阻燃材料实验

阻燃材料实验一、实验目的和要求1.了解PP的性能特点、应用及阻燃改性方法和原理；2.掌握挤出机、注塑机等常用高分子材料成型设备的操作方法和使用；掌握阻燃PP复合材料的制备工艺；3.掌握运用YZS-100型氧指数测定仪测定PP复合材料氧指数的基本方法，并运用氧指数评价常见材料的燃烧性能。

二、实验原理、方法聚丙烯(Polypropylene，PP)具有原料来源丰富、合成工艺简单及产品综合性能优异等特点。

与其它通用热塑性塑料相比，聚丙烯具有密度小、价格低、屈服强度、拉伸强度、表面硬度等机械性能优异等特点，并有突出的耐应力开裂性、耐腐性和良好的化学稳定性好。

是最常用的通用塑料之一，广泛应用于电子、电器等领域；已成为目前塑料加工业的主要原料之一。

由于聚丙烯的极限氧指数(LOI)为 18 左右，属于易燃材料，使其在电子、电器、交通等诸多领域中的应用于受到局限，因此，研制开发具有阻燃能力的聚丙烯材料一直是聚丙烯该性的研究热点之一。

2.1聚丙烯的阻燃机理聚丙烯所用阻燃剂主要分为无机化合物、有机化合物两大类。

无机化合物主要包括有：氧化锑、水合氧化铝，氢氧化镁，硼化合物；有机化合物主要包括有机卤化物(约占31%)，有机磷化物(约22%)。

按使用方法可分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。

添加型阻燃剂主要有：有机卤化物，磷化物，无机化合物。

不同的阻燃剂可起到不同的阻燃作用，它们能使燃烧的五个阶段中某一个或某几个阶段的速度加以抑制，最好能让燃烧在萌芽状态就被制止，即截断某一阶段来源或中断链锁反应，停止游离基的产生。

阻燃机理有多种：保护膜机理、不燃性气体机理、冷却机理、终止链锁反应机理、协同作用体系。

阻燃剂的复配是利用阻燃剂之间的相互作用，从而提高阻燃效能，称为协同作用体系。

2.2聚丙烯阻燃协效体系常用的协同作用体系有锑－卤体系，磷卤体系，磷－氮体系。

(1)锑－卤体系锑常用的是Sb2O3，卤化物常用的是有机卤化物。

Sb2O3－有机卤化物一起使用，能发挥阻燃作用，其机理认为：它与卤化物放出的卤化氢作用，生成SbOCl，然后SbOCl热分解产生SbCl3。

(2)磷卤体系磷与卤素共存于阻燃体系中并存在着相互作用。

例如，将磷化物和溴代多元醇用作聚氨酯泡沫的阻燃剂，研究其阻燃效能(OI值)及焦炭生成量与磷、溴含量之间的关系发现，阻燃剂中磷几乎全部转入到焦炭中，而且溴也转入到焦炭中，两者都促使焦炭生成量的提高；还发现300℃以下生成的焦炭中，磷原子和溴原子比例为l:1，在500℃下生成焦炭中，它们的比例为l:2.5-3.0。

这表明磷和卤素间有着特殊的相互作用。

当采用芳香族溴化物时，这种作用消失。

(3)磷－氮体系磷阻燃剂中加入含氮化合物后，常可减少磷阻燃剂用量，说明二者结合使用效果更好。

例如，用磷酸和尿素将棉织物进行磷酸化，这是一种较早的棉织物阻燃处理方法，它们的结合降低了磷酸用量。

用N－羟甲基二烷基膦丙酰胺处理儿童睡衣，用磷酸铵处理木材、纸、棉纤维，都可以起到阻燃作用。

（4）膨胀型阻燃剂由磷系、氮系及无机物组成的复合阻燃体系。

具有阻燃效果好、燃烧时无滴落物、发烟少、无有毒气体、抑烟、不影响塑料原有性能。

在受热时，在塑料表面可形成均匀的炭质泡沫层，起到隔绝热量及氧气的作用。

一般由炭源、酸源、气源三部分组成。

炭源：指含碳量比较高的多羟基化合物及潭水化合物，如淀粉、季戊四醇、多羟基树脂等酸源：一般为无机酸或加热时生成无机酸的一些化合物，如无机酸、磷酸铵盐APP，磷酸酯等气源：即发泡剂。

