两种商品化阻燃剂对TPE材料阻燃性能的影响

张 惠

两种商品化阻燃剂对TPE材料阻燃性能的影响

张 惠*

（黑龙江润特药业有限公司，黑龙江 佳木斯 154005）

选用FP2200S和DA1010两种阻燃剂，研究了TPE/FR复合材料的阻燃性能、力学性能、热降解行为、燃烧行为和残炭形貌。实验结果表明，添加了质量分数为30%的DA1010阻燃剂时，阻燃TPE的LOI值为26.0%，达到垂直燃烧V-0级，综合性能较好。热重分析测试表明，DA1010的加入，改变了TPE材料的热降解过程，材料的热稳定性和残炭量最高，锥形量热测试表明，DA1010阻燃剂的加入能显著降低TPE的热释放速率（HRR）、热释放总量（THR）。扫描电镜（SEM）测试表明，与FP2200S相比，加入DA1010阻燃剂，炭层更加致密，TPE材料具有更加优异的阻燃性能。

TPE；阻燃性能；燃烧性能；热降解

TPE是热塑性弹性体[1-3]的简称，是一种在室温下有橡胶的弹性，并且在高温下具有可塑性的一种材料。它的化学组成含有树脂段及橡胶段，树脂段由于链间作用力，可以形成物理交联点，而橡胶段具有高弹性链段。TPE材料[4-6]是性能在橡胶和树脂之间的一种新型高分子材料，被称为为第三代橡胶。其中以SEBS和PP为基料的TPE材料[7-9]，由于其既具有橡胶的弹性和热塑性，在电线电缆、医疗、充电桩等领域广泛的应用，但由于这种材料SEBS需要充大量的油，而且SEBS和PP本身也是易燃材料，因此对其进行阻燃改性具有重要的意义。通常对TPE材料的常用的阻燃剂[10-17]，主要有含卤阻燃剂、无机阻燃剂及有机无卤阻燃剂，含卤素阻燃剂虽然阻燃效率高，但是它燃烧时，释放大量有毒气体，并且冒黑烟，无机阻燃剂，需要添加很大的量，才能达到阻燃效果，但严重影响材料的机械性能，有机无卤阻燃剂，与含卤阻燃剂相比，虽然更加环保，但阻燃效率更低，添加量更多，随着人们环保意识的加强，开发一种阻燃效率高的环保无卤的TPE阻燃剂受到更多关注。

本论文选用本公司自行研发的DA1010阻燃剂和市售的FP2200S阻燃剂对TPE进行阻燃，研究及对比两种阻燃剂对TPE材料的阻燃性能、力学性能，热稳定性、燃烧性能及炭层形貌的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，K8303，上海赛科石化有限公司；SEBS，G1551H，美国科腾聚合物有限公司；环烷油，100#，富泉石油制品有限公司；阻燃剂，FP2200S，艾迪科精细化工有限公司；磷氮阻燃剂，DA1010、黑龙江省润特科技有限公司。

1.2 设备及仪器

转矩流变仪，RM400B，哈尔滨哈普电气技术有限责任公司；平板硫化机，QLB-25D/Q，天发试验机械有限公司；万能力学试验机，TH-8203S，苏州拓博机械设备有限公司；氧指数仪，JF-3，江宁分析仪厂；垂直燃烧测定仪，CZF-5，江宁分析仪厂；锥形量热仪，CCT，昆山莫帝斯科燃烧技术仪器有限公司；扫描电子显微镜，QuanTa200，荷兰FEI公司。

1.3 试样制备

将DA1010和FP2200S，按一定的比例加入TPE中，并加入抗氧剂和润滑剂等助剂，在高速机中混合10 min。转矩流变仪的温度在160 ℃，加入阻燃TPE混合物，密炼10 min，出料。设置平板硫化机的温度为180 ℃，样料放到模具中，预热10 min，加压10 min，冷压5 min，制备用于测试的样条。

1.4 性能测试与表征

1.4.1 材料阻燃性能测试

极限氧指数（LOI）和垂直燃烧分别按GB/T 2408—2009和GB/T 2406—2010标准测试。

1.4.2 力学性能测试

拉伸强度及断裂伸长率按GB/T 1040—2018。

1.4.3 热稳定测试

在氮气下，升温速度10 ℃·min-1，温度范围为50～800 ℃。本论文中初始分解温度定义为：试样降解1%时的温度。

1.4.4 燃烧行为测试

按照ISO—5660—1标准，热辐射功率为50 kW·m-2，试样尺寸为：100.0 mm×100.0 mm×4.0 mm，得到热释放速率（HRR）和总热释放（THR）曲线。

1.4.5 扫描电镜测试

用荷兰FEI公司，型号QuanTa200型扫描电子显微镜，对炭层形貌进行测试。

2 结果与讨论

2.1 两种阻燃剂对TPE材料的阻燃性能的影响

从表1，可以看出，随着两种阻燃剂的添加量的增大，材料的氧指数和垂直燃烧性能都有明显太高，通过对比，DA1010阻燃剂的阻燃效率更高，当添加30%时，氧指数为26.0 %，能达到垂直燃烧V-0级，而添加相同份数FP2200S阻燃剂，氧指数仅仅为25.1%，仅仅达到UL-94 V-1级，而当DA1010添加35%时，TPE材料达到离火自熄，说明DA1010的加入，TPE材料在燃烧时，能够释放大量不可燃气体，并在材料表面形成致密的炭层，隔绝了热量和火焰向材料内部的传播，并阻止材料内部的可燃性物向材料表面渗透，起到阻燃作用。

