陳建江

(云南天耀化工有限公司,云南昆明 650000)

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，合成纖維、塑料、橡膠等合成材料在各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是，高分子材料一般都是易燃或可燃的，容易引發(fā)火災(zāi)事故。為預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生、減少火災(zāi)蔓延的速度、爭(zhēng)取更多的搶救時(shí)間，阻燃劑及阻燃材料已得到社會(huì)的重視[1]。

目前，市場(chǎng)上的環(huán)保型阻燃劑以膨脹型阻燃劑最為熱門(mén)，其優(yōu)異的阻燃性能和低廉的價(jià)格將成為鹵素阻燃劑的代替品，其中以聚磷酸銨體系最為常見(jiàn)，聚磷酸銨作為酸源，還需要添加氣源(如三聚氰胺聚磷酸鹽)、碳源(如季戊四醇)。但聚磷酸銨自身的水溶解性較差，且與高分子材料的相容性也較差，必須要進(jìn)行表面改性才能使用。為了解決上述問(wèn)題，該項(xiàng)目合成開(kāi)發(fā)聚磷酸哌嗪，是聚磷酸銨的一種完美替代品，它是一種兼?zhèn)渌嵩春吞荚吹奈镔|(zhì)，只需加入氣源即可制備出膨脹型阻燃劑。聚磷酸哌嗪由于是大陰離子和大陽(yáng)離子結(jié)合的晶體類(lèi)型，因而有著極低的水溶解度，即使在沸水中溶解度也很低。它是一種由有機(jī)物與無(wú)機(jī)酸反應(yīng)生成的產(chǎn)物，具有有機(jī)物的特征，因此與高分子材料具有良好的相容性[2]。因此，聚磷酸哌嗪是一種含磷氮無(wú)鹵阻燃劑，因其優(yōu)異的阻燃性能，是極具市場(chǎng)潛力的新型無(wú)鹵阻燃劑。

焦磷酸哌嗪已經(jīng)在聚丙烯上得以應(yīng)用，但聚磷酸哌嗪阻燃聚丙烯的應(yīng)用尚未見(jiàn)到報(bào)道[3-4]。目前云南省已經(jīng)成為聚磷酸和聚丙烯產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，如能將聚磷酸一步合成的聚磷酸哌嗪這一新型無(wú)鹵阻燃劑應(yīng)用到聚丙烯領(lǐng)域，對(duì)于相關(guān)方而言意義重大。

文章在采用實(shí)驗(yàn)室成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)優(yōu)化后在生產(chǎn)裝置上進(jìn)行工業(yè)化放大——以多聚磷酸及無(wú)水哌嗪為起始原料，在高溫條件下一步合成高聚合度聚磷酸哌嗪(采用加熱型捏合機(jī)為反應(yīng)設(shè)備，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下合成聚磷酸哌嗪)，將聚磷酸哌嗪與三聚氰胺聚磷酸鹽復(fù)配成膨脹型阻燃劑，再將復(fù)配體系添加到聚丙烯中制成阻燃材料，然后研究了該復(fù)配體系對(duì)聚丙烯材料阻燃和力學(xué)性能的影響，并用目前常用的聚磷酸銨體系膨脹型阻燃劑來(lái)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示：聚磷酸哌嗪體系阻燃劑對(duì)聚丙烯材料有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的聚磷酸銨體系阻燃劑。

1 原料及設(shè)備

1.1 主要原料

多聚磷酸，118%，云南天耀化工有限公司；無(wú)水哌嗪，常州市明順化工有限公司；聚丙烯，云南云天化石化有限公司；聚磷酸銨，云南天耀化工有限公司；季戊四醇，保定市國(guó)秀化工有限責(zé)任公司；三聚氰胺聚磷酸鹽，云南天耀化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

