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为何黑色PP材料比浅色PP材料更难实现无卤高阻燃?

聚丙烯(PP)作为发展速度最快的通用塑料,无毒、无味、密度小、质轻,且具有易加工、电绝缘性好、耐化学腐蚀等优点,广泛应用于国民经济的各个领域,如汽车、家用电器、医疗器械、日用品和工业用品等。




但随着PP在汽车行业、建筑行业、电器绝缘材料行业和船舶行业等行业的需求量的扩大,人们对PP的阻燃性能提出了更高的要求。但是PP的极限氧指数值(LOI)仅17.0%-18.5%,属于易燃材料,且燃烧时成炭率低,燃烧发热量大,燃烧时还容易产生熔滴,极易使火焰传播发生二次火灾,从而限制了PP在许多领域的使用,所以通过对PP进行阻燃改性,对扩大其应用领域方面尤为重要。目前应用于PP的阻燃剂可分为卤系阻燃剂、金属氢氧化物、硅系阻燃剂、纳米阻燃剂、磷系阻燃剂、膨胀型阻燃剂等。

其中膨胀型阻燃剂(IFR)是以P、N为主要组成元素的低毒无卤阻燃剂,符合阻燃剂环保的发展趋势,是应用前景广阔的一类环保型阻燃剂。IFR主要通过酸源、炭源和气源之间的共同作用,经过受热分解生成泡沫炭层发挥阻燃作用。
IFR具有添加量少、高效、低毒、低烟且无熔滴等优点,比其他阻燃材料具有更优异的阻燃性能,因此,膨胀型阻燃剂受到越来越多的关注,也被应用于各种聚合物基体材料中,已成为目前阻燃剂研究领域最活跃的研究对象。IFR中使用较多的酸源是聚磷酸铵(APP)、硅酸盐、马来酸酐、磷酸铵、磷酸三苯酯、三聚氰胺磷酸盐、脲磷酸盐、硼酸或硼酸盐等;炭源是形成膨胀型炭层的基础,在燃烧过程中脱水而被炭化。炭源主要有PER、酚醛树脂、热塑性聚氨酯(TPU)、聚酰胺、丁四醇、环己六醇、淀粉、麦芽糖、三嗪类化合物等;气源在受热时,可分解产生大量无毒、不易燃的气体,该气体可稀释空气中的氧气或基体表层的可燃性气体,进而发挥阻燃效应。常用的气源主要有三聚氰胺(MEL)、双氰胺、APP、尿素等。

膨胀型阻燃剂在聚丙烯浅色制件上的阻燃应用目前已经相当成熟,但在高黑度聚丙烯制件上的阻燃仍然具有一定难度。


一、高黑度PP相比浅色PP的优势?

在PP制品成型加工中,为了对其制品进行染色、提高防老化性能和抗紫外线能力等,一般会添加一定量的黑色母粒, 添加黑色母粒的PP制品其使用寿命比浅色PP制品长,这对于经常暴露于户外的PP制品,如输水、滴灌管材,通信电缆等PP产品尤为重要。


二、黑色PP材料阻燃难点?

溴锑阻燃剂主要靠气相和凝聚相发挥阻燃作用,色粉及填料对其阻燃影响极小,但其受到环保限制。而无卤磷氮的阻燃机理为膨胀成炭,隔绝氧气和热源从而起到阻燃的作用。黑色母粒主要成分为炭黑,炭黑本身可燃,比表面积大,且表面存在许多微孔,容易形成空间网络通道,而且不易被破坏,这些微孔的存在,会影响阻燃炭层的致密性,使炭层起不到很好的隔绝作用。在同等的成炭量情况下,阻燃达不到效果,最终导致黑色制件的阻燃差于浅色系制件的阻燃,并且黑色粉或者黑色母的添加量越大,阻燃越难达到,而一味的增加阻燃剂的量,会恶化材料的性能,使材料失去良好的加工性和使用性,并且对复合材料成本也存在很大的挑战。


中山康诺德新材料有限公司聚烯烃用无卤环保阻燃剂系列中,HF-900D膨胀型无卤阻燃剂专为高黑度聚丙烯所设计,含聚磷酸铵、特殊结构三嗪成炭剂和磷硅系高效协效剂,以磷、氮、硅为阻燃元素,通过形成高效膨胀炭层阻隔氧气、火源而达到阻燃作用。低添加量HF-900D阻燃高黑度PP可通过UL94 V-0(1.5mm)、GWIT 750℃和GWFI 960℃测试。具有对色粉敏感度低、性价比高、成炭性好、碳层强度高等特点。

表1 HF-900D与普通APP膨胀型阻燃剂在高黑度PP中添加量及阻燃性能的对比

基体树脂

黑色母粒

HF-900D

添加量

UL 94

普通APP膨胀型阻燃剂添加量

UL 94

PP Z30S:PP K8025

(或PP Z30S:PP K8009

)=1:1/1:3

2%

≥26%

V-0(1.5mm)

≥30%

V-0(1.5mm)

3%

≥28%

V-0(1.5mm)

≥34%

V-0(1.5mm)

4%

≥30%

V-0(1.5mm)

≥36%

V-0(3.0mm)

来源:中山康诺德新材料有限公司


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