无卤阻燃剂对聚丙烯复合材料阻燃性能及力学性能的影响

　　　　　　　　大连轻工业学院学报　　　　　　　　Vol.20,No.4

JournalofDalianInstituteofLightIndustry

Dec.2001

文章编号:100524014(2001)0420245203

无卤阻燃剂对聚丙烯复合材料阻燃性能及力学性能的影响

曲敏杰,冯　钠,王新红,夏　英,蔡月芬

(大连轻工业学院材料科学与工程系,辽宁大连　116034)

Ξ

关键词:聚丙烯;阻燃;协同作用

Mg(OH)2及其二者协同作用对聚丙烯(PP)阻燃性能及力学性能的影响。摘要:研究了Al(OH)3、

结果表明,Al(OH)3、Mg(OH)2的加入提高了聚丙烯的耐燃性,二者比例适当,能起到一定的协同

作用,抑烟效果显著。但随着阻燃剂用量的增加,复合材料的力学性能下降。

中图分类号:TQ314.248;TQ325.14　　　文献标识码:A

Effectsofhalogen-freeflameretardantonflameretardanceandmechanicalpropertiesofpolypropylenecompositematerial

QUMin2jie,FENGNa,WANGXin2hong,XIAYing,CAIYue2fen

(Dept.ofMater.Sci.andEng.,DalianInst.ofLightInd.,Dalian116034,China)

Keywords:polypropylene(PP);flameretardant;synergism

Abstract:WestudytheeffectsofAl(OH)3、Mg(OH)2andtheirsynergistsonflameretardanceandmechan2icalproperties.TheresultsshowthattheuseofAl(OH)3andMg(OH)2improvestheflameretardanceofPP,andhassynergisticeffectwithasuitableproportionofagentsused.Theyalsopossessgoodeffectonsmokeinhibition.ButthemechanicalpropertiesofPPcompositesdecreasewithincreasingflameretardantagentcontents.

　　高分子材料的阻燃化是其改性研究的一项重要内容。自50年代以来,高分子材料的用途日益广泛,用量迅速增加,由此带来的火灾危险性增大,导致阻燃法规对高分子材料的要求也越来越高。降低高分子材料的可燃性和火焰传播速度是对阻燃体系的最基本要求,用于各种高分子材料的阻燃剂已成为仅次于增塑剂的重要的高分子改性添加剂。

在第二次世界大战期间开发的卤素2锑阻燃体系,经过半个多世纪的研究和应用已走向成熟,并在近20年的阻燃剂领域中一直处于重要地位。但自1986年以来,德国等欧洲国家与美国就多溴二苯醚等阻燃剂的毒性与环境问题展开的争论,大大促进了新型阻燃体系的研究与开发,非卤或低卤化、抑烟低毒化和复配高效阻燃化已成为阻燃剂开发应用研究领域的前沿课题[1,2]。无机系阻燃剂的主要品种是氢氧化铝、氢氧化镁和三氧化二锑。美国开发的氢氧化镁产品Zerogen15,其分散性良好,加工温度可达322℃,用于尼龙等工

程塑料;另一产品Halofree22可用于加工温度低

于200℃的聚合物。大连理工大学研制的新型氢氧化镁,颗粒尺寸很大,比表面积很小,具有优良的阻燃性能,补强效果明显[3]。Mg(OH)2和Al(OH)3在日本是作为非卤阻燃剂自80年代以后开始实用化的。它们都是在高温时发生脱水反应,吸热降温起阻燃作用的。Al(OH)3单位质量吸热较大,但在245～320℃几乎完全脱水,故只适用于热分解温度较低的塑料。Mg(OH)2脱水

),故可用于高温分解型塑温度较高(340～490℃

料[4]。

聚丙烯(PP)具有绝缘性好、耐热性好、密度小等优点,在电子、机械、日用品等行业中被广泛使用。但由于它是碳氢类材料,易着火燃烧,使其在建筑和机械工业中的应用受到很大[5]。为扩大聚丙烯材料的应用,研究聚丙烯阻燃复合体系极为必要。聚丙烯的加工温度经常在200℃以上,使用分解温度较高的Mg(OH)2和Al(OH)3研究聚丙烯阻燃复合材料更具实际意义[6]。本

Ξ

收稿日期:2001211212

作者简介:曲敏杰(1968～),女,讲师.

