无卤阻燃PP材料的火灾危险性分析

吕强　刘小林　胡志　叶淑英　刘罡

(1.中煤科工集团重庆研究院科聚孚工程塑料有限责任公司,重庆，400037;2. 重庆市高性能工程塑料工程技术研究中心,重庆，400037)

聚丙烯(PP)具有密度小、无毒、易加工、抗冲击强度、抗挠曲性及电绝缘性好等优点,被广泛用于包装、纺织品、建材、电子电器等很多行业[1]。然而,纯PP的极限氧指数(LOI)值仅为17.4%～18.5%,非常容易燃烧且燃烧发热量大,产生的熔滴又极易传播火焰,并产生大量的不饱和气体,由此而带来的火灾危险性也越来越大[2]。传统的含卤阻燃PP可以达到较为理想的阻燃效果,但是火灾过程中会释放大量有毒、腐蚀性的卤化氢气体,导致电路系统开关和其他金属物件的腐蚀以及对人体呼吸道和其他器官造成危害甚至因窒息而威胁生命安全[3]。无卤阻燃材料因为其阻燃性能优异,有毒烟气释放量低成为当今阻燃材料研究的一大热点。因此,对无卤阻燃PP的火灾危险性分析具有重大意义。

下面分别对比了纯PP与无卤阻燃PP的阻燃性能、热降解情况、模拟火灾过程中的热量释放以及有毒烟气释放随时间的变化规律,系统分析无卤阻燃PP对火灾中热和烟气危险性的降低作用。

1　试验部分

1.1　主要原料及仪器设备

PP,K7726,中石油北京燕山分公司;无卤阻燃剂SR-201A-1(聚磷酸铵APP与三嗪环成炭剂CFA复配产品),市售。

高速混合机,SHR-10A,张家港市曙光机械厂;双螺杆挤出机,TE-35型,江苏科亚化工装备有限公司;注塑机,SZ-90型,广东东华机械有限公司;垂直燃烧仪，CZF-2型,南京江宁分析仪器有限公司;氧指数测定仪，HC-2C型,南京江宁分析仪器有限公司;热重分析仪，TG 209 F1,德国NETZSCH公司;锥形量热仪，标准型，英国Fire Test Technology公司。

1.2　试样制备

将各种物料按照一定配方加入高速混合机中,混合均匀后在双螺杆挤出机中熔融共混,挤出造粒。挤出机各段温度为180,190,200,200,190 ℃,螺杆转速为120 r/min。将所得粒料在80 ℃下干燥6 h,经注塑机在200 ℃下注塑成标准试样,供测试使用。

1.3　性能测试

UL-94样条尺寸:130 mm×13 mm×3.2 mm;LOI样条尺寸:130 mm×6.5 mm×3.2 mm;热重分析,升温速率为10 ℃/min,加热范围为40～700 ℃,氮气的气体流速均为60 mL/min;锥形量热测试,辐照强度在50 kW/m2条件下, 按ISO 5660—1标准进行测试, 样品尺寸为100 mm×100 mm×3 mm。

2　结果与分析

2.1　垂直燃烧和氧指数测试

通过添加不同用量无卤阻燃剂SR-201A-1,测试阻燃PP的UL-94和LOI数据,各种物料配方及测试结果见表1。

表1　无卤阻燃PP的配方及阻燃性能

从表1中数据可以发现,阻燃剂SR-201A-1对提高PP阻燃性能有很好的效果,随着阻燃剂添加量的增加,LOI数值也逐渐增加,当添加阻燃剂质量分数分别为10%和15%时,LOI由纯PP的17.6%分别增加至21.2%和26.7%;添加了阻燃剂SR-201A-1的PP燃烧过程中熔滴现象得到了很好抑制,当阻燃剂添加质量分数为15%时,第1次供火后,样条均在1～5 s内熄灭,未出现熔滴现象,只是第2次供火后,样条依旧持续燃烧;阻燃剂添加质量分数为20%时,样品的LOI达到33.2%,UL-94达到V-0级。

2.2　热降解行为分析

图1为无卤阻燃PP(4#)及纯PP(1#)的热失重曲线。

从图1可以看出,无卤阻燃PP(4#)与纯PP(1#)的热分解过程相似,主要失重均发生在350～500 ℃,纯PP的初始分解温度(材料失重质量分数5%时)为345 ℃,在700 ℃下没有任何残炭剩余。无卤阻燃PP的初始分解温度略有提高, 达到359 ℃,说明阻燃剂SR-201A-1加入导致PP的分解过程滞后,提高了材料的热稳定性;同时阻燃剂的加入,提高了材料在凝聚相中的残留,700 ℃的残炭质量分数由0提高至6.9%。

图1　无卤阻燃PP及纯PP热失重分析

2.3　火灾热危险性分析

图2为无卤阻燃PP(4#)及纯PP(1#)的热释放速率曲线。

图2　无卤阻燃PP及纯PP热释放速率分析

从图2可以看出,纯PP点燃后热释放速率(HRR)短时间内急剧上升,其峰值热释放速率高达718 kW/m2,而无卤阻燃PP(4#)燃烧时,热释放速率相比纯PP得到很好的抑制,其峰值热释放速率为156 kW/m2,只有纯PP的21.7%。说明无卤阻燃PP在燃烧过程中向环境放热是一个缓慢的过程,不利于引燃其他材料。

2.4　火灾烟气危险性分析

图3和图4分别为无卤阻燃PP(4#)及纯PP(1#)的烟释放速率和总烟释放与时间的关系。

图3　无卤阻燃PP及纯PP的烟释放速率与时间关系

从图3中可以看出,无卤阻燃PP(4#)烟释放速率峰值比纯PP明显下降,从纯PP为0.13 m2/s

降低至0.02 m2/s,下降幅度为85%。这意味着无卤阻燃PP在实际火情中有毒烟气的释放强度得到了有效地抑制;同时在时间上也向后延缓,为人员的现场疏散赢得了宝贵的时间。从图4中可以看出,无卤阻燃PP对总烟生成量抑制效果也较为突出,总烟释放与纯PP的19.7 m2相比降低至8.3 m2。

图4　无卤阻燃PP及纯PP的总烟释放与时间关系

3　结论

a)无卤阻燃剂SR-201A-1对PP有着优异的阻燃效果,当其添加质量分数为20%时,阻燃材料LOI可达33.2%,垂直燃烧为V-0级。

b)无卤阻燃剂SR-201A-1促使PP材料的分解过程滞后,热稳定性提高。

c)无卤阻燃PP材料可以有效地降低体系热和烟的释放速率及释放量,极大地减小材料的火灾危险性。