相同燃烧时间的情况下，随着ADP 用量的增加，膨胀层凹凸不平程度明显提高，气孔数量明显增多，气孔孔径明显增大。

2.2 TPO/ADP体系的拉伸行为

由图3可以看出，随着ADP用量的增加，曲线与坐标轴所围面积有所减小，同时断裂点也在逐渐地下降，表明ADP 的加入使复合体系的韧性和断裂强度都有所降低。

图2 TPO/ADP二元复合阻燃体系膨胀层照片（OM）（2倍×16倍×16倍）Fig.2 The intumescent layer pictures of intumescent flame-retardant of TPO compound

图3 TPO/ADP 二元阻燃复合体系应力-应变曲线Fig.3 The stress-strain curve of intumescent flameretardant in TPO/ADP binary system

由图4可以看出，随着ADP用量的增加，体系的拉伸强度呈现先增加再逐渐降低的趋势。当ADP用量达到20份时，拉伸强度提高到3.94 MPa，但随着填加量的增加，体系的断裂伸长率逐渐降低；当ADP的用量超过20份时，断裂伸长率降低的幅度减缓；当填加量达到80份时，体系的断裂伸长率仍能保持在300%，可以满足建筑防水材料要求。

图4 TPO/ADP二元阻燃复合体系拉伸强度和断裂伸长率曲线Fig.4 The tensile strength and breaking elongation curves of intumescent flame-retardant in TPO/ADP compound

3 结论

（1）TPO 阻燃复合体系阻燃性能研究表明，在以ADP 为酸源兼气源的TPO 阻燃体系中，ADP用量的增加提高了体系的LOI值和垂直燃烧等级。ADP用量达到70 份时，体系改性成为难燃材料。

（2）OM 测试及分析表明，ADP 是良好的气源，能够促进体系生成多孔的膨胀层，同时，随着ADP用量增加，其在TPO 膨胀阻燃体系燃烧的过程中起到一定促进炭层生成的作用。

（3）TPO/ADP 阻燃复合体系拉伸行为研究表明，ADP的填加量为20份时，体系的拉伸强度能够达到3.94 MPa，ADP 的加入使体系的断裂伸长率有所下降，但仍能满足建筑防水材料要求。