杂化阻燃剂对膨胀型阻燃PP的研究

李宝钗

(衡水学院 应用化学系，河北 衡水 053000)

聚丙烯(PP)质轻，易成型加工，耐化学腐蚀性及电绝缘性良好，应用领域广泛。但PP易燃，极限氧指数(LOI)值为18%左右，且燃烧时产生大量的熔融滴落物，导致火势的蔓延，限制了其本身的应用[1-2]，提高PP的阻燃性能也变得尤为重要。膨胀型阻燃剂(IFR)是无卤阻燃剂发展的重要方向之一，开发和研究日趋活跃[3]。硅磷两元素的阻燃机理具有一定互补性，将两者同时使用可产生协同作用[4]。杂化阻燃剂与膨胀型阻燃体系复配，具有一定的协效作用，阻燃性能得到改善[5-6]。

李小吉[7]将磷硅杂化阻燃剂(EMPZR)、聚磷酸铵(APP)和多聚磷酸密胺(MPP)并用成新型IFR加入到PP中。结果表明，复配阻燃剂对PP的阻燃效果更加明显，高温残炭率提高。吴艳金[8]将含磷聚硅氧烷、硅树脂与APP复配加入到PP中，结果表明，复配阻燃剂能在降低阻燃剂总用量的前提下，提高PP的阻燃效果和高温残炭率。本文将自制的硅磷杂化阻燃剂(SiP)与传统膨胀型阻燃剂聚磷酸铵/季戊四醇(APP/PER)复配使用，研究其对 PP 的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，T30S，中国石油天然气股份有限公司；聚磷酸铵，高聚，麦克林试剂公司；季戊四醇，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；硅磷杂化阻燃剂，实验室自制。

1.2 测试仪器及设备

塑料双辊开炼机，XK-160，大连嘉尔新橡胶机械有限公司；平板热压机，XLB-D350X350，青岛华天鑫工贸有限公司；电子万能试验机，UTM4204，深圳三思纵横科技股份有限公司；氧指数测试仪，ZY6155A，东莞市中诺质检仪器设备有限公司；烟密度测试仪，ZY6166A-PC，东莞市中诺质检仪器设备有限公司；万能制样机，WYZ-240，承德市科承试验机有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJU-5.5J，承德益和检测设备有限公司；邵氏硬度计，LX-D，温州一鼎仪器制造有限公司；热重分析仪，TGA4000，美国PE。

1.3 复合材料的制备

按照配方称取PP、IFR，SiP于170℃双辊开炼机上混炼10min。其中，PP用量75份，阻燃剂总用量25份(SiP的份数分别为0、1、1.5、2、2.5、3份，其余为IFR用量)，混炼均匀后下片，于190℃、压力为10MPa平板热压机上热压10min，热压完成后再冷压20min，得到PP复合材料，裁成标准样以备性能测试。

1.4 性能测试

拉伸性能：GB/T1040-2006，拉伸速率50mm/min。弯曲性能：GB/T9341-2008，试验速度2mm/min。冲击性能：GB/T1843-2008。氧指数：GB/T2406.2-2009。烟密度：GB/T8627-2007。热失重：氮气保护，流量20mL/min，测量范围35℃～800℃，升温速率20℃/min。

2 结果与讨论

2.1 燃烧性能测试

表1是不同用量SiP对膨胀型阻燃PP的燃烧性能的影响结果。由表可以看出，当添加25份阻燃剂时，PP/IFR复合材料的氧指数为26.8%，烟密度等级为66.1%，最大烟密度为100%。随着SiP用量的增加，PP/IFR/SiP复合材料的氧指数、烟密度呈现先降低后增加的趋势，最大烟密度有一定程度的降低。当添加2份SiP时，PP/IFR/SiP复合材料的氧指数达到26.3%，烟密度等级达到50.1%，最大烟密度达到81.4%，阻燃性能及抑烟性能较好。可能是由于少量磷硅杂化阻燃剂的加入，破坏了传统膨胀型阻燃体系的稳定性，阻燃效果变差。但随着硅磷杂化阻燃剂用量的增多，提高了阻燃剂间的相互作用，使得体系极限氧指数增加，且PP的熔融滴落情况有所缓解。硅磷杂化阻燃剂高效、防熔滴、低烟，SiP的加入使得PP/IFR/SiP试样浓烟减少，烟密度等级降低，SiP阻燃剂与IFR之间具有一定的协同作用。

表1 PP/IFR/SiP燃烧性能测试结果

2.2 热失重测试

图1和表2探讨了SiP的引入对膨胀型阻燃PP的热稳定性的影响。由图表看出，PP/IFR复合材料的初始失重温度T5%为314.0℃，峰值失重Tmax为461.1℃，失重50%的温度T50%为448.6℃，800℃残炭量为2.1%。SiP的加入，使得PP/IFR/SiP复合材料初始分解温度降低，峰值失重温度降低，残炭率增加。PP/IFR/SiP复合材料热失重过程主要分为三个阶段，第一阶段是220℃到300℃，主要是APP的初步分解及其分解产物与PER的反应。第二阶段是300℃到500℃，主要是PP的分解。第三阶段是500℃到600℃，主要是SiP发生分解以及APP、PER的进一步分解[9]。

图1 PP/IFR/SiP的TG(a)和DTG(b)图谱

表2 TG和DTG谱图相关参数

2.3 力学性能测试

表3是PP/IFR/SiP复合材料的力学性能测试结果，由表可知，PP/IFR复合材料的拉伸强度为17.87MPa，冲击强度为3.45 kJ/m2，弯曲强度为36.22 MPa，邵氏D硬度为70。随着SiP用量的增加，PP/IFR/SiP复合材料拉伸强度呈先下降后上升趋势，冲击强度变化不大，弯曲强度呈先下降后上升的趋势，硬度呈下降趋势。加入少量的SiP可能局部分布不均，致使PP链之间的相互作用力减弱，导致了力学性能的降低。但随着SiP用量的增加，提高了IFR与PP的相容性，体系力学性能上升。

表3 PP/IFR/SiP力学性能测试结果

3 结论

将硅磷杂化阻燃剂加入到膨胀型阻燃PP中，氧指数呈现先降低后增加的趋势，烟密度等级下降，拉伸强度和弯曲强度呈现先降低后增加的趋势，冲击强度变化不大，硬度降低，热重曲线峰值失重温度降低，800℃残炭率增加。当添加2份SiP时，PP/IFR/SiP复合材料的氧指数达到26.3%，烟密度等级达到50.1%，最大烟密度达到81.4%，阻燃性能及抑烟性能较好。