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無鹵膨脹型阻燃聚丙烯的阻燃特性

文檔作者：張峰金楊王勇于健文檔來源：青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月08日
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· 3O ·
現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用 2 0】1年第2 3卷第4期
M 0DERN PLASTICS PR0CESSING AND APPL1CAT10NS
無鹵膨脹型阻燃聚丙烯的阻燃特性
張峰金楊王勇 于健
(青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東青島，266042)
摘要：通過熱失重分析儀和錐形量熱儀等儀器對無鹵膨脹阻燃聚丙烯的阻燃特性進行了研究。測量了聚丙烯和無鹵膨
脹型阻燃聚丙烯的熱解過程，同時測量了純聚丙烯及無鹵膨脹型阻燃聚丙烯質(zhì)量損失速率、熱釋放速率和殘余質(zhì)量分數(shù)隨
時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著膨脹阻燃劑添加量的增加，熱釋放速率不斷降低，但降低的幅度逐漸減少，其質(zhì)量損失速
率、殘余質(zhì)量分數(shù)也有類似的規(guī)律。外部輻射功率的增加會加快無鹵膨脹型阻燃聚丙烯分解，熱釋放速率會相應(yīng)增大。
關(guān)鍵詞： 聚丙烯膨脹無鹵阻燃錐形量熱儀阻燃性
Com bustion Behavior of Intumescent Halogen-Free
Flame—Retardant P0lypr0pylene
Zhang Feng Jin Yang W ang Yong Yu Jian
(College of Environment and Safety Engineering，Qingdao University of
Science and Technology，Qingdao，Shandong，266042)
Abstract：The flame retardancy of the intumescent halogen-free flame-retardant polypropyl—
ene was studied by TG and cone calorimeter． The thermal decomposition， mass loss rates，
heat release rates and mass retention of the intumescent halogen-free flame-retardant polypro—
pylene and pure polypropylene were measured．The results show that heat release rates，mass
lOSS rates and mass retention decrease with the increasing amount of intumescence flame re—
tardant agent while the extent of decrease becomes slow． The decomposition of the intumescent
halogen-free flame-retardant polypropylene is hastened with the increase of incident heat fluxes，
the heat release rates also increase accordingly．
Key words： polypropylene； intumescence； halogen—free flame—retardant； cone
calorimeter； flame retardancy
聚丙烯(PP)材料應(yīng)用日益廣泛，但由于易
