聚丙烯阻燃的研究进展和阻燃机理

摘要:简述了聚丙烯阻燃的研究进展和阻燃机理,指出了无卤、低烟、低毒的膨胀型阻燃剂、有机硅系阻燃剂以及纳米阻燃剂的开发与应用是当前的发展方向。

关键词:聚丙烯;阻燃剂;聚丙烯阻燃

中图分类号:TQ325.1文献标志码:A

聚丙烯(PP)是三大通用塑料之一,具有生产成本低、综合力学性能好、无毒、质轻、耐腐蚀、电气性能好、易加工、易回收等诸多优点,被广泛地应用于化工、化纤、建筑、轻工、包装等领域。随着市场需求的增加,全球PP的生产能力也不断提高,2004年为4.13 Mt,2005年为4.80 Mt,预计未来几年,还将以每年5.9%的速度增长,到2010年可达到6.10 Mt。近年来,随着聚丙烯聚合技术的不断发展,聚丙烯材料的力学性能、光洁性等都得到了很大提高,可与部分工程塑料相媲美,从而被更广泛地应用于家电、汽车、民用建筑等行业。但由于聚丙烯属易燃材料,随着其应用范围的扩大、用量的增量,火灾隐患也越来越多,为了避免灾害的发生,保证人民生命财产的安全,赋予聚丙烯材料阻燃性能是十分重要和必要的,这也是目前有关聚丙烯阻燃研究十分活跃的重要原因之一。

1聚丙烯阻燃剂的发展

传统的聚丙烯阻燃改性方法是添加含卤阻燃剂(如,十溴联苯醚、六溴环十二烷、八溴醚等),但添加含卤阻燃剂制成的阻燃PP,在燃烧发挥效能的同时,会释放出污染环境、危害人体健康的烟和腐蚀性气体,这些腐蚀性气体对建筑物及设备的破坏甚至超过火灾本身,更严重的是某些溴系阻燃剂燃烧或热裂时,会形成有毒的致癌物多溴代二苯并二噁烷及多溴代二苯并呋喃。因此,现在有不少阻燃剂用户对卤系阻燃剂持审慎甚至不欢迎的态度,并积极致力于无卤阻燃剂的开发,特别是在电子电器行业内,无卤阻燃改性PP成为近年来研究和开发的热点。

无卤阻燃剂有金属氢氧化物、磷系阻燃剂、有机硅系阻燃剂等。金属氢氧化物具有无毒、无腐蚀、不产生有毒气体等优点,因而被称为绿色环保型阻燃剂,但其添加量通常在50%以上才能达到较好的阻燃效果,而高填充量将严重影响材料的物理机械性能;磷系阻燃剂主要用于含氧高聚物,磷系阻燃剂中的红磷由于颜色较重,不适合应用于对颜色要求较高的产品中,所以,有较大的局限性;有机硅系阻燃剂由于价格太高也未得到广泛使用。所以开发新的无卤阻燃体系成为阻燃领域的一大课题。

近年来,人们对膨胀型阻燃剂研究得较多。它是以PVC为主要核心成分的复合阻燃剂,可用于多种易燃聚合物。添加膨胀型阻燃剂的聚合物燃烧时,会在表面形成一层均匀的炭质泡沫层,此炭层在凝聚相能起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用,而且无卤、低烟、低毒、无腐蚀性气体,对PP力学性能和加工性能的影响也较少小,基本上克服了传统阻燃剂技术中存在的缺点,备受国内外专家学者的关注,也被公认为是实现阻燃剂无卤化很有希望的途径之一。

2聚丙烯阻燃剂的作用机理

聚丙烯的燃烧分为3个过程:遇氧分解产生可燃气体、可燃气体燃烧、热反馈以维持燃烧继续。破坏该循环的任一或数个阶段,就可以使得燃烧自动停止。因此,聚丙烯的阻燃途径有3种:一是利用阻燃剂对聚合物分解出的可燃气体产物的燃烧或火焰起阻止作用,由于阻燃是在气相中发生作用,称为气相阻燃;二是利用阻燃剂来阻止有机聚合物的热分解释放可燃气体,因为是对高聚物凝聚相发生作用,称为凝聚相阻燃;三是利用阻燃剂阻止部分燃烧热返回聚合物的热反馈,称为中断热交换阻燃机理。

PP阻燃剂的添加主要通过两种途径来实现:一是通过机械混合的方法将添加型阻燃剂加入PP中,这是目前制备阻燃PP的主要方法;二是将反应型阻燃剂接枝到PP的主链或侧链上,如,采用原位反应增容法将非卤阻燃剂反应性单体引入到PP大分子骨架上,用此法制得的非卤阻燃PP中,反应性单体起到了偶联剂的作用,显著提高了阻燃剂与PP的相容性,不同的反应单体增容效果不同,双单体体系比单一单体体系具有更好的相容性。

3聚丙烯阻燃剂的发展方向

随着高聚物材料阻燃化处理技术的不断发展,对阻燃剂综合性能的要求也越来越高,既要达到规定的阻燃级别,还要有良好的物理力学性能、耐腐蚀性、低烟性、无毒性及热稳定性等。聚丙烯阻燃剂材料的发展方向大致概括为:阻燃效率高,可赋予聚烯烃良好的难燃性;与聚烯烃的相容性好,可较好地分散在聚烯烃中形成均相体系;在聚烯烃的加工温度下不分解;不降低聚烯烃的力学性能、电性能、耐候性等;耐久性好,能长期保留在聚烯烃制品中发挥阻燃作用;安全环保,无毒、无臭、无污染,在阻燃过程中不产生有毒气体。总之,聚丙烯阻燃剂材料正向高效、低烟、低毒、低成本的方向发展,特别是无卤、低烟、低毒的膨胀型阻燃剂、有机硅系阻燃剂以及纳米阻燃剂的开发与应用将成为聚丙烯阻燃剂最活跃的研究领域。