捏合機(jī)，萊州市珍珠化工機(jī)械廠(chǎng)；氣流粉碎機(jī)，河南黎明重工科技股份有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，南京科爾克擠出設(shè)備有限公司；注塑機(jī)，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；熱重分析儀，常州泰勒儀器科技有限公司；垂直燃燒測(cè)試儀(UL 94)，東莞市廣測(cè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，卓的儀器設(shè)備(上海)有限公司；熔融指數(shù)儀，揚(yáng)州市鑫鴻試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)。

2 樣品制備

2.1 阻燃劑聚磷酸哌嗪的合成

在捏合機(jī)中加入80 kg 118%多聚磷酸，開(kāi)攪拌，升溫至70 ℃～90 ℃，加入43 kg無(wú)水哌嗪，蓋上蓋子并鎖緊，向其通入氮?dú)?。反?yīng)20 min后升溫至230 ℃，繼續(xù)反應(yīng)3 h。之后停止加熱并繼續(xù)氮?dú)獗Ｗo(hù)，直至溫度降至90 ℃以下，停止通入氮?dú)?，開(kāi)蓋將物料取出，冷卻至室溫，得到113 kg產(chǎn)品。將產(chǎn)品用氣流粉碎機(jī)粉碎，即可得到聚磷酸哌嗪產(chǎn)品。

2.2 阻燃聚丙烯的制備

按表1配比準(zhǔn)備好所需原料，在高速混合機(jī)中混合均勻。通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)擠出、切粒，將造好的阻燃顆粒料放入注塑機(jī)中注塑出標(biāo)準(zhǔn)樣條。

表1 阻燃聚丙烯質(zhì)量配比Tab.1 Mass ratio of flame retardant polypropylene

3 方法與結(jié)果

3.1 聚磷酸哌嗪的性能

3.1.1 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)

3.1.1.1 檢測(cè)方法

水分采用GB/T 6284-2006化工產(chǎn)品中水分測(cè)定的通用方法進(jìn)行檢測(cè)。

白度采用GB/T 23774-2009 無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品白度測(cè)定的通用方法進(jìn)行檢測(cè)。

泛黃指數(shù)借鑒HG/T 3862-2006 塑料黃色指數(shù)試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

粒徑采用激光粒度分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.1.2 檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，得出以下數(shù)據(jù)：收率為91.8 %，水分 0.13 %，白度 95.3，泛黃指數(shù)為1.93，粒徑 D50=7.31 μm。

3.1.2 熱穩(wěn)定性能檢測(cè)

3.1.2.1 檢測(cè)方法

采用熱重分析儀按GB/T 27761-2011熱重分析儀失重和剩余量的試驗(yàn)方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱性能檢測(cè)。

3.1.2.2 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，圖1為阻燃劑聚磷酸哌嗪的熱重曲線(xiàn)(TG)和差熱曲線(xiàn)(DTA)圖，文章主要考察熱重曲線(xiàn)，從圖中可以看出，聚磷酸哌嗪的起始分解溫度約為280 ℃，5%熱分解溫度約為330 ℃，400 ℃殘重為78.04%，表明該阻燃劑具有良好的熱穩(wěn)定性和成炭性能。

圖1 聚磷酸哌嗪TG/DTA圖Fig.1 TG/DTA chart of piperazine polyphosphate

3.2 復(fù)合材料的性能檢測(cè)

3.2.1 阻燃性能檢測(cè)

3.2.1.1 檢測(cè)方法

將合成得到的聚磷酸哌嗪與三聚氰胺聚磷酸鹽按3 ∶2的質(zhì)量比復(fù)配并混合均勻，另一組將聚磷酸銨、三聚氰胺聚磷酸鹽和季戊四醇按3 ∶1 ∶1質(zhì)量比復(fù)配并混合均勻。然后按表1配方添加到聚丙烯中，造粒，注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，采用美國(guó)阻燃材料標(biāo)準(zhǔn)ANSI/UL-94進(jìn)行垂直燃燒(UL 94)測(cè)試研究了兩組阻燃體系對(duì)聚丙烯材料的阻燃效果；在70 ℃熱水中水煮7 d后，再次進(jìn)行垂直燃燒(UL 94)測(cè)試研究了兩組阻燃體系對(duì)聚丙烯材料的阻燃效果。