燃而經(jīng)常引發(fā)火災(zāi)，目前采取的措施是對其進行
阻燃化處理。阻燃方法很多，其中膨脹型阻燃體
系由于不含鹵素且阻燃高效正逐漸受到重視，并
成為研究的熱點之一_】 ]。膨脹型阻燃劑一般是
以P，N，C元素為核心成分的復(fù)合阻燃劑，制得
的阻燃材料在膨脹燃燒過程中通過膨脹交聯(lián)固
化形成有孑L封閉結(jié)構(gòu)炭層，起到隔熱、隔氧的作
用，從而達到阻燃的目的L5_8l。傳統(tǒng)的膨脹型阻
燃材料采用P，N，C阻燃劑復(fù)配體系，加工過程
復(fù)雜，阻燃效果難以保證。本研究采用合成的
P，N，C無鹵膨脹型阻燃劑制成無鹵膨脹型阻燃
聚丙烯(IFR—PP)，研究其阻燃特性。
1 試驗部分
原料。PP，T30S，中國石油大連石化公司；
無鹵膨脹型聚烯烴阻燃劑，IFR一201，浙江化工科
技集團有限公司。IFR一201是一種含磷氮結(jié)構(gòu)
的無鹵膨脹型阻燃劑，其中磷質(zhì)量分數(shù)為(19±
1) ，氮質(zhì)量分數(shù)為(21±1) 。
樣品制備。將PP和IFR一201混合物在雙
輥開煉機上混煉， 然后在平板硫化機上于
收稿日期：2011～02—23；修改稿收到日期：2011 05 05。
作者簡介：張峰，男，博士，副教授，研究方向為阻燃材料及
燃燒動力學(xué)模擬。E～mail：zhangfengqd@163．corn。
張峰等．無鹵膨脹型阻燃聚丙烯的阻燃特性
(190土5) ℃下壓制而成。向100 g PP中依次
加人5，10，15，20 g IFR-201制得的樣品分別記
為IFR—PP1，IFR—PP2，IFR—PP3，IFR—PP4。
儀器。采用德國Netzsch公司生產(chǎn)的熱重
分析儀TG209進行熱分析試驗，氣氛為空氣，升
溫速率為1O ℃／min，樣品質(zhì)量為10 mg左右；
錐形量熱儀，英國FTT公司制造；雙輥開煉機
為SK2160B型，上海橡膠機械廠制造；25 t平板
硫化機為XQLB2350×350型，上海第一橡膠機
械廠制造。
燃燒試驗選取IFR-PP1，IFR—PP2，IFR-PP3
和IFR-PP4為研究對象。利用錐形量熱儀按
ISO-5660—1標準進行燃燒試驗。材料樣品尺
寸為100 mm×100 mmX 10 mm，水平放置在
帶有自動稱重的裝置上，正上方的錐形量熱儀加
熱器提供外部輻射熱量。外部輻射功率選取
25，5O和75 kW／m。。樣品燃燒前后變化如圖1
所示。
一一 (a) (b)
圖1 IFR．PP4燃燒前后變化
2 結(jié)果與討論
2．1 PP和IFR—PP的熱解試驗
以IFR-PP4為例，通過PP和IFR-PP的熱
失重分析曲線可以看出(如圖2所示)，PP在空
氣氣氛下分解的溫度范圍比較窄，樣品損失5
時的溫度在272。C左右。樣品PP達到最大熱
重損失時對應(yīng)的溫度為329 ℃ 左右。相對PP
而言，IFR-PP4的分解溫度范圍更寬，在溫度達
到480℃時，僅僅分解了5O 左右。盡管由于
配方中的IFR201少量分解導(dǎo)致IFR-PP4比純
PP分解開始的溫度低，不過分解出來的不燃氣
體將會導(dǎo)致熔體發(fā)泡膨脹，有助于提高IFR-PP4
的膨脹阻燃性能。同時當溫度高于290 ℃ 時，
由于膨脹成炭的作用使IFR-PP4熱穩(wěn)定性好于
PP的。
100
80
褥 60
4o
20
0
， ’
瞳50
． 50
一L00
輾-3．50
— 4．00
20o 4o0 600 80Q
溫度／℃
(a)熱失重分析曲線
0 200 400 600 800
洞 ℃
(b)熱失重分析微分曲線
圖2 PP和IFR-PP4的熱失重分析
2．2 IFR 201對PP裂解燃燒性能的影響
采用錐形量熱儀測試了IFR-PP的燃燒特
性。圖3給出了75 kW／m 輻射功率下，純PP，
IFR—PP1，IFR—PP2，IFR—PP3和IFR—PP4的熱
釋放速率曲線。從圖3中可以看出，添加了
IFR一201的PP，其熱釋放速率與純PP相比有明
顯降低，如添加5份IFR一201的IFR—PP1在
80 s時熱釋放速率達到最大值830 kw／m。左
