含磷氮的新型聚硅氧烷阻燃剂的制备及在聚丙烯中的应用

摘要

聚丙烯（PP），作为一种具有优异综合性能的热塑性高分子材料，在工商业中有着广泛的应用。但PP属于具有较高火灾危险性的易燃材料。因此，降低PP的易燃性对于提高其火灾安全性具有重要意义。 目前，阻燃剂（FRs）与PP基体熔融共混是最常见的改善PP阻燃性的方法。聚硅氧烷作为一类热稳定性良好、低毒或无毒、与基体相容性好的聚合物在阻燃领域中有着良好的应用前景。但是，常见的聚硅氧烷多为油状液体且其制备过程复杂，这限制了其在阻燃PP中的应用。一般而言，较高的FRs添加量才能使PP获得良好阻燃效果，但会对PP的力学性能造成破坏。阻燃涂层是一种新颖、高效的阻燃方式，对PP的力学性能没有不良影响。但是PP表面能低、润湿性差等因素使得阻燃涂层很难牢固而长久地粘附在PP表面。 鉴于此，本文首先通过氢化硅烷化反应与开环反应制备了一种含有许多氮、磷、硅及苯环的热稳定性良好的新型固体聚硅氧烷（APID）。之后将其与协效剂在较低的添加量下分别以熔融共混方式与涂层方式显著提高PP的阻燃性，同时尽可能降低阻燃体系对PP力学性能的影响。此外，还研究了不同阻燃方式的阻燃机理与不同阻燃复合材料的耐老化性质。 将 APID 与聚磷酸铵（APP）复配构成膨胀型阻燃体系（IFRs），通过熔融共混方式提高 PP的阻燃性，结果表明：当添加量为 23wt.%且APID:APP=2:3 时，PP/IFRs 复合材料的极限氧指数（LOI）为 28.2vol%，垂直燃烧测试（UL-94 测试）通过 V0 级别；与纯 PP的热释放速率峰值（PHRR）、火势增长指数（FIGRA）及火灾性能指数（FPI）相比，该复合材料的PHRR及FIGRA降低了75.7%与81.0%、FPI提升了126.9%。IFRs遇热会生成含有大量?P(=O)?O?Si?O?的连续、致密、稳定、强韧的膨胀型炭层，起到隔氧、绝热、保护基体的作用。富含?Si?O?CH2CH3基团的APID在熔融过程中能够对APP进行表面改性从而提高了APP与PP的相容性，减小了APP对PP抗拉强度的影响并提高了冲击强度。 采用涂层方式提高PP阻燃性时，首先通过酸处理提高了PP的表面能，之后将APID、APP、KH550与聚乙烯醇缩甲乙醛等构成膨胀型阻燃浆料并通过提拉法制备了带有光滑涂层的PP试样。该涂层具有良好的阻燃性、粘附力以及柔韧性。平均厚度为 196μm的涂层就能使 PP 获得良好的阻燃性（UL-94测试通过V0级别，LOI值为37.8vol.%）。带有该涂层的PP试样与纯 PP 相比，PHRR 与 FIRGA 分别降低了 74.9%和 80.0%、FPI 提升了281.8%。涂层成分之间的相互作用（包括APP表面改性、硅烷之间水解缩聚以及氢键等）使得涂层均匀且致密并具有良好的热稳定性。阻燃涂层对PP的力学性能没有不良影响。此外，阐述了膨胀型阻燃涂层的阻燃机理，并研究了涂层的耐老化性质。

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