2.3 聚丙烯阻燃剂体系分类对聚丙烯进行阻燃研究，必须首先考虑以下的四个基本因素：(1)阻燃剂在经久不息的加工温度下必须是热稳定的；(2)阻燃剂不能与聚丙烯发生反应，但又必须与聚丙烯很好地相容，不能有析出和迁移效应；(3)阻燃剂必须能够长久的保持其阻燃作用；(4)阻燃剂不应有毒，燃烧时不产生毒性和腐蚀性气体。

为此，对聚丙烯的阻燃研究，前人进行了大量的工作，并逐渐形成以下几种体系。

2.31含卤阻燃剂聚丙烯阻燃体系含卤阻燃剂是目前世界上产量最大的有机阻燃剂之一，含卤阻燃剂以其添加量低，阻燃效果明显，且价格适中而受到重视含卤体系对聚丙烯有较好的阻燃效果。

但是，含卤阻燃体系燃烧时发烟量大，易产生腐蚀性气体及大量的烟雾，在火灾中会妨碍人员疏散和灭火工作，腐蚀性气体引起的金属腐蚀，给火灾后的恢复工作带来困难；其次是含卤阻燃剂会降低聚合物对紫外光的稳定性。

近几年，减少阻燃材料燃烧时生成的烟量及有毒气体量，已成为当代阻燃剂研究开发最为活跃的领域之一。

北美、西欧的一些国家，已经制定了有关这方面的法规。

2.32无机填料型阻燃剂聚丙烯阻燃体系是一类无卤阻剂，具有安全性高、抑烟、无毒、价廉等优点，在聚丙烯的阻燃中具有重要地位。

主要是氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌和红磷等。

氢氧化铝、氢氧化镁在受热时发生吸热的脱水反应，产生的水又可以起到稀释和降温作用。

硼酸锌在火焰作用下熔化形成玻璃态的包覆层，随后在高温下(290℃ ) 脱水，起到吸热降温的作用。

同时，它能促进炭化和抑制烟的发生，从而发挥阻燃作用。

硼酸锌常作为阻燃增效剂与其它阻燃剂并用。

红磷主要用于阻燃热固性树脂，也可用于阻燃聚丙烯。

它具有廉价、阻燃效果好、添加量少等优点，同时也存在吸湿、带色、与树脂相容性差、易为冲击所引燃等缺点。

使用无机阻燃剂的缺点是添加量大(一般在 60%~160%)，对材料的机械性能和电学性能影响较大，而且燃烧时产生溶滴。

为解决这一难题，一般采用微粒化、表面改性和协同效应等方法。

2.33含磷阻燃剂的聚丙烯阻燃体系常用的磷系阻燃剂可分为有机磷系阻燃剂和无机磷系阻燃剂，通常有机磷系阻燃剂有磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三(二甲苯)酯等。

