阻燃聚丙烯（PP）常见问题解析及方法（火源ALPHA）

聚丙烯（PP）作为一种产量极大的通用塑料之一，因其本身具备优良的机械性能，较低的生产成本，较好的加工成型性能，以及较好的化学阻隔性，其广泛应用于汽车工业、建筑材料、电气材料以及包装材料等领域中。然而，因其极易燃烧，并且在燃烧过程中会产生熔融滴落，发热量较高，熄灭较困难，存在加速火势蔓延的趋势，因此限制了其更多领域的应用。所以，提升其阻燃性意义重大。

怎样才能使聚丙烯达到阻燃等级，从而提高制品的使用安全与环保呢？我们一起来看看。

提高聚丙烯（PP）阻燃水平的方法

一般通过添加阻燃剂的方法提高阻燃等级。

随着人们生活质量的提升，环保意识逐渐增强，高效、高安全性、低毒低烟的无卤阻燃剂成为阻燃聚丙烯领域的发展趋势。

在无卤阻燃聚丙烯体系中，一般通过化学改性和物理填充两种办法对聚丙烯进行阻燃改性。前者是在分子链结构上引入具备阻燃功能的元素或者基团，增加碳氢比、引入芳香结构或者共轭结构、进入刚性结构或者极性基团、增加交联度等手段；后者是通过熔融共混的方法添加到聚丙烯基体中，主要是通过一定的比例复配阻燃剂，针对应用场合和力学等性能需求不同进行挤出造粒，进而制备成复合材料，适合大规模工业化生产的要求。

一种利于聚丙烯(PP)复合材料的抗吸潮，不析出无卤阻燃剂

1、三聚氰胺-氰尿酸盐（MCA），一种 N 元素含量较高的阻燃剂，其作为阻燃剂的分解温度为 320 ℃左右的吸热分解成三聚氰胺和氰尿酸，后者可以促进聚合物基体的降解，同时促进交联成炭，可以将可燃的聚合物分子链碎片快速转化成难燃的阻隔层，导致材料的快速自熄。针对 PP 这种聚合物基体，MCA 的热稳定性比 PP 聚合物的加工温度更高，同时 MCA 的制备过程完全清洁和环境友好，且不会产生有毒产物。

2、磷酸锆（α-ZrP），一种无卤阻燃剂，亦可作为改版炭层结构协效剂，由于其本身具备一定程度的厚径比，一定的固体酸催化活性，一定的层状阻隔效应，其高温残余物可以在一定程度上增强炭层，可以在一定程度上使得阻燃效果事半功倍。加之因其刚性、尺寸稳定性、和热稳定性，还可以在聚合物复合材料材料中发挥增强增韧的作用。

基于此，采用磷酸锆作为核，三聚氰胺-氰尿酸盐作为壳。通过自组装的方式将三聚氰胺-氰尿酸盐沉积在磷酸锆的表面，制备一种磷酸锆@三聚氰胺磷酸盐的复合粒子（以下简称AMC）。再通过熔融共混法将其与传统的膨胀型阻燃剂（IFR）复配添加到聚丙烯（PP）中，用于提高聚丙烯（PP)抗吸潮，力学性能，热稳定性及阻燃性能。

磷酸锆@三聚氰胺-氰尿酸盐复合粒子（AMC）的制备方法

将磷酸锆α-ZrP 3.0 g分散在 100 mL DMSO 中，超声搅拌 30 min 后，在上述溶液中添加约 4 mL左右的TMAOH，在室温下继续搅拌1h，制备成一种预修饰物TMA-ZrP，同时，将1.89 g（0.015 mol）三聚氰胺和 1.94g （0.015 mol）三聚氰酸分别超声溶解在 DMSO 中，并将这两种溶液分别加入到上述溶液中，升高反应温度到 50℃，控制超声浴的功率为 100 W，反应 30 min，最终的产物用乙醇和去离子水分别洗涤三次，再在真空烘箱中过夜干燥，得到的白色粉末即为所需产物（标记为AMC），具体实验过程如下图所示：

