无卤阻燃HIPS的研究
2024-10-18
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无卤阻燃HIPS的研究 《上海塑料》2008年第4期(总第144期) 无卤阻燃H I PS的研究 郑艳,张军,高祯瑞 (青岛科技大学橡胶材料与工程教育部重点实验室,山东青岛266042) 摘要采用熔融法制备包括可膨胀石墨(EG)、红磷(RP)、氢氧化铝(ATH)体系的阻燃高抗冲聚苯乙烯(HIPS)复合材料;采用 锥形量热仪、氧指数、垂直燃烧法研究其对HISP的阻燃性能的影响。结果表明:HISP/EG/RP—ATH复合材料的热释放速率及其 峰值。质量损失速率等燃烧性能参数继续降低,且火灾性能指数和氧指数大幅提高,uL 94垂直燃烧可以达到FV-0级;结合复 合材料燃烧残余物形态。发现EG和RP之间具有明显的协同阻燃效应。 关键词 高抗冲聚苯乙烯;可膨胀石墨;红磷;氢氧化铝;协同阻燃 中图分类号:TQ 320.66 文献标识码:A 文章编号:1009-5993(2008)04-0029-04 0前言 1 实验 高抗冲聚苯乙烯(HIPS)是一种具有优良力学 1.1 原材料 性能的工程塑料。目前被广泛用于汽车、建筑装饰 高抗冲聚苯乙烯PH一88,镇江奇美化工有限 材料、电子电器外壳、家具等。但由于HIPS属于易 公司;可膨胀石墨9550400、9932515,青岛兴华石 燃塑料,因而限制了其在要求阻燃的塑料制品中的 墨制品有限公司;微胶囊化红磷连云港海水化工 应用。为了拓展其应用范围,必须进行阻燃改 有限公司;氢氧化铝济南泰星精细化工有限公司。 性 。目前阻燃材料呈低烟、少毒、无卤化的发展 1。2设备和仪器 趋势。与卤系阻燃剂相比,氢氧化铝具有阻燃、消 双滚筒塑炼机SK.160B,上海橡胶机械厂;25 t 烟、填充功能,而且不挥发、无毒、腐蚀小、不产生二 平板硫化机XQLB-350 X 350,上海第一橡胶机械 次污染,又能与多种物质产生协同效应。但由于阻 厂;锥形量热仪标准型,英国FrT公司。 燃效率较差,填充量过大时会恶化聚合物基体的物 1.3无卤阻燃HIPS的制备 理力学性能和加工性能。因此,通常与其它阻燃剂 控制辊温在(160-4-5)oC,将HIPS树脂在双滚 协同使用 。红磷(RP)阻燃剂具有无毒、高效等 筒炼塑机上塑炼,然后将RP,CG2 ATH和EG按照 阻燃特性,较少的添加量即可达到很好的阻燃效 既定配比加入,使其混合均匀,然后在25 t平板硫 果 。它比较适用于含氧高聚物,而对聚烯烃的阻 化机上热压3 min,冷压5 min,制取100 mm X 100 燃效果不太理想,必须与氢氧化铝和氢氧化镁等阻 mm X4 mm的样品。 燃剂协同使用才能达到较好的阻燃效果 。可膨 1.4表征与测试 胀石墨(EG)资源丰富,制造简单,价格低廉,无毒、 低烟,已成为当前膨胀型阻燃剂研究的热点。 。。为 1.4.1锥形量热仪测试 考察其对HIPS的阻燃作用,利用可膨胀石墨 采用英国rrT公司的标准型锥形量热仪,测试 (EG)、红磷(RP)、氢氧化铝(ATH)复配制备HIPS 样品的热释放速率(HRR)、质量损失速率(MLR) 复合材料,并研究其对HIPS阻燃性能的影响。 等燃烧性能参数。热辐射功率为50 kW/m ,样品 尺寸为100 mm X 100 mm x4 filmo 1.4.2氧指数(LOI)法和垂直燃烧法测试 收稿日期:2008-04-02 参照GB 2406.1993标准,使用JF.3氧指数测 作者简介:郑艳(1983一),在读硕士生,从事聚合物/氧化石墨 定仪进行LOI实验。实验长度100 mm,宽度(10 阻燃复合材料的研究。 -i-0.5)mm,厚度(4 4-0.25)mm。依据标准UL94 29— 无卤阻燃HIPS的研究 《上海塑料》2008年第4期(总第144期) 进行测试,试样规格为(125 4-5)mm x(13±0.3) mm x(3±0.2)mm。 (2)添加RP—ATH的HIS/EG复合材料的热 P释放速率曲线明显变缓,PHRR下降更加显著,火 灾性能指数有所增加,表现出较好的阻燃性能;样 1.4.3扫描电子显微镜观察 采用日本电子公司JSM-6700F型扫描电镜,观 品Ⅱ和Ⅲ的PHRR分别降低为200 kW/m 和144 察和分析阻燃HIPS复合材料燃烧残渣的微观形态 kW/m ,分别比仅添加相同用量阻燃体系的样品I 结构。 2结果与讨论 2.1 阻燃HIPS复合材料燃烧性能分析 2.1.1热释放速率分析 HRR是指材料被点燃后单位面积的热量释放 速率,是表征火灾强度的重要性能参数。HRR的 最大值为热释放速率峰值(PHRR)。HRR或 PHRR越大,则材料的燃烧放热量越大,形成的火 灾危害性就越大。火灾性能指数被定义为点燃时 间与热释放速率峰值的比率。它在预测材料点燃 后是否易发生轰燃,具有一定的实际意义,也可用 于评价材料的燃烧性能,其值越大,则火灾危险性 越小。 为考察EG与RP—ATH并用对HIPS的增效阻 燃作用,对由不同配方制备的HISP复合材料的阻 燃性能进行测试。为了便于分析,具体配方和燃烧 性能参数,如表1所示。 表1 阻燃HIPS各组样品的配方和主要燃烧性能参数 Tab.1 Composition and main parameters of combustion performance for HIPS composites 注:HIPS均为100份;样品Ⅳ的EG粒径为325目,其余EG均为 5O目。 图1是红磷体系与EG并用阻燃HIPS复合材 料各组样品的热释放速率曲线。从图中可以看出: (1)与纯的HIPS样品相比,添加RP—ATH样 品的PHRR从1 008 kW/m 降低为240 kW/m ,表 明RP—ATH体系可以改善HIPS的阻燃性能。 一30一 的PHRR下降了4%和9.5%,且FPI增加为110 s・ ・(kW) 和167 s・rn2・(kW)一。这表明RP— ATH对HIPS/EG复合材料阻燃性能有较大提高, 二者之间具有显著的协效阻燃作用,而且随着体系 中EG用量的增加,阻燃效果进一步提高。 (3)添加相同量阻燃体系的样品Ⅱ,由于添加 的EG粒子尺寸大,阻燃效果优于样品Ⅳ。 (4)在相同的阻燃剂用量下,增加EG用量, 阻燃效果更佳;可见添加适量EG可使复合材料的 热释放速率显著下降。因此,我们考虑在不影响体 系阻燃性能的情况下,降低阻燃剂总用量,以利于 改善材料的力学性能。样品V添加了10份RP、20 份ATH和l0份EG,PHRR达到255 kW/m ,PHRR 降低了74.7%,FPI达98 s・m ・(kW)~,表明此 阻燃体系对HISP具有良好的阻燃性能。 苎 再 崧 图1 阻燃HIPS复合材料的热释放速率曲线 Fig.1 Heat release rate offierretardant HIPS composites 图2是红磷体系与EG并用阻燃HISP复合材 料的总热释放曲线。图中所表现出的规律与HRR 曲线相似。 2.1.2热失重行为分析 质量损失速率表示聚合物在燃烧时质量损失 的变化速率。它反映了聚合物材料在一定火焰强 度下的热解速率和热解行为。图3是RP.ATH与 EG并用阻燃HIPS复合材料的质量损失速率曲线。 无卤阻燃HIPS的研究 《上海塑料》2008年第4期(总第144期) O 一 ∞.爿一、静嫂水 咖 O 0 0 0 燃烧残余物表面形貌,如图4所示。可以看出:各 0 0 样品都促进复合材料膨胀成炭,但单独使用EG的 样品I形成的炭层虽厚,但结构松散;而将其与 RP.ATH体系并用的样品Ⅱ和Ⅲ得到紧密的炭层。 我们推测炭层之间强度的差异是RP.ATH/EG使 HIPS阻燃性能大幅提升的主要原因。炭层必须同 时具有高膨胀比和力学稳定性,才能有好的屏蔽作 用,而RP可以促进EG炭层的粘结,减少炭层内的 图2 阻燃HIPS复合材料的总热释放曲线 Fig.2 Total heat release of fire retardant HIPS composites 图3阻燃HIPS复合材料的质量损失速率曲线 Fig.3 Mass loss rate of fier retardant HIPS composites 由图3可以看出:(1)与纯的HIPS相比,仅添 加RP—ATH的样品I的质量损失速率有所降低,曲 线变得平缓,表明材料的耐热性有所提高。