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常见阻燃塑料所用阻燃方案简介
在塑料用的阻燃剂当中,卤系和磷系是最常用的两大类阻燃剂了。


卤系阻燃剂

卤系阻燃剂分为氯系阻燃剂及溴系阻燃剂。氯系阻燃剂的价格便宜,但是热稳定性差,仅适用于加工温度低于200℃的产品。溴系阻燃剂阻燃效率高,是氯系阻燃剂的2倍,相对用量少,与基体树脂互容性好,对材料的力学性能影响较小,耐候性和热稳定性好,在阻燃领域有着重要的地位。

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     十溴二苯乙烷示意图

卤系阻燃剂主要是在气相中发挥阻燃作用,它在受热时分解放出难燃的卤化氢气体,可 以稀释空气中氧气和可燃性气体的浓度,并能消除或降低聚合物燃烧过程中产生的活性自由基,从而终止或减缓气相燃烧过程中的链式反应,起到阻燃的作用。

同时,在凝聚相中卤系阻燃剂还可通过脱水反应形成炭化层,覆盖在聚合物表面隔绝空气,从而在凝聚相起到阻燃作用。

卤系阻燃剂与金属氧化物、含磷化合物等协效剂配合使用,阻燃效果更佳,因此在实际应用中,卤系阻燃剂常与三氧化二锑 (Sb2O3) 协同使用。

然而,卤系阻燃剂在燃烧过程中会产生浓烟及腐蚀性气体等,给人类健康和环境带来严重的二次灾害,所以低卤或无卤环保型阻燃剂备受关注。

磷系阻燃剂

磷系阻燃剂已形成了门类繁多的品种,包括无机磷酸盐、磷酸酯、磷杂菲、磷腈以及红磷等。磷系阻燃剂在燃烧过程中分解形成的高沸点含氧酸可以促进聚合物脱水和炭化,并形成炭化残渣保护层,使聚合物与空气隔绝。同时,脱出的水分吸收大量的热,也可降低聚合物表面温度,从而达到阻燃的效果。    图片
磷系阻燃剂BDP示意图

磷系阻燃剂优点是毒性和腐蚀性低、热稳定性好、效果持久。欧盟已经禁止在电子设备制造时使用多溴联苯、多溴联苯醚等卤系阻燃剂。磷酸酯类的磷系阻燃剂双酚A-双磷酸二苯酯(BDP)与PC/ABS等工程塑料相容性好,并且具有环保性能好、热稳定性高、对材料性能影响小等优点, 因此在手机、笔记本电脑以及电视机等电子电器设备中得到广泛应用。

常用阻燃塑料及其阻燃方案

阻燃PC/ABS

PC具有冲击强度高、抗蠕变、尺寸稳定性好、耐热、透明和介电性能优良等优点,但同时也存在加工流动性差、容易发生应力开裂、对缺口敏感、耐磨性差等缺点;ABS具有较好的耐化学药品性和成型加工性,然而其耐热和耐候性相对较差。两者共混改性所得的PC/ABS合金在性能上可互补,广泛应用于汽车工业、通信设备、电子电器、照明设备等。
       图片 PC/ABS应用于复印机

为了满足一些应用领域中的防火安全要求,PC/ABS合金必须具备良好的阻燃性。例如在新能源汽车充电桩以及部分电子电气阻燃等级要达到V-0。用于PC/ABS共混体系目前效果较好的是热稳定性好的双磷酸酯类以及磷酸酯齐聚物等,其中BDP对PC/ABS合金表现出良好的阻燃性能.

无卤阻燃PC/ABS的主要生产企业有科思创、沙比克、LG化学、锦湖日丽、万华化学、鲁西化工等。

阻燃PC

PC具有耐热性好、光学性能优异、尺寸稳定性好、机械强度高以及冲击强度优良等特性,广泛用于家电、电子电器、汽车配件、机械设备和光学仪器零部件等,全球PC产能超过1000万吨。

参考阅读:17家聚碳酸酯PC生产企业盘点

PC的极限氧指数 (LOI)可达21%~24%,材料本身可达 UL94 V-2级阻燃,但仍无法满足特殊领域对阻燃性能的要求,如电子电气和汽车领域均要求PC阻燃等级达到V-0。

阻燃PC中,以全氟烷基磺酸钾(PPFBS)为代表的磺酸盐类阻燃剂效果最佳,添加少量(0.5%以下)的磺酸盐阻燃剂就能显著改善PC的阻燃性能,达到1.6~3.0mm V-0的阻燃等级,并且改性后PC的物理性能和力学性能与通用PC相当,还能保持透明。