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第20卷　　　　　　　　　　　大　连　轻　工　业　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　246

文作者分别考察了非卤阻燃剂Mg(OH)2和

Al(OH)3及二者共同作用对聚丙烯阻燃抑烟效果及力学性能的影响,以进一步改善聚丙烯的性能。

1.3　工艺条件1.3.1　工艺流程

1　实　　验

1.1　原　　料

配料→混炼→压制成型→制样→测试。1.3.2　工艺条件

将双辊混炼机辊温控制在160℃左右,待塑炼均匀后,加入阻燃剂,混炼均匀下片,在模板为170℃左右的压机上压片。10MPa压力下保压5min得到样片。1.4　性能测试

聚丙烯,PP2124,韩国大林;Al(OH)3,ATH,分

析纯,沈阳市试剂三厂;Mg(OH)2、表面经硬脂酸处理的Mg(OH)2,中外合资大连环球矿产有限公司。1.2　主要设备

图1　主要实验设备

名　称双辊混炼机

塑料制品液压机万能制样机冲片机拉力试验机冲击试验机氧指数仪

型　号

SK2160BY712100ZHY2WCPJ225LT25000AUJ240HC22

氧指数测试按GB/T2406293进行;

拉伸强度测试按GB1040279进行;冲击强度测试按GB1039279进行。

制造厂家

上海塑料机械厂大连锻压机械厂河北承德实验机厂河北承德实验机厂河北承德实验机厂广州试验仪器厂

南京江宁县分析仪器厂

2　结果与讨论

2.1　Mg(OH)2对聚丙烯性能的影响2.1.1　Mg(OH)2填加量对聚丙烯性能的影响

Mg(OH)2填加量对聚丙烯性能的影响如表2。

表2　Mg(OH)2填加量对聚丙烯性能的影响

Mg(OH)2份数

0

10

30

40

50

60

70

90

氧指数

拉伸强度/MPa冲击强度/(kJ・m)

-2

　17.5

36.74.4

　17.8

33.12.8

　18.9

32.23.0

　19.4

32.33.1

　19.7

33.72.7

　20.5

212.1

　21.0

29.21.9

　24.2

28.31.9

　　　　　　　　　注:Mg(OH)2为1250目;聚丙烯为100份。

　　结果表明,随着Mg(OH)2填加份数的增加,

拉伸强度和冲击强度都呈下降趋势,而氧指数逐渐增大。拉伸强度下降不明显,由纯树脂的36.7MPa下降到28.2MPa。氧指数由纯树脂的17.5增大到24.2。可见,Mg(OH)2的加入,使聚丙烯的阻燃性提高。Mg(OH)2的阻燃作用是受

热后释放出结晶水,吸收聚丙烯燃烧过程放出的部分热量,降低材料表面温度,减慢其降解速度。此外,Mg(OH)2分出的水蒸汽可稀释火焰区可燃气体的浓度,并有一定的冷却作用;Mg(OH)2还有助于燃烧时形成炭化层,既可阻挡热量和氧气的进入,又可阻挡小分子可燃气体逸出。Mg(OH)2不仅有一定的阻燃效果,还有抑烟能力。当Mg(OH)2的填加量超过50份时,聚丙烯燃烧时已基本无烟。2.1.2　Mg(OH)2粒度对聚丙烯性能的影响

由图1可见,400目和1250目的Mg(OH)2相比,后者填加到聚丙烯中复合材料的阻燃效果好,Mg(OH)2粒度小有利于其阻燃效果的发挥。

图1　Mg(OH)2粒度对聚丙烯氧指数的影响

(PP为100份)

2.1.3　表面经硬脂酸处理的Mg(OH)2对聚丙

烯性能的影响

将1250目表面用硬脂酸处理的Mg(OH)2

填加到聚丙烯中,复合材料的性能列于表3。从结果可见,Mg(OH)2经硬脂酸处理后,聚丙烯性能没有得到明显改善。

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第4期　　　　　　曲敏杰等:无卤阻燃剂对聚丙烯复合材料阻燃性能及力学性能的影响　　　　　　247