(2) RP.ATH体系阻燃的HIPS/EG复合材料与添加相 同阻燃剂用量的样品I相比,质量损失速率明显降 低,曲线变得更加平缓;且随着EG用量的增加和 粒径的增大,降低愈明显,表明阻燃性能得到进一 步提高。这说明EG/RP.ATH阻燃体系主要通过 燃烧时形成的炭层起到屏蔽作用;而形成的残炭越 多,屏蔽作用越好。其中,RP除了能够促进HIPS 成炭,在气相中阻断燃烧链外,在材料燃烧时还能 够生成粘稠的偏磷酸,在膨胀炭层的表面形成保护 层,促进EG之间的粘结,减少炭层内的孔洞,提高 炭层的阻燃作用,以减少HIPS的热分解。(3)添 加20份EG的阻燃HIPS复合材料的残炭剩余最 多,质量损失速率最高。这与体系在释热特性变化 规律是一致的。 2.2 阻燃HIPS燃烧残余物的微观结构分析 阻燃HIPS复合材料在锥形量热仪中测试后的 孑L洞,使得到的炭层厚而紧密,从而提高炭层的屏 蔽阻燃作用。 f1)HIPS/EG l 0 (2)HIPS/RP—ATH (3)HIPS/RP—ATH ,EGl0 ,EG 20 图4 阻燃HIPS/EG复合材料的燃烧残余物照片 Fig.4 Char residues of HIPS/EG composites 为了进一步了解添加RP.ATH体系和EG对 HISP阻燃作用机理,采用扫描电镜分析了样品燃 烧残余物的微观结构。图5是用扫描电镜观察得 到的阻燃HIPS样品燃烧炭渣的微观结构形态图。 由图中可以看出:仅添加RP—ATH体系的样品燃烧 残余物主要由一些形状不规则的ATH残片和RP 颗粒所组成;而添加RP—ATH体系阻燃的HIPS/EG 复合材料燃烧后,留下大片连续密实的炭层,具有 较好的屏蔽效果。 (1)HIPS/RP-ATH (2)HIPS/RP-ATH (3)ITIPS/RP—ATH /EG10 ,EG 20 图5 阻燃HIPS样品燃烧残余物的扫描电镜照片 Fig.5 Scanning electron microscope photographs of flame retardant HIPS samples 2.3 阻燃HIPS氧指数及垂直燃烧分析 表2为RP—ATH体系阻燃HIPS/EG复合材料 的燃烧性能。由表2可知,单独加入RP—ATH能够 使HIPS的氧指数有所提高;而RP.ATH与EG并 用阻燃的样品的氧指数进一步升高。在阻燃剂总 31一 无卤阻燃HIPS的研究 《上海塑料》2008年第4期(总第144期) 用量不变时,体系中随着EG用量增加,氧指数进 3结论 一步提高。当EG用量为20份时,氧指数达到 27.2%,阻燃效果最好。这是因为阻燃体系中EG (1)RP.ATH和EG并用阻燃HISP,使复合材 用量较少时,一方面难以形成有效的膨胀炭层;而 料的热释放速率、质量损失速率显著降低。当体系 RP相对用量较大,本身燃烧时放出大量的热,对阻 中EG用量为20份时,PHRR降低了85.7%,FPI 燃不利,因而氧指数上升不大。对于EG用量高的 达167 S・m ・(kW)~,表现出良好的阻燃性能。 体系,可以形成完整的膨胀炭层,而RP—ATH体系 (2)RP.ATH除了能够促进HIPS成炭,在气 的加入能够促进炭层粘结,所以氧指数得以大幅 相中阻断燃烧链外,还能促进EG炭层的粘结,提 提高。 高炭层的阻燃作用,二者具有明显的协同阻燃 效应。 表2 RP-ATH体系阻燃HIPS/EG复合材料的燃烧性能 (3)RP.ATH和EG并用阻燃HIPS的样品,氧 Tab.2 Fire properties of flame retardant HlPS/EG 指数大幅提高,垂直燃烧能够通过V.()级测试,具 composites with RP-ATH 有良好的协同阻燃性。 参考文献: [1] Strombers R R,S ̄aua S,Achhammer B.Thermal decomposi— tion of polyvinyt chloirde[J].J Polym Sci,1959,35: 355-368. 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