新无卤膨胀型阻燃剂的应用与研究

邵江斌，梁忠立，朱峰

(杭州捷尔思阻燃化工有限公司，浙江 杭州 310014)

无卤膨胀型阻燃（IFR）[1～2]由于独特的膨胀成炭阻燃机理，被大量应用于聚烯烃材料[3～4]，其具有高阻燃性、抗熔滴、高耐候、无卤、低烟等优点。聚磷酸铵（简称APP）作为主要酸源应用于膨胀型阻燃剂复配。但APP耐水性差，易吸潮水解，因此其在加工过程中有水滑，高温高湿析出，产品浸水后阻燃性能下降明显的缺点。

新无卤膨胀型阻燃体系在阻燃机理上建立了分阶段阻燃模型，前期气相阻燃为主， 后期以传统的IFR凝聚相形成致密炭层，避免了不同阻燃机理的相互干扰。新阻燃体系阻燃效率高，气相和凝聚相相互协同改善了薄壁制品滴落性，解决了玻纤增强体系的“烛芯”效应，同时应用热塑性弹性体具有相容性好，阻燃性佳，稳定通过VW-1测试的优点。

1 实验部分

1 主要原料

阻燃剂（PNA220，杭州捷尔思阻燃化工有限公司），聚丙烯K7926（PP，共聚，MFR=26 g/10 min，上海赛科石油化工有限责任公司）；玻璃纤维（泰山玻璃纤维有限公司）；YH503（TPE、昆山创兴），聚乙烯SP0540（PE、MFR=3.8 g/10 min 日本普瑞曼） 白油（浙江正信石油科技）；抗氧剂168/1010、钛白粉R350（杜邦）。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机，SHR-10A，张家港市亿利机械有限公司；双螺杆挤出机，HJ-20，南京杰恩特机电有限公司；垂直燃烧测试仪，苏州菲尼克斯质检仪器有限公司；氧指数测试仪，苏州菲尼克斯质检仪器有限公司；锥形量热仪，苏州菲尼克斯质检仪器有限公司。

1.3 样品制备

将阻燃剂、聚丙烯、玻纤/TPE及各种助剂按一定比例称取，并在高速混合机中混匀，经双螺杆挤出机挤出造粒，粒料110 ℃下干燥2 h，在注塑机上注塑标准样条以备性能测试。锥形量热样品采用粒子在平板流化床上压片制备，样品尺寸10 cm×10 cm。

1.4 性能测试及表征

燃烧性能测试：垂直燃烧性能按GB/T 2408—1996进行测试，试样尺寸为125 mm×l3 mm×13 mm，每组测试至少要5根样条。极限氧指数按GB/T 2406—1993进行测试，试样尺寸为80 mm×l0 mm×4 mm。参照ISO 5660-1：2002((对火反应试验热释放、产烟量及质量损失速率第l部分：热释放速率(锥形量热仪法)，锥形量热仪热辐射功率设置为50 kW，温度约为780 ℃。

2 结果与讨论

2.1 聚烯烃中阻燃性

采用有机-无机复合方式在分子链中引入硅氧烷，磷、硅和氮等元素协同阻燃，在主链中形成—O—P—O—SiR—O—，得到磷/硅化合物，实现磷硅氮协同阻燃。PNA220采用多元素协同阻燃，在PP中应用阻燃效果较传统IFR好，可适用与玻纤增强聚丙烯的阻燃应用，达到同样的阻燃等级，阻燃剂添加量同比传统阻燃剂少3～5份见表1和图1。

新无卤膨胀阻燃剂为单组分、三元一体化阻燃剂，在燃烧过程中产品成炭性能更佳，炭层致密、牢固，且在燃烧过程中释放出大量气体，有利于炭层膨胀及其带走热量，减小火焰，因此新无卤膨胀型阻燃剂应用聚烯烃材料中锥形量热热释放速率峰值低，与传统阻燃剂相比，相同添加量热释放峰值降低约30%。

表1 新型膨胀型阻燃剂与传统IFR的阻燃性比较

图1 UL 94测试对比

图2 新型膨胀型阻燃剂

2.2 聚丙烯中耐水性

图3 传统IFR

图4 不同阻燃剂对热释放速率的影响

传统APP体系无卤膨胀阻燃剂，与高分子料的相容性差、本身耐水性不佳、容易产生迁移析出，产品阻燃性下降明显。新无卤膨胀型阻燃剂采用非APP体系制备，产品耐水性好，高温高湿析出少，水中迁移率低，阻燃性能良好见表1。配方为：55%PP K7926，共聚，MI=26 g/10 min+24%阻燃剂+0.1%168+0.2%1010 +0.7% EBS+30%GF

表2 新型膨胀型阻燃剂与传统IFR的耐水性比较

2.3 热塑性弹性体中阻燃性

PNA220集碳源、酸源、气源三元一体，具有良好的阻燃性，在较低的添加量下满足不同级别的阻燃要求，传统无卤膨胀阻燃体系易流淌，造成轰燃，新阻燃体系成碳性佳，吹气性好，自熄性好，通过1.6 mm UL94 V-0要求。

弹性体一般主要用于线缆，采用VW-1，新的无卤膨胀阻燃FRTPE，离火自熄性佳，5/5PASS最长时间17 s，平均最长时间13 s，火高34 cm。而传统阻燃TPE易发生轰然，并且火焰上面的弹性体不断软化-熔滴-流淌，无法形成碳层，自熄性差，不自熄

表3 新型膨胀型阻燃剂与传统IFR的阻燃性比较

图5 PNA220与IFR（APP）的UL94对比

图6 PNA220和IFR（APP）的VW-1的对比

3 结论

新无卤膨胀型阻燃剂在聚烯烃中的应用，由于其阻燃机理的特殊性，可满足不同厚度制品的阻燃要求，应用于玻纤增强材料阻燃效率同样高效。

产品与传统APP体系无卤膨胀型阻燃剂相比，产品耐水性好，不会发生迁移，高温高湿表面无析出，解决“水滑”问题。

采用硅烷偶联包覆，提高阻燃剂在热塑性弹性体中的相容性，同时硅-炭结合，提高产品阻燃性，满足不同标准阻燃要求。气源、酸源、碳源为一体，产品发气性好，碳性佳，锥形量热测试膨胀倍率高，热释放速率峰值低。

未来，开发新型含氮磷三嗪聚合物类高效阻燃剂、探索协效阻燃新途径、构建高效协效阻燃体系、提高阻燃剂的耐水性以及减小阻燃剂对材料力学性能的影响，将是无卤膨胀阻燃技术研究发展的主要方向。