表3　表面经硬脂酸处理后的Mg(OH)2对聚丙烯性能的影响

Mg(OH)2份数

0

30

40

50

60

70

90

氧指数

拉伸强度/MPa冲击强度/(kJ・m-2)

　17.5

36.74.4

　18.4

34.7

　19.4

30.52.7

　20.9

32.42.4

　21.1

30.62.8

　22.0

28.82.1

　23.6

24.62.0

　　-

　　　　　　　注:聚丙烯为100份,Mg(OH)2为1250目。

2.2　Al(OH)3对聚丙烯性能的影响

Al(OH)3大约在220～600℃,受热失水成为

氧化铝,所失的水可占其量的34.6%,而且,失水时吸热,这是它作为高聚物阻燃剂的主要原因。Al(OH)3加入到聚丙烯中,在燃烧过程中吸收一部分燃烧热,延缓或阻止聚丙烯进一步分解,同时释放出的水蒸气稀释了可燃性物质,而难燃的氧化铝沉积在聚丙烯表面,起到阻隔空气的作用,从而达到阻燃的目的。从表3、4比较看,PP/Al(OH)3复合体系的氧指数大于PP/Mg(OH)2的氧指数,可见,对于聚丙烯,Al(OH)3的阻燃效果优于Mg(OH)2。随着Al(OH)3用量的加大,增至60份时,能够自熄,达

到70份时,氧指数为28.9,从实验现象观察,燃烧时伴有大量黑烟,其抑烟效果不如Mg(OH)2。PP/Al(OH)3复合体系的拉伸强度和冲击强度下降较多。2.3　Al(OH)3/Mg(OH)2对聚丙烯性能的影响

综合考虑阻燃抑烟效果及力学性能,将Al(OH)3和Mg(OH)2配合使用,结果如表5。二者共同使用且各占30份时,氧指数达到26.9,比它们单独使用时高,水平燃烧时,浓浓黑烟减少,只产生淡淡轻烟,抑烟效果明显,起到协同作用。使用Al(OH)3/Mg(OH)2复合阻燃剂时,在一定程度上弥补了二者单独使用时阻燃性或力学性能的不足。

表4　Al(OH)3对聚丙烯性能的影响

Al(OH)3份数

0

10

30

40

50

60

70

氧指数

拉伸强度/MPa冲击强度/(kJ・m)注:PP为100份。

-2

　17.5

36.74.4

　18.4

32.42.0

　18.6

29.81.7

　20.7

27.52.2

　22.8

20.32.3

　24.5

27.61.8

　28.9

16.5

　　-

表5　Al(OH)3/Mg(OH)2复合体系对聚丙烯性能的影响

Al(OH)3与Mg(OH)2份数比

0∶10

3∶7

4∶6

5∶5

6∶4

7∶3

10∶0

氧指数

拉伸强度/MPa冲击强度/(kJ・m-2)

　21.1

30.62.2

　23.2

29.92.0

　23.5

27.61.8

　26.9

26.61.8

　24.8

25.22.1

　23.7

23.62.1

　24.5

27.6

　　2.2

　　　　　　　注:聚丙烯为100份;Al(OH)3+Mg(OH)2为60份。

3　结　　论

Al(OH)3、Mg(OH)2均对聚丙烯有阻燃效

[2]DAVIDLM.Brominatedflameretardants:currentes2

suesandfutureprospects[M].NewYork:ElesedierPublishesr,1992.149-155.

[3]邹盛欧.塑料阻燃剂进展[J].现代塑料加工应用,

1998,10(5):49-53.

[4]黄汉生.日本塑料阻燃剂发展动向[J].现代化工,

1998(4):38-41.

[5]谭晓明,徐锡良,谢洪泉,等.阻燃抗冲聚丙烯的制备

果,同时使复合材料力学性能下降。Al(OH)3、

Mg(OH)2二者共同使用时,比例适当,可起到协同作用,阻燃效果明显,并有一定抑烟效果。

参考文献:

[1]彭治汉.高聚物阻燃技术新进展[J].合成树脂及塑

及性能研究[J].工程塑料应用,1999,27(4):3-5.

[6]项素云,陈宏刚,由继业,等.聚丙烯/氢氧化镁阻燃

复合材料的性能与结构[J].塑料科技,1995(3):1-3.

料,1999,16(5):48-50.

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