右，而純PP的峰值熱釋放速率為1 800 kW／m。
左右，降低了1倍還多。通過比較IFR-PP1，
IFR-PP2，IFR-PP3和IFR-PP4的熱釋放速率曲
線發(fā)現(xiàn)，添加1O份IFR-201的IFR—PP2在45 s
熱釋放速率達到第1個峰值619 kW／m。，與添
加5份IFR-201的峰值熱釋放速率830 kW／m
相比降低了大約110 kW／m。。添加15份和20
份IFR-201的IFR-PP3和IFR-PP4的第1個峰
值熱釋放速率(基本都在45 S左右達到)分別降
到了320 kW／m。和280 kW／m 。由此可見隨著
IFR-201添加量的增加，樣品的熱釋放速率不斷
降低，但降低的幅度逐漸減少，說明添加量的進
一步增加對阻燃效果的貢獻逐漸減弱。同時也
可以看出，這幾條熱釋放速率曲線基本上呈現(xiàn)雙
峰型，第2個最大峰以添加5份IFR-201的
IFR-PP1最為明顯(在450 s時，熱釋放速率達
到最大值870 kW／m。)，添加10，15，20份IFR一
201的第2個最大峰值則逐漸減弱，說明隨著
現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用
IFR一201的用量增加，燃燒過程形成的膨脹炭層
所起到的阻隔作用增強。從這4條熱釋放速率
曲線還可以看出，出現(xiàn)2個最大峰值之間的曲線
隨著IFR一201的增加逐漸變長，說明從出現(xiàn)第1
個峰值到出現(xiàn)第2個最大峰值所需要的時間變
長，證明形成的膨脹炭層隨著IFR一201用量的增
加發(fā)揮的隔熱隔氧作用逐漸增強。
一
2 000
且
妄1 500
稻簧 l 000
500
崧
0 200 400 600 800 1 000 1 200
時間／s
圖3 PP和IFR·PP的熱釋放速翠
圖4給出了75 kW／m 輻射功率下PP，
IFR—PP1，IFR—PP2，IFR-PP3，IFR-PP4的質(zhì)量
損失速率曲線，這幾條曲線的變化趨勢和它們的
熱釋放速率曲線類似。由圖4可以看出添加5
份IFR～201的樣品IFR—PP1的質(zhì)量損失速率
線在另3條IFR—PP曲線的上方，表明IFR—PP1
樣品在火災(zāi)條件下分解速率快于另外3個樣品，
其峰值質(zhì)量損失速率在0．22 g／s左右(大約45
S時)，而添加1O份IFR一201的IFR-PP2的峰值
質(zhì)量損失速率在0．13 g／s，比IFR—PP1降低了
大約0．09 g／s，當IFR一201含量增加到15份時，
IFR—PP3的質(zhì)量損失速率略有下降(在35 S達
到峰值熱釋放速率0．1 g／s左右)，含2o份IFR一
201的IFR—PP4在35 S左右達到第1個熱釋放
速率峰值0．08 g／s，下降的幅度有限，說明繼續(xù)
增加IFR一201的用量很難繼續(xù)提高阻燃效果。
0 200 400 600 80O l 000 l 20O
時間／s
圖4 PP和IFR PP的質(zhì)量損失速率
圖5給出了75 kW／m 輻射功率下PP，
IFR—PP1，IFR—PP2，IFR—PP3，IFR—PP4的殘余
質(zhì)量分數(shù)．曲線。從圖5中可以看到添加5份
IFR一201的IFR—PP1殘余質(zhì)量分數(shù)曲線與純PP
的相比，在開始階段IFR—PP1曲線在最下方表
明IFR—PP1開始時分解最快，這可能有2個方
面的原因：一是IFR-201的分解溫度低，二是
IFR一201的添加量比較少，燃燒開始時難以很快
形成有效的膨脹炭層，從而導(dǎo)致其分解速率快于
PP的。但是燃燒到185 S時發(fā)生了變化，之后
IFR—PP1的曲線在PP的上方，表明IFR—PP1的
分解變慢，熱穩(wěn)定性增強，可能是由于形成的膨
脹炭層發(fā)揮了作用。隨著IFR一201添加量的增
多IFR—PP的曲線都在純PP曲線的上方，表明
IFR—PP的分解速率速度都明顯低于純PP的。
同時還可以發(fā)現(xiàn)IFR—PP1 ，IFR—PP2， IFR—
PP3，IFR—PP4曲線依次上升，表明隨著IFR一201
