炭化作用在聚烯烴材料中的阻燃應(yīng)用

近年來(lái)，為了提高阻燃聚合物的炭化效率，出現(xiàn)了協(xié)同阻燃、有機(jī)硅系阻燃、納米阻燃材料等多種新技術(shù)[2]。

早在20世紀(jì)70年代,Krevelen[1]等人就提出了高聚物在燃燒過(guò)程中可形成炭層,其阻燃性可以得到明顯改善,且高聚物燃燒時(shí)生成的炭量與其極限氧指數(shù)(LOI)有很好的相關(guān)性，高聚物成炭性與其阻燃性能密切相關(guān)。對(duì)聚合物來(lái)說(shuō)，目前存在的主要問(wèn)題是炭化劑炭化效果差，而且聚合物自身分解產(chǎn)物參與成炭的程度較小，阻燃劑在燃燒過(guò)程中生成的炭的速度又慢，造成成炭量少，炭層質(zhì)量差，難以起到很好的隔熱隔氧作用。在燃燒過(guò)程中，炭化對(duì)聚合物的阻燃性有巨大的影響。因此，研制開(kāi)發(fā)高效的炭化劑，特別是能促進(jìn)聚烯烴自身更多的參與成炭的膨脹型阻燃劑，具有重大的意義。

聚烯烴是烯烴(以乙烯、丙烯為主)的聚合物，它是一種質(zhì)輕、無(wú)毒,具有優(yōu)良的介電性能、電絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性能的熱塑性材料。聚烯烴價(jià)格低廉,加工流動(dòng)性好,易加工成各種形狀復(fù)雜的制品,被廣泛應(yīng)用于電子、電器、化工、食品、機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè),其中應(yīng)用于電線電纜行業(yè)最多。但聚烯烴的氧指數(shù)僅有17左右,屬易燃材料。因此,聚烯烴的阻燃研究備受關(guān)注,而炭化阻燃是該研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1.協(xié)同阻燃

雙金屬氫氧化物(LDH)是近年來(lái)才興起的一種無(wú)鹵阻燃劑，它是一類陰離子型的層狀材料，其化學(xué)組成式為，其中和分別代表二價(jià)和三價(jià)金屬離子，A為層間陰離子。LDH廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，受熱在50-200℃失去層間水，300℃以上時(shí)層間的碳酸根與羥基脫出，在此過(guò)程中，大量吸收熱量，可以起到阻燃的作用。此外，分解后的固體產(chǎn)物具有較大的比表面積和較強(qiáng)的堿性，能及時(shí)地吸收材料熱分解釋放的酸性氣體和煙霧，起到抑煙的作用[3]。

最近發(fā)展起來(lái)一種新型的無(wú)鹵無(wú)機(jī)膨脹型阻燃劑-膨脹石墨（EG）[4]。它是在硫酸中氧化石墨制得的，為黑色片狀物，當(dāng)其被迅速加熱到300℃以上時(shí)，可以沿晶體結(jié)構(gòu)的C-C方向膨脹數(shù)百倍，有優(yōu)良的膨脹成炭效果，在成炭阻燃方面具有良好的應(yīng)用前景。田春明[5]等將EG/APP體系用于高密度聚乙烯HDPE，的研究,熱分析表明,EG/APP的添加使得HDPE材料的熱穩(wěn)定性增強(qiáng),降解過(guò)程變緩,剩炭率增加;SEM表明,EG/APP加入使樣品生成連續(xù)、致密的炭層。

2.有機(jī)硅系阻燃

有機(jī)硅系阻燃劑是一種新型高效、低毒、防熔滴、環(huán)境友好的非鹵阻燃劑,也是一種成炭型抑煙劑。有機(jī)硅系阻燃劑能促進(jìn)炭的生成,提高炭層的穩(wěn)定性和改善炭層結(jié)構(gòu)。該炭層還具有一定的抑煙作用[1-2]。李鳳嶺[6]等研究發(fā)現(xiàn),加入Al(OH)3或SiO2可提高聚丙烯膨脹體系的絕熱性能,但極限氧指數(shù)(LOI)卻下降,但如果添加一定量的有機(jī)硅化合物卻可使蜂窩狀炭結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和致密,提高了聚丙烯的極限氧指數(shù)。

何繼輝[7]等采用含活性乙烯基的硅橡膠(PDMS)與線性低密度聚乙烯(LLDPE)進(jìn)行熔融共混,并添加阻燃母料(FM),制得LLDPE/PDMS阻燃共混物。結(jié)果表明,未加PDMS的阻燃材料燃燒后殘留的炭層由阻燃劑分解產(chǎn)生的無(wú)機(jī)粒子堆砌而成,結(jié)構(gòu)疏松;而加入15%PDMS的阻燃共混物燃燒后形成結(jié)構(gòu)緊密的板結(jié)炭層,阻燃材料氧指數(shù)從22提高到28。

3.新型納米成炭阻燃材料

上世紀(jì)80年代末及90年代初興起的聚合物分子材料阻燃的新途徑。由于納米效應(yīng)，聚合物/常規(guī)聚合物/填料復(fù)合材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如密度小，耐熱性好，阻燃性能大大提升等，引起了廣泛的關(guān)注。特別是自1991年碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其優(yōu)異的力學(xué)性能、熱學(xué)性能，良好的導(dǎo)電性能和較大的比表面積引起全世界范圍內(nèi)的廣泛研究。碳納米管具有非極性，與聚烯烴有良好的相容性，既不需要像蒙脫土那樣進(jìn)行有機(jī)改性，也不需要加增溶劑進(jìn)行改性。目前，關(guān)于碳納米管在提升聚合物的熱穩(wěn)定性方面也有一定的報(bào)道。

王彪[8]等用熔融共混法制備了聚丙烯/多壁碳納米管(PP/MWNTs)復(fù)合材料,TGA研究表明在氮?dú)鈿夥障绿技{米管顯著增加了聚丙烯基體的熱穩(wěn)定性，3wt%MWNTs可使PP熱分解起始溫度提高44℃，具有良好的提升熱穩(wěn)定性作用。

胡小平[9]等用兩種新型阻燃劑(SPS和PTEN)與聚磷酸銨(APP)及碳納米管(MWNT)復(fù)配,并應(yīng)用于低密度聚乙烯(LDPE),得到膨脹型阻燃LDPE/MWNT復(fù)合材料。通過(guò)氧指數(shù)(LOI)、垂直燃燒(UL-94)、錐形量熱試驗(yàn)(CONE)對(duì)膨脹型阻燃LDPE/MWNT復(fù)合材料的阻燃性能和燃燒性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在該膨脹型阻燃體系中,IFR與MWNT之間存在明顯的協(xié)效阻燃作用,并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和熱釋放速率(HRR),而且燃燒后的殘?zhí)苛看蟠笤黾印?/FONT>