3.2.1.2 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)相關(guān)結(jié)果如表2、表3所示。從表2可以看出，加入兩種復(fù)配阻燃劑后，材料阻燃級(jí)別都達(dá)到UL94 V-0級(jí)別，從表3可以看出，經(jīng)熱水煮7 d后，采用聚磷酸哌嗪體系的樣條仍可通過(guò)UL94 V-0級(jí)別，而聚磷酸銨體系只能通過(guò)UL94 V-1級(jí)別，這是由于聚磷酸銨高溫水溶解度較高，部分聚磷酸銨溶解在熱水中而造成樣條中阻燃劑含量減少。結(jié)果表明，聚磷酸哌嗪體系的膨脹型阻燃劑對(duì)聚丙烯有著很好的阻燃效果，且阻燃效果優(yōu)于傳統(tǒng)聚磷酸銨體系膨脹型阻燃劑。

表2 聚磷酸哌嗪體系和聚磷酸銨體系復(fù)合材料阻燃性能Tab.2 Flame retardant properties of composites of piperazine polyphosphate system and ammonium polyphosphate system

表3 水煮后聚磷酸哌嗪體系和聚磷酸銨體系復(fù)合材料阻燃性能Tab.3 Flame retardant property of composite material of piperazine polyphosphate and ammonium polyphosphate after boiling

3.2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

3.1.1.1 檢測(cè)方法

將合成得到的聚磷酸哌嗪與三聚氰胺聚磷酸鹽按3 ∶2的質(zhì)量比復(fù)配并混合均勻，另一組將聚磷酸銨、三聚氰胺聚磷酸鹽和季戊四醇按3 ∶1 ∶1質(zhì)量比復(fù)配并混合均勻。然后按表1配方添加到聚丙烯中，造粒，注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，用熔融指數(shù)儀檢測(cè)其熔融指數(shù)。

3.1.1.2 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

通過(guò)表4可以看出聚磷酸哌嗪體系的阻燃聚丙烯各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都優(yōu)于聚磷酸銨體系的阻燃聚丙烯，這是由于聚磷酸哌嗪與樹(shù)脂的相容性?xún)?yōu)于聚磷酸銨，使得聚磷酸哌嗪在復(fù)合材料里面均勻分散。

表4 聚磷酸哌嗪體系和聚磷酸銨體系復(fù)合材料力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of piperazine polyphosphate and ammonium polyphosphate composites

4 結(jié)論

1)研究成功地對(duì)聚磷酸哌嗪阻燃劑進(jìn)行了工業(yè)化放大實(shí)驗(yàn)，對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行熱重分析，結(jié)果表明，產(chǎn)物具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和成炭性能。

2)將合成得到的聚磷酸哌嗪與三聚氰胺聚磷酸鹽復(fù)配后用于聚丙烯的阻燃，當(dāng)復(fù)合阻燃劑添加量為25%時(shí)，表現(xiàn)出很高的阻燃效率，水煮和未水煮樣條均通過(guò)UL 94 V-0級(jí)垂直燃燒測(cè)試，對(duì)比聚磷酸銨膨脹體系阻燃劑，未水煮樣條通過(guò)了UL 94 V-0級(jí)垂直燃燒測(cè)試，但水煮7 d后的樣條僅通過(guò)UL 94 V-1級(jí)別，這是由于聚磷酸哌嗪有著極低的水溶解度。

3)將制備的阻燃復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，聚磷酸哌嗪體系的復(fù)合材料表現(xiàn)出了很好的力學(xué)性能，這是由于聚磷酸哌嗪與聚丙烯樹(shù)脂相容性?xún)?yōu)于聚磷酸銨。

4)通過(guò)研究，可以看出聚磷酸哌嗪體系阻燃劑對(duì)聚丙烯材料有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，且性能優(yōu)于傳統(tǒng)的聚磷酸銨體系阻燃劑。