功能化聚丙烯（PP）实验解析

1、阻燃性能

当复配了 2 wt%的 AMC 和 24 wt%的 IFR 可以使 PP 复合材料的 LOI 达到 31.2%，并通过UL-94 的 V-0 测试，此时 IFR 与 AMC 的最佳添加质量比为 12:1。从成炭的宏观形貌上看，PP 试样的炭层热稳定性最佳，没有出现明显收缩现象，从成炭的微观形貌上看，PP试样的内外炭层连续性和致密程度最佳。并且发现了AMC 的残余物在炭层中呈现梯度分布的现象，且内表面比外表面的含量高，从物理结构上看，这对于稳固炭层有较好的作用。从化学角度上看，添加了 AMC 后促进脱水交联反应，同时促进无定型炭向有序化炭层的转变，使得炭层更为耐热且力学性能更佳。

a）外表面炭层 EDS，（b）内表面炭层 EDS，（c）内表面放大区域的点扫描 EDS

2、热稳定性

复配了 AMC 后，复合材料的 T₅% 、T₅₀% 和 Tmax 均有所提高，当添加 2 wt%的 AMC 和 24 wt%的 IFR 时达到极大值，同时最终的残炭量也达到极大值。而单独添加 MCA 时，复合材料在较高温度范围内热稳定性出现下降，最终的成炭量也出现了下降，说明其中的 α-ZrP 可以起到增强炭层并提升炭层热稳定性的作用，同时可以提高最终的成炭量。热降解动力学研究显示，复配了 25 wt%的 IFR 后，复合材料的热降解表观活化能（Ea ）有所提高，当添加了 AMC 后，复合材料的 Ea 进一步提高，这说明，要更高的温度转化为热能去驱动分子链降解，即需要更高的转化能级。可见，热稳定性和热降解动力学之间存在着相互吻合的结果，说明 AMC 的加入的确有助于复合材料整体热稳定性的提升。

3、力学性能

未添加 AMC 时，复合材料的力学拉伸强度为 25.8 MPa，冲击强度为 2.3 kJ/m² ，当添加 2 wt%的 AMC 后，复合材料的拉伸强度上升至 30.3MPa，断裂伸长率从 21.3%上升至 30.5%，冲击强度上升至 3.2 kJ/m ² ，脆断断面的微观形貌显示孔洞较为明显的减少，且 IFR 和 AMC 颗粒分散的较为均匀，IFR 的颗粒尺寸变小，说明，AMC 的加入不仅可以提高阻燃剂的分散性也可以提高阻燃剂与基体的相容性，最终提升复合材料的力学性能。

4、 IFR 复配 AMC 的协同阻燃机理

在 PP 降解初期，MPP 降解成聚磷酸和三聚氰胺，前者充当酸源，脱水炭化，后者充当气源，稀释可燃性气体浓度；之后，AMC 表面的三聚氰胺-氰尿酸降解产生不燃性气体，充当一部分气源，且一部分氮氧自由基在凝聚相捕获大分子链碎片，延缓 PP 的进一步降解；随着 AMC壳的降解，内部的 α-ZrP 核逐渐裸露，表面的 Lewis 酸位点发挥催化反应，可以促进 PER 与聚磷酸之间的酯化反应，转化为有效的炭层；在较高温度下，AMC 的产物 ZrP₂O₇可以加固炭层，抵抗在燃烧进程中的热流和气流，如此，可以有效的发挥阻隔效应；并且，在焦磷酸盐的促进下，炭层可以从非晶炭转化为结晶炭，炭层更为有序化，炭层的热稳定性和力学性能得到提升。此外，不燃性气体被封闭在炭层中间，可以起到膨胀化炭层的作用，有效避免被燃材料与火源的接触，提高了阻燃性能。