添加量的增多，IFR-PP熱穩(wěn)定性逐漸增強。如
在400 s這一時刻，IFR—PP1的殘余質(zhì)量分數(shù)為
24 ，IFR—PP2 的為55 ，IFR—PP3增加到
68 ，IFR—PP4殘余質(zhì)量分數(shù)為74 ，由此可
見，IFR一201用量的增加使IFR—PP殘余質(zhì)量分
數(shù)變大，其原因可能是燃燒過程的膨脹炭層的質(zhì)
量隨IFR一201添加量的增加而增加，同時起到有
效阻隔熱量、氧氣的作用所致。
loo
8o
60
4o
2O
O 20o 400 印0 80o 1 O00 1 2oo
時間／s
圖5 IFR—PP的殘余質(zhì)量分數(shù)
2．3 不同輻射功率對IFR—PP燃燒性能的影響
圖6給出了25，50和75 kW／m 輻射功率
下IFR—PP4的熱釋放速率曲線。從圖6可以看
出，25 kW／m。輻射功率下樣品在145 S達到第
1個峰值熱釋放速率5O kw／m。，此后熱釋放曲
線比較平穩(wěn)，并在910 S達到第1個峰值熱釋放
速率100 kw／m。左右。隨著輻射功率的增加，
樣品的熱釋放速率隨之增加，如50 kw／m 的輻
射功率下樣品在85 S達到第1個峰值熱釋放速
率250 kW／m ，比25 kw／m 的輻射功率下樣
品的第1個峰值熱釋放速率高出200 kw／m。左
右，說明外部輻射功率的增加對材料燃燒影響很
張峰等．無鹵膨脹型阻燃聚丙烯的阻燃特性
大。不過繼續(xù)增加輻射功率，IFR—PP4的熱釋放
速率曲線變化并不顯著，如75 kW／m。的輻射功
率下樣品在45 S達到第1個峰值熱釋放速率
280 kW／m 左右，僅比50 kw／m。的輻射功率
下的峰值熱釋放速率增加30 kW／m 左右。5O，
75 kW／m。這樣的高輻射功率會使IFR-PP4燃
燒過程中形成的膨脹炭層的阻隔作用減弱，這可
以通過曲線中最大熱釋放速率表現(xiàn)出來，如在
50 kW／m 的輻射功率下最大熱釋放速率為
390 kW／m。(690 s)，同樣在75 kW／m 的輻射
功率下最大熱釋放速率為400 kW／m (660 s)，
說明形成的炭層在高輻射功率作用下會分解，降
低了隔熱功能。
4o0
日
重。。。
200
l00
瘊
O 500 1 0oO 1 500 2 O00 2 500
時間／s
圖6 不同輻射功率下IFR-PP4的熱釋放速率
圖7給出了25，5O和75 kW／m。輻射功率
下IFR-PP4的殘余質(zhì)量分數(shù)曲線。從圖7可以
看出，25 kW／m 輻射功率下殘余質(zhì)量分數(shù)曲線
在另2條曲線的上方，表明該功率下樣品質(zhì)量損
失的最慢。在5O和75 kW／m 輻射功率下樣品
質(zhì)量損失更快，不過這2條曲線的趨勢幾乎一
樣，而且?guī)缀踔睾希f明繼續(xù)增加輻射功率對
IFR-PP4的質(zhì)量損失影響不大。
囊
時間／s
圖7 不同輻射功率下IFR．PP4的殘余質(zhì)量分數(shù)
總之，通過研究不同輻射功率對IFR—PP4
燃燒過程的影響發(fā)現(xiàn)，隨著外部輻射功率的增
加，燃燒過程中傳遞給IFR-PP4的熱量多，IFR—
PP4熱分解快，產(chǎn)生的可燃氣體多，熱釋放速率
增大，而且熱釋放速率的峰值出現(xiàn)的時間也相對
提前，炭層的阻隔作用逐漸減弱。
3 結(jié)論
a) 相對PP而言，IFR-PP4的分解溫度范
圍更寬。當溫度高于290℃時，由于膨脹成炭
的作用使IFR-PP熱穩(wěn)定性好于PP的。
b) IFR一2O1的添加量對PP的燃燒性能有
影響，隨著IFR_2O1添加量的增加，IFR-PP熱釋
放速率不斷降低，但降低的幅度逐漸減少，其質(zhì)
量損失速率、殘余質(zhì)量分數(shù)也有類似的規(guī)律。
c) 外部輻射功率的改變對IFR-PP的燃
燒過程也有影響，外部輻射功率的增加會加快
IFR-PP分解，熱釋放速率會相應(yīng)增大。
參 考 文 獻
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