重新认识膨胀型阻燃剂对PP的阻燃作用

由于此次疫情，聚丙烯几乎被所有大众所熟知，聚丙烯（PP）作为一种质轻无毒、物理性能优异、便于加工、耐化学腐蚀等优点的材料，被广泛应用于医疗、通讯、电子电器、家用电器等诸多领域。但是聚丙烯的极限氧指数约为17%，本身极易燃烧，从而限制了聚丙烯在要求高阻燃场合的应用。随着环保压力的加大，传统的溴锑卤系阻燃 PP 由于发烟量大、产生有毒及腐蚀性气体，污染环境而大大制约了其应用前景。

近些年来，膨胀型阻燃剂（IFR）作为一种绿色环保的阻燃剂，近些年来在阻燃剂领域崭露头角，它主要以碳、氮、磷为主要成分，在应用时还可能复配其他类型的阻燃剂，含膨胀型阻燃剂的塑料在燃烧时表面会生成炭质泡沫层，具有隔热隔氧、防滴抑烟的作用，越来越多地应用于PP阻燃材料中。

一、聚丙烯燃烧过程，你知多少？

图1 聚丙烯燃烧过程

[1]魏涛,张道海,吴斌,慈书亭,瞿进,郭建兵.阻燃聚丙烯的研究进展[J].塑料工业,2014,42(09):15-18.

从图1中可以看出，聚丙烯在受热过程中，经历了链引发、链增长及链支化三个过程，期间会产生大量的自由基基团，进一步加速聚丙烯的分解，基于聚丙烯热分解的的过程，可以选择合适的阻燃剂对其进行阻燃。

二、膨胀性阻燃剂

膨胀阻燃体系一般由碳源（脱水剂）、酸源（脱水剂）和气源等几部分组成。IFR的基本组成成分是聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER）、三聚氰胺（MEL）组成，碳源是形成炭物质层的基础，是在燃烧过程中可被脱水剂夺走水分而炭化的物质；酸源主要是与碳源发生脂化反应使之脱水的物质；气源为能够在燃烧过程中释放出无毒且不易燃烧气体的物质。其基本案例如表2-1所示：

表2-1 膨胀型阻燃剂

三、膨胀性阻燃剂对聚丙烯力学性能的影响。

用高速混合机将表 3-1 配方中的 PP、阻燃剂及其他助剂的比例混合均匀，然后采用双螺杆挤出机挤出造粒。挤出机温度控制在180-200℃，螺杆转速300-350 r/min。将所得粒料进行干燥处理后，采用注塑机注塑成型标准测试样条。

表3-1配方表

表3-2 阻燃剂含量对PP性能的影响

从表3-2中可以看出，随着阻燃剂量的增加，PP的拉伸强度和悬臂梁冲击强度出现逐渐下降趋势，阻燃性能在阻燃剂的占比在21%时达到V-0级。这是因为阻燃剂作为也是作为一种特殊填料，与PP之间的极性有差异，相容性欠佳，导致阻燃剂与基体树脂PP之间的界面结合力较弱，在受到外力作用时，两者界面结合处较易出现空洞、脱离等缺陷，成为应力集中点，导致拉伸强度和冲击强度下降；阻燃剂的份数增多，使得膨胀型阻燃剂遇火燃烧时即产生致密炭层，阻隔氧气与样条的接触以及阻隔可燃气体向未燃样条表面的扩散， 从而起到阻燃作用。

另外，也可以从TG曲线中也能看出，当加入膨胀型阻燃剂后，PP的热分解温度会相应提前，这是由于阻燃剂的分解温度较低导致的，阻燃剂的早期分解有利于形成炭层，并促使材料脱水炭化生成炭层，起到隔热隔氧作用，从而提高PP的阻燃性。