有机磷系阻燃剂对材料的性能影响比较小，与聚合物材料有良好的相容性，但使用过程中存在着渗出性大、易于水解和热稳定性差等缺点，对其使用带来限制。

2.34含氮阻燃剂的聚丙烯阻燃体系人们对阻燃材料低烟、低毒的要求使氮系阻燃剂以其优异的阻燃综合性能日益受到青睐。

氮系阻燃剂主要有三聚氰铵、三聚氰胺氰脲酸盐、三聚氰胺磷(膦)酸盐、三聚氰铵焦磷酸盐等。

氮系阻燃剂是通过分解时的吸热效应和释放不燃性气体(NH3)的稀释作用来实现阻燃效果的。

但是，单独使用氮系阻燃剂阻燃聚丙烯效果不佳，这是由于成炭效果不好导致固相阻燃效果不大。

把这类阻燃剂与含磷阻燃剂结合使用即组成膨胀型阻燃体系，阻燃效果很好。

2.35含硅阻燃剂的聚丙烯阻燃体系作为一种无卤阻燃剂，硅系阻燃剂正日益得到业内人士的重视。

实际上，有机硅化合物作为偶联剂在聚合物阻燃工艺中一直起着举足轻重的作用。

有机硅兼有有机材料及无机材料的双重优点，具有防潮、憎水、电气绝缘、耐高低温、化学稳定性、消泡、脱模及生理惰性等优异性能。

用硅阻燃剂阻燃聚丙烯，不仅可以大大改善材料的阻燃抑烟性，而且可以提高材料的力学性能和电气性能。

美国GE 研制的 SFR-100 硅阻燃剂，配以适当的协同添加剂(如硬脂酸镁、聚磷酸铵、季戊四醇或氢氧化铝)，可以低的添加量满足聚烯烃阻燃和抑烟的要求。

2.36膨胀型阻燃聚丙烯体系在众多的阻燃体系，近年来发展起来的膨胀型阻燃体系异军突起，成为九十年代阻燃剂家族的新秀，也是近期阻燃剂领域的研究热点。

膨胀型阻燃体系在燃烧过程中，因材料表面生成一层蓬松、多孔的炭层而具有隔热、隔氧、抑烟，且无熔滴生成的特点，因此十分适合于聚丙烯的阻燃。

目前，世界上对材料阻燃的要求在日益提高，一些西欧国家以及美国等发达国家已制定了严格的阻燃法规，不仅对建筑、装饰、衣物等制品的阻燃要求很高，对发烟量、毒性也有严格的要求。

这给膨胀型阻燃剂的发展提供了良好的机遇。

它被认为是实现阻燃剂无卤化很有希望的一种途径，但这类阻燃剂的效率还不能满足使用要求，需要提高其阻燃功效，其阻燃的物理和化学过程的详细机理更有待进一步的研究。

三、实验原料和仪器PP，粒料，中国大庆石化公司；Sb2O3，CP，扬天粉体工程有限公司；TPP，CP，中蓝晨光化工研究院；KH-550，工业品，南京曙光化工厂；抗氧剂1010，CP，北京化工三厂。

单螺杆挤出机，HT-30型，南京橡塑机械厂有限公司；注塑机，HJ-700型，宁波海晶塑机制造公司；高速混色机，SHR-20型，张家港市亿利机械公司；微机控制冲击实验机，JJ-20型，长春智能仪器设备有限公司；氧指数测试仪 HC-2型，南京江宁分析仪器公司。

四、实验步骤1.实验配方2.按配方称量好聚丙烯树脂及助剂，经混色机高速混合，也可采用手工混合，螺杆挤出机挤出，造粒，再用注塑机注射成型标准检测试样。

3.按相应国标法检测其性能。

氧指数性能按GB/T2406-1993测试，阻燃性能按GB/T2408-1996测试。

五、实验结果记录及处理表1 PP阻燃材料缺口冲击强度测定记录表2 PP阻燃材料氧指数测定记录注：第五行的燃烧结果即判断氧是否过量，氧过量记“×”，氧不足记“Ο”。

表3 PP阻燃材料性能测定六、实验报告要求1.写出实验目的、原理、内容、步骤2.记录实验数据并进行处理3.材料性能评价：评价阻燃改性前后效果变化七、实验注意事项1.操作挤出机、注塑机时要按规程操作，以防不规范操作带来的危险；2.制作试样数量10个，收集好，待测性能；3.同组成员之间要分工合作，确保按时完成实验。

八、思考题1.聚丙烯塑料的性能特点是什么？2.聚丙烯阻燃机理是什么？3.聚丙烯常用的阻燃剂有哪些？阻燃剂选择注意事项是什么？。