参考阅读:如何实现PC的透明阻燃?
 图片 透明阻燃PC板材

工业化PC产品中使用最多的磷系阻燃剂是三苯基磷酸酯(TPP)、间苯二酚双(二苯基磷酸酯)(RDP)和BDP,在阻燃剂的添加量为10%(质量分数)时,1.6mm厚度PC可达V-0级别,其中TPP在高温下易挥发,仅在气相中发挥阻燃作用;RDP和BDP可同时在气相和固相发挥阻燃效果。TPP常温下为固态,热稳定性相对较差,在PC加工温度下容易挥发;RDP和BDP常温下为液体,热稳定性较好;BDP较RDP抗水解性能好。

阻燃ABS

ABS光泽度高、韧性好、耐热和耐低温性能好、加工性能优异、具有优良的综合力学性能;ABS电性能不随温度和湿度的改变而出现很大变化,是良好的绝缘材料,广泛应用于家用电器、视听设备、办公用品和电子电气等领域,全球产能超过1000万吨。
 图片 阻燃ABS用于家电外壳

ABS树脂可燃,LOI为18.3%~18.8%, 按UL94标准属于HB级别。ABS着火时燃烧速率快,并且放出大量毒气和黑烟,不利于实际应用。目前主要以卤素阻燃剂与Sb2O3复配使用, 卤锑协同作用对ABS进行阻燃改性,主要用的溴系阻燃剂有TBBA,DBDPE等。

阻燃ABS主要应用于电话、电脑、液晶显示器(LCD) 等电子电气设备外壳、汽车内构部件和外部构件、小型厨房电器、工具盒真空吸尘器的外壳等。

阻燃HIPS

HIPS是由聚苯乙烯(PS)与聚丁二烯(PB)通过共聚制得,拥有两者共同的优点,易加工、尺寸稳定性好且电绝缘性优良、抗冲性较高,成本低,被广泛应用于食品包装、家用电器、电子产品及军用物资的外壳包装等领域。
 图片 阻燃HIPS应用于空调外壳

但HIPS的LOI仅为18%,易燃烧,为了提高使用安全性,必须对其进行阻燃改性。用于HIPS阻燃改性的主要为溴系阻燃剂如十溴二苯乙烷(DBDPE)等,大多与Sb2O3配合协同作用,具有优良的阻燃效果。

阻燃PBT

PBT是一种结晶型饱和聚酯,具有优异的力学性能、较好的尺寸稳定性、良好的电绝缘性以及耐化学药品腐蚀等特点,广泛应用于汽车、电子电器、机械等领域。但PBT的阻燃性能差(UL94HB级),在空气中易燃烧,难以成炭,燃烧时易滴落,且释放出大量浓烟和有毒气体,易产生比较大的危险,因此必须对其进行阻燃改性。
图片 阻燃PBT应用于电子电器

用于PBT阻燃改性的阻燃剂主要为卤系阻燃剂,比较常用的是溴系阻燃剂如DBDPE、溴化环氧树脂等,通过与Sb2O3配合协同作用,达到优良的阻燃效果。PBT中使用的阻燃剂还包括二乙基次膦酸铝(ADP)或其与氢氧化镁、氢氧化铝等的复配产品。

阻燃PA

PA具有良好的力学性能、电学性能和较为突出的润滑性能,广泛应用于电子元件及汽车零件等领域。未改性的PA阻燃等级为UL94 V-2级,LOI为20%~22%,在接触到明火的情况下,会发生快速燃烧,放出大量热,同时还会因熔融存在滴落现象,这为明火的进一步扩散制造了条件。为防止火灾危害,工业上对汽车、电器等产品中使用的PA复合材料有着明确的阻燃要求,一般需要其达到UL94 V-0级别。
图片 阻燃PA应用于接插件

卤系阻燃剂由于与PA相容性好,阻燃效率高,在PA中的应用很广泛。无卤阻燃PA中使用的阻燃剂有所区别,一般纯PA阻燃添加12-15%的MCA即可,而PA/GF体系由于“烛芯效应”,需要阻燃效率更高的二乙基次膦酸铝(ADP),再辅以MPP等起到协效和降本作用,也有与氢氧化镁、氢氧化铝等的复配阻燃PA产品。

综上所述, 目前工程塑料阻燃体系中, 阻燃PC/ABS、阻燃PC主要使用磷系阻燃剂BDP;阻燃ABS、阻燃HIPS、阻燃PBT主要使用溴系阻燃剂,阻燃PA既有溴系阻燃,也有磷氮系阻燃。

参考资料:工程塑料阻燃体系市场发展概况,胡世明,网络资料。


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