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耐水单分子膨胀阻燃剂的制备及阻燃聚丙烯的研究

刘海超  
【摘要】:聚丙烯(PP)具有良好的机械和耐化学腐蚀等性能,广泛应用于电线电缆、交通运输、汽车及电子电器等领域。但聚丙烯材料极易燃烧,其应用受到了极大的限制。膨胀阻燃剂(IFR)能有效提高PP的阻燃性能,但大多数IFR为多组分阻燃剂,组分之间的均匀分散困难,也影响了相互之间的协同作用,同时IFR组分的极性较强,易析出,耐水性较差。然而单分子IFR将组分同时引入到一个分子中,能更好的发挥协同阻燃作用。因此研究并制备耐水单分子IFR具有重要的科学意义及实际的应用价值。本论文以三聚氰胺、焦磷酸哌嗪、甲醛为原料,合成了阻燃剂聚二羟甲基三聚氰胺-焦磷酸哌嗪酯(PDMPP)。通过傅里叶红外光谱、固态核磁共振及元素分析测试对其结构进行了表征和确认。测试表明,PDMPP在70℃水中的溶解度为0.26 g/100g水,表明了合成的阻燃剂具有良好的耐水性能。热重分析测试表明,PDMPP的起始分解温度为255℃,在700℃的残炭量达到29.6%,结果说明阻燃剂具有良好的热稳定性和成炭性能。将合成的PDMPP添加到PP中制备阻燃PP材料。当PDMPP的添加量为23 wt%时,材料的垂直燃烧测试中通过了 UL-94 V-0级且无熔滴产生,极限氧指数(LOI)值为26.7%。将材料在70℃水中浸泡168 h后取出,烘至恒重,其质量损失为0.67%,样条依然能通过UL-94 V-0级,LOI值为26.3%。表明在耐水测试过程中,仅有极少量的阻燃剂被提取出,但材料仍然保持了良好的阻燃性能。锥形量热测试(CONE)表明,与PP材料相比,耐水前后的阻燃PP材料的热释放速率(HRR)、烟释放速率(SPR)、一氧化碳的生成(COP)等方面都得到了大幅度的降低,耐水测试对材料的燃烧性能影响较小。光谱测试表明,燃烧后炭层具有较高的石墨化,使得形成的炭层具有更好的热稳定性和机械强度,在燃烧过程中起到很好的阻隔作用,从而有效的提高了材料的阻燃性能。将PDMPP和聚磷酸铵(APP)复配后添加到PP中制备阻燃PP材料。当PDMPP与APP的质量比为5:1,阻燃剂的总添加量为21 wt%时,材料通过了 UL-94 V-0级且无熔滴,LOI值为26.9%,表明PDMPP与APP具有良好的协同阻燃作用。在CONE测试表明,与PP、PP/PDMPP材料相比,PP/PDMPP/APP在热释放速率和总热释放量方面更低,燃烧后残炭量更高。炭层的形貌及组成分析表明,APP的加入利于材料在燃烧过程中形成更加丰富、优质的炭层,从而发挥更好的阻隔作用,进一步提高了材料的阻燃效率。


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