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易燃高分子材料还能自带阻燃性能?这下阻燃剂都省了

阻燃型高分子材料按照阻燃元素与高分子基体的结合方式主要可分为本征型阻燃高分子材料和添加型阻燃高分子材料。添加型阻燃高分子材料大家已经非常熟悉,今天我们主要聊聊本征型阻燃高分子材料


衡量塑料易燃程度的一个参数是氧指数,简称OI,是在规定条件下,试样在氧、氮混合气流中,维持平稳燃烧所需的最低氧气浓度,以氧所占体积百分数表示。

氧指数测试仪

氧指数越高表示材料越不易燃烧,空气中的氧气含量为21%,一般认为氧指数<22属于易燃材料,氧指数在22~27之间属可燃材料,氧指数>27属难燃材料。以下是各种不同塑料的氧指数。


当聚合物本身就比较难燃,不需要添加外加型阻燃剂时就具有阻燃效果的高分子材料就是本征型阻燃高分子材料,如PVC,PPS,PVDC等。

从结构上看,本征型阻燃高分子材料是指在聚合物主链或侧链中含有具有阻燃效果的原子或基团(如氮、硅、磷及卤素等),当高分子材料受热发生燃烧后, 这些原子发生化学反应, 产生难燃气体, 从而抑制火势蔓延的发生。

一些易燃、可燃的高分子材料可以通过聚合时引入阻燃元素变成本征阻燃聚合物。

制备本征型阻燃高分子材料, 通常是先利用分子设计的方法制备出含有磷、硅、氮等原子的聚合单体, 然后再通过进一步聚合将磷、硅、氮等元素引入到聚合物的主链中。其中,9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)是一种较常用于合成含磷元素单体的化合物。

1. 本征阻燃水性聚氨酯

郭军红等利用顺丁烯二酸酐和DOPO制备了一种含磷元素的单体, 然后与二元酸和二元醇反应制备含有磷元素的聚酯二元醇, 再进一步与甲苯二异氰酸酯缩合, 制备了含有磷元素的本征阻燃型水性聚氨酯。通过改变原料投料比例, 可以对聚氨酯主链中磷元素的含量进行调控。结果表明, 当磷元素质量分数为2.5%时, 所制本征阻燃型水性聚氨酯的极限氧指数高达34.0%, 为难燃材料。

2. 本征阻燃热塑性聚氨酯

崔锦峰等以DOPO、顺丁烯二酸酐、二元酸、二元醇 为原料制备了一种含有磷元素的聚酯二元醇, 然后将其与甲苯二异氰酸酯缩合, 制备了一种本征阻燃型热塑性聚氨酯弹性体。通过调整各原料配比, 可灵活调节聚氨酯主链中磷元素的含量, 且随着磷元素含量的提升, 热塑性聚氨酯弹性体的极限氧指数逐渐升高, 阻燃性能逐渐改善。当磷元素质量分数为1.0%时, 热塑性聚氨酯弹性体的极限氧指数达38.0%。

聚氨酯

而均环三嗪是含氮元素本征阻燃型高分子材料中最常见的结构。

3. 本征阻燃聚氨酯泡沫

魏路以三聚氰胺、苯酚和甲醛为原料,制备了一种含有氮元素的聚醚多元醇,将其与聚甲撑聚苯基氰酸酯缩合, 制备了一种含有三嗪环结构的本征阻燃型聚氨酯泡沫,其极限氧指数达24.2%~ 24.8%, 而多元醇聚醚4110基聚氨酯泡沫的极限氧指数仅为18.1%。

聚氨酯泡沫

4. 本征阻燃PET

陈琳等制备了一种含有苯酰亚胺结构的间苯二甲酸甲酯, 将其与对苯二甲酸、乙二醇缩合, 制备了一种侧链含有苯酰亚胺结构的聚对苯二甲酸乙二酯。当苯酰亚胺结构质量分数为10%~ 20%时,聚对苯二甲酸乙二酯的极限氧指数均高于26.0%;当苯酰亚胺结构质量分数为20%时,聚对苯二甲酸乙二酯的极限氧指数可达29.0%,而纯聚对苯二甲酸乙二酯的极限氧指数仅为22.0%。

PET

同时引入多种阻燃元素

除了单独向聚合物主链中引入磷、氮等元素外, 还可以通过分子设计手段同时向聚合物主链或侧链中引入两种或两种以上具有阻燃效果的元素, 利用不同元素之间的协同阻燃作用, 进一 步改善高分子材料的阻燃性能。

5. 本征阻燃环氧树脂

王永珍以对氨基苯酚、马来酸酐、三聚氯氰、DOPO为原料,制备了一系列均环三嗪以及含磷元素的均环三嗪, 并利用其作为固化剂制备了含有氮元素以及兼具氮元素和磷元素的环氧树脂。结果表明, 磷元素与氮元素的协同阻燃作用可有效提高环氧树脂的极限氧指数,改善其阻燃性能。当磷元素质量分数为0.70%~0.79%,均环三嗪质量分数为0.24%~ 0.88%时,所制环氧树脂的极限氧指数高达35.6%~ 41.8%。

环氧树脂

姚晓皓制备了一种含有磷元素和均环三嗪结构的固化剂,并将其应用于环氧树脂的固化。结果表明,当磷元素质量分数为1.50%时, 所制环氧树脂的极限氧指数达 32.7%~ 35.4%。

6. 本征阻燃聚酰胺

东华大学李发学教授团队的祝陈晨、范硕为获得长效阻燃的PA6材料,以实验室自制的一种反应型硅系阻燃剂为共聚单元,通过化学共聚法将其引入PA6 的分子主链中,制备得到本征阻燃的PA6共聚物 ,反应型硅系阻燃剂链段被成功引入PA6主链,且PA6共聚物的热稳定性良好,成炭能力显著增强,其极限氧指数可达26.3%,垂直燃烧等级为V-0级别,有焰熔滴行为被有效抑制。

PA6

东华大学李发学教授团队研究聚酰胺阻燃已经有多年经验,建树颇多,2021年10月20日,李发学教授将出席于苏州举行的“2021年阻燃塑料与阻燃剂应用高峰论坛,并发表“聚酰胺材料的本征阻燃研究”的主题演讲,欢迎参会交流。


李发学教授简介
东华大学纺织学院纺织材料与纺织品设计专业,博士,教授,博士生导师。主要从事新型纤维材料的结构设计、制备及功能性应用研究工作。主持承担了国家重点研发计划项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目、上海市自然科学基金项目、上海市青年人才计划项目、教育部博士点计划项目、江苏省科技成果转化项目、中国纺织工业联合会基础研究项目及企业委托项目等20多项。发表论文100余篇,其中SCI收录论文60余篇,授权国家专利10余项。

参考素材来源
阻燃高分子材料的研究进展及其在工程领域的应用,宋莉等;
共聚型阻燃抗熔滴尼龙6的制备及表征,祝陈晨等。


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