表1 阻燃剂种类及添加量对TPE材料阻燃性能的影响

注：Oil/SEBS/PP=24/70/30

2.2 两种阻燃剂对TPE材料的力学性能的影响

由图1和图2可以看出，随着两种阻燃剂添加量的增加，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均逐渐下降。这可能是由于阻燃剂量增大后，TPE的量减少，并且由于阻燃剂是以粉体存在，添加量过大，会在TPE使材料内部出现缺陷（如孔隙、孔洞、裂纹、界面脱离等），造成在拉伸实验过程中，出现应力集中现象，力学性能下降。从两种阻燃剂对比来看，同一添加量下，加入DA1010，比FP2200S对TPE的力学性能影响更小小，这可能是由于DA1010与TPE材料相容性更好。

图1 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的拉伸强度

图2 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的断裂伸长率

2.3 两种阻燃剂对TPE材料的热稳定性的影响

图3和图4给出了TPE材料，添加30%的两种阻燃剂的TGA和DTG曲线。TPE材料，起始分解温度为205 ℃。600 ℃时残炭量为零，TPE完全分解。DA1010/TPE和FP2200S/TPE，其初始分解温度分别为181 ℃、203 ℃，800 ℃时的残炭量分别为23%、19%。可以发现，加入DA1010和FP2200S后，TPE材料的起始温度提前，热分解速率降低，成炭量增大，而DA1010的加入，使TPE材料的起始分解温度提前了24 ℃，能更加快速成炭，阻止外部热量和火焰向材料内部辐射，成炭量更多，从而起到阻燃作用。这充分说明与FP2200S相比，DA1010对TPE材料具有更好阻燃效果。

2.4 两种阻燃剂对TPE材料的燃烧性能的影响

图5和图6分别给出了TPE材料，添加30%的两种阻燃剂的HRR和THR曲线。由图5和图6可知，纯的TPE材材料，其燃烧速度非常快，在175 s时，达到最大热释放速率932 kW·m-2，在320 s左右时，TPE材料基本燃烧完全，总热释放总量为98 MJ·m-2·kg-1。然而加入阻燃剂之后，TPE的HRR和THR曲线发生了明显的改变，HRR大幅度下降。加入DA1010的TPE，最大热释放速率196 kW·m-2，总热释放为75 MJ·m-2·kg-1，而加入FP2200S的TPE，最大热释放速率235 kW·m-2，总热释放为92 MJ·m-2·kg-1，由这说明加入DA1010能更有效地延缓TPE材料的燃烧，降低热释放量，降低火灾的危害性。

图3 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的热重

图4 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的热失重

2.5 两种阻燃剂阻燃的TPE材料的炭层形貌

图7和图8分别给出了TPE材料，添加30%的两种阻燃剂的炭层形貌，与加入FP2200S的TPE材料的炭层相比，可以看出加入DA1010的TPE材料的炭层更加致密，能够更有效地抑制TPE材料中的可燃性物质向材料外部传播，并且可以很好地隔绝外部热量和火焰向材料内部渗透，从而有更好的阻燃效果。

图5 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的热释放

图6 DA1010/TPE和FP2200s/TPE的总热释放

图7 DA1010/TPE残炭表面形貌

图8 FP2200S/TPE残炭表面形貌

3 结 论

添加质量分数为30%的DA1010，TPE氧指数值是26.0%，能通过 V-0级。与FP2200S相比，DA1010对TPE具有更好阻燃效果。加入DA1010后，能更加迅速地形成保护性炭层，成炭量更高，从而发挥了良好的阻燃作用。DA1010能显著降低TPE材料的HHR和THR，有效降低材料燃烧指数。但DA1010在TPE材料的炭层表面比较致密，可以隔绝外部热量和火焰向材料内部渗透，从而有更好的阻燃效果。

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Influence of Two Commercial Flame Retardants on Flame Retardant Properties of TPE Materials

(Heilongjiang Orient Pharmaceutical Co., Ltd., Jiamusi Heilongjiang 154005, China)

Two kinds of flame retardants, FP2200S and DA1010, were used to study the flame retardant properties, mechanical properties, thermal degradation behavior, combustion behavior and carbon residual morphology of TPE/FR composites. The experimental results showed that when mass fraction 30% DA1010 flame retardant was added, the LOI value of flame retardant TPE was 26.0%, the 1.6mm spline reached UL-94 V-0 grade, and the comprehensive performance was good. The thermogravimetric analysis showed that the addition of DA1010 changed the thermal degradation process of TPE material, and the thermal stability and carbon residue of the material were the highest. The cone calorimetry showed that the addition of DA1010 could significantly reduce the heat release rate (HRR), total heat release rate (THR). Scanning electron microscopy (SEM) tests showed that, compared with FP2200S, after adding DA1010,the carbon layer was more compact, and the TPE material had better flame retardant performance.

TPE; Flame retardant performance; Combustion performance; Thermal degradation

2021-05-25

张惠（1986-），女，山西省大同市人，中级工程师，硕士研究生，2018毕业于东北林业大学化学工程专业，研究方向：药物中间体合成、无卤阻燃剂的合成及无卤阻燃电缆料的开发。

TQ325.14

A

1004-0935（2021）12-1789-04