聚乙烯无卤阻燃技术的研究进展
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摘 要:综述了聚乙烯的常用无卤阻燃的研究状况,主要介绍了磷系、金属氢氧化物等阻燃体系及阻燃原理,并展望了聚乙烯阻燃的发展趋势,低添加量、无卤、环保是未来阻燃聚乙烯的发展方向。
关键词:聚乙烯;无卤阻燃
中图分类号:TQ325.1+2 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2010)020(C)-0134-01
引言:聚乙烯密度小,质量轻、无毒,并且电绝缘性能和耐腐蚀性能优良,加工简单,用于薄膜,包装材料、建筑材料及电线电缆等方面。但是聚乙烯氧指数(OI)是17.4,小于21,为易燃材料,这点就限制了聚乙烯在电缆电线,建筑材料方面的应用,因此应对聚乙烯进行阻燃处理。传统的阻燃处理是制备含卤聚合物或往聚合物中添加卤阻燃剂,但是这些材料遇火燃烧之后,热分解产生大量的烟雾和有毒的卤化氢气体,妨碍人员疏散以及增加救火难度。聚乙烯在燃烧时,产物是水和CO2,无有害气体和明显的烟雾。目前,聚乙烯的无卤阻燃添加剂主要以磷系化合物和金属氢氧化物为主。
一、磷系阻燃剂
磷系阻燃剂是弱的火焰抑制剂,原理为凝聚相阻燃。磷系化合物受热后分解为磷酸,偏磷酸,为脱水催化剂,促使聚合物脱水炭化呈石墨状的焦炭层,阻隔了氧气,并且焦炭层导热性差,减缓了热分解。另外聚偏磷酸呈粘稠状液态膜覆盖于固体可燃物表面,阻止自由基逸出、又能隔绝空气,从而达到了阻燃的效果。
(一)无机磷系阻燃剂。无机磷阻燃剂主要是红磷、磷酸盐及磷―氮基化合物。红磷在400―500℃下转化成白磷,白磷在水气存在下被氧化为黏性磷酸,焦磷酸等含氧酸,从而达到凝聚相阻燃。红磷阻燃剂的主要优点为发烟量小、添加量少、低毒、耐久性好、应用范围广。但红磷阻燃剂与聚乙烯相容性不好,耐水性差、影响阻燃材料的力学性能,一般采用与其他阻燃剂复合使用。磷氮体系是无卤复合阻燃体系,由磷系阻燃剂与含氮阻燃剂组成,在聚乙烯阻燃中占有重要地位,具有抑烟、无毒、安全价廉等优点,磷氮复合阻燃体系的阻燃机理是通过气相和凝聚相阻燃的。含氮阻燃剂分解温度高,适用于高温成型的塑料阻燃。在许多复合阻燃体系中、红磷与氮化合物在阻燃与消烟方面具有协同效应,氮组分的添加通常能增加磷系阻燃剂的功效。
(二)有机磷系阻燃剂。常用的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、丙苯系磷酸酯、丁苯系磷酸酯等。[1]磷酸酯类可使塑料成型时流动加工性变好,可抑制燃烧后的残余物,产生的毒性气体和腐蚀性气体比卤系阻燃剂少,具有增塑和阻燃的双重功能。另外有机磷系阻燃剂可用于透明塑料,加工腐蚀性小,有阻碍复燃的作用,阻燃效率高,主要应用于电线电缆,绝缘性护套。
二、金属氢氧化物阻燃剂
(一)氢氧化铝。氢氧化铝(简称ATH),是主要的无机金属氢氧化物阻燃剂,占无机阻燃剂用量的80%以上,要求用于阻燃剂ATH的纯度比较高,以大于99.15%为好。
ATH受热后,脱去三个结晶水温度不同。ATH的阻燃机理为:填充ATH的作为稀释剂,降低可燃性高聚物的浓度。结晶水吸收聚合物燃烧产生的热,脱去,从而抑制了温度的升高并且水蒸气稀释了可燃性气体和氧的浓度。结晶水脱去后产生的Al2O3隔热层,隔绝氧气起到阻燃作用。ATH的阻燃效果添加50%以上才能有较明显的阻燃效果,这将会使得塑料的韧性减小,粘度增大,断裂伸长率下降。可以采取对粒子进行表面处理或者调解粒径的方法来提高阻燃效果。常见的表面处理方法有表面活性剂涂覆,使用硅烷偶联剂、钛酸酯、有机硅等表面处理剂处理。ATH的粒度对聚合物阻燃性能及力学性能很大的影响,研究表明,等量的阻燃剂,粒度越小,比表面积越大,阻燃效果越好;超细粒度的ATH,可增强界面的相互作用,有效地改善共混物的力学性能。
(二)氢氧化镁。金属氢氧化镁也是一种有效的添加型无卤阻燃剂,其阻燃原理和氢氧化铝相似。氢氧化镁的起始分解温度比水合氧化铝高得多,热稳定性好,特别适宜于加工温度较高的聚烯烃塑料。氢氧化镁用于聚乙烯塑料时,具有良好的阻燃及消烟效果。但是Mg(OH)2的耐酸性差,在酸中会急速溶解,也容易受乳酸所影响而使制品表面留下指纹。因此有必要对Mg(OH)2阻燃体系进行表面处理。
结束语:卤系阻燃材料虽然效果很好,当产生大量的烟雾和有毒气体会引发二次污染,逐渐被新型、低烟、低毒、高效、无卤产品所取代。红磷复合材料阻燃效果好于红磷,尤其是对于含氧的聚合物的阻燃。另外红磷阻燃剂还存在一个重要的弊端就是会改变聚合物基材的颜色。金属氢氧化物系阻燃剂阻燃效果好,广泛用于电线电缆等领域,可是用量大,影响加工。
其他无卤阻燃体系还有有机硅,膨胀型等阻燃剂,膨胀型阻燃体系基本上克服了含卤阻燃剂本身燃烧烟雾大,放出有毒和腐蚀性气体,以及燃烧时多熔滴的缺陷,使得膨胀型阻燃技术成为近年来最为活跃的阻燃研究领域之一。[2]总之,低烟雾、低毒、高效复合型、阻燃抑烟性阻燃剂是发展的的总趋势,聚乙烯阻燃技术将不断提高,前景广阔。
作者单位:四川大学高分子科学与工程学院
作者简介:施博昊(1989.4― ),男,汉族,山东东营人,四川大学高分子科学与工程学院高分子材料与工程专业本科在读;徐文丽(1989.4― ),女,汉族,湖南郴州人,四川大学高分子科学与工程学院高分子材料与工程专业本科在读。
参考文献:
[1]李学峰,陈绪煌,周密.中国塑料,1999,13(6):80―85.
[2]崔春仙,崔永岩,高留意.现代塑料加工应用,200,(3):54―57.
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