新型膨胀无卤阻燃HDPE的研究

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近年来,随着人们环保意识增强和对塑料阻燃性能要求的提高,聚烯烃塑料阻燃技术面临新的挑战。传统的卤素阻燃聚烯烃在燃烧时会产生有毒、腐蚀性气体和大量烟雾,存在很大的安全隐患。无机填料阻燃剂则需要较大的添加量才能达到较好的阻燃效果,且很大程度上影响了塑料的力学性能。新型无卤膨胀型阻燃剂应运而生,成为近年来的阻燃领域的研究热点。膨胀型阻燃剂以氮、磷、碳元素作为主要组分,能使阻燃体系在燃烧时于表面产生炭质泡沫层,对凝聚相起到隔热、隔氧、抑烟和减少融滴等作用,赋予塑料很好的阻燃性能。本文分别采用硅藻土(Kie)、高岭土(Kaolin)和氧化镧(La2O3)与膨胀型阻燃剂(IFR)协同阻燃高密度聚乙烯(HDPE)。通过氧指数(LOI)、水平垂直燃烧(UL-94)、热重分析(TG)、差示扫描量热仪(DSC)、红外光谱(IR)、锥形量热(Cone)和扫描电镜(SEM)等分析测试手段,研究了三者对膨胀阻燃体系的影响及其协同阻燃机理。研究结果表明,硅藻土(Kie)能在一定程度上改善HDPE燃烧时熔融下滴情况,降低HDPE的水平燃烧速率和提高LOI。固定IFR的添加量为30wt%,聚磷酸铵/季戊四醇(APP/PER)为2/1时组成IFR的阻燃效果最佳,此时HDPE/IFR复合材料的LOI为30.7,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。以Kie与IFR协同阻燃HDPE,Kie用量为0.5%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/Kie复合材料LOI为32.7,较HDPE/IFR体系提高了6.5%,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。Kie能进一步提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,降低HDPE燃烧时的热量释放,且能延长阻燃材料的氧化诱导期OIT。以高岭土(Kaolin)阻燃HDPE,Kaolin未能有效地降低火焰的水平传播速率,但能一定程度上改善HDPE燃烧时熔融下滴和提高LOI。以Kaolin与IFR协同阻燃HDPE, Kaolin用量为1%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/Kaolin复合材料LOI为32.4,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。Kaolin能提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,且能提高阻燃材料的OIT。稀土氧化镧(La2O3)的加入,能提高HDPE在氮气和空气氛围下的热稳定性。以La2O3与IFR协同阻燃HDPE,La2O3用量为1%时,协同阻燃效果最佳,HDPE/IFR/ La2O3复合材料LOI为32.3,垂直燃烧达到UL-94的V-0级。La2O3能提高阻燃体系的热稳定性,促进阻燃体系燃烧时形成强度更高、结构更致密的炭层,且能提高阻燃材料的OIT。在上述阻燃性能研究基础上,本文也考查了Kie、Kaolin和La2O3分别对HDPE/IFR体系的力学性能、熔融指数和维卡软化点的影响。结果表明,三者均对HDPE/IFR体系的力学性能和维卡软化点影响不大,但能降低HDPE/IFR体系的熔融指数。
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