無鹵阻燃PP材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

呂強(qiáng)　劉小林　胡志　葉淑英　劉罡

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院科聚孚工程塑料有限責(zé)任公司,重慶，400037;2. 重慶市高性能工程塑料工程技術(shù)研究中心,重慶，400037)

聚丙烯(PP)具有密度小、無毒、易加工、抗沖擊強(qiáng)度、抗撓曲性及電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于包裝、紡織品、建材、電子電器等很多行業(yè)[1]。然而,純PP的極限氧指數(shù)(LOI)值僅為17.4%～18.5%,非常容易燃燒且燃燒發(fā)熱量大,產(chǎn)生的熔滴又極易傳播火焰,并產(chǎn)生大量的不飽和氣體,由此而帶來的火災(zāi)危險(xiǎn)性也越來越大[2]。傳統(tǒng)的含鹵阻燃PP可以達(dá)到較為理想的阻燃效果,但是火災(zāi)過程中會(huì)釋放大量有毒、腐蝕性的鹵化氫氣體,導(dǎo)致電路系統(tǒng)開關(guān)和其他金屬物件的腐蝕以及對(duì)人體呼吸道和其他器官造成危害甚至因窒息而威脅生命安全[3]。無鹵阻燃材料因?yàn)槠渥枞夹阅軆?yōu)異,有毒煙氣釋放量低成為當(dāng)今阻燃材料研究的一大熱點(diǎn)。因此,對(duì)無鹵阻燃PP的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析具有重大意義。

下面分別對(duì)比了純PP與無鹵阻燃PP的阻燃性能、熱降解情況、模擬火災(zāi)過程中的熱量釋放以及有毒煙氣釋放隨時(shí)間的變化規(guī)律,系統(tǒng)分析無鹵阻燃PP對(duì)火災(zāi)中熱和煙氣危險(xiǎn)性的降低作用。

1　試驗(yàn)部分

1.1　主要原料及儀器設(shè)備

PP,K7726,中石油北京燕山分公司;無鹵阻燃劑SR-201A-1(聚磷酸銨APP與三嗪環(huán)成炭劑CFA復(fù)配產(chǎn)品),市售。

高速混合機(jī),SHR-10A,張家港市曙光機(jī)械廠;雙螺桿擠出機(jī),TE-35型,江蘇科亞化工裝備有限公司;注塑機(jī),SZ-90型,廣東東華機(jī)械有限公司;垂直燃燒儀，CZF-2型,南京江寧分析儀器有限公司;氧指數(shù)測(cè)定儀，HC-2C型,南京江寧分析儀器有限公司;熱重分析儀，TG 209 F1,德國(guó)NETZSCH公司;錐形量熱儀，標(biāo)準(zhǔn)型，英國(guó)Fire Test Technology公司。

1.2　試樣制備

將各種物料按照一定配方加入高速混合機(jī)中,混合均勻后在雙螺桿擠出機(jī)中熔融共混,擠出造粒。擠出機(jī)各段溫度為180,190,200,200,190 ℃,螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min。將所得粒料在80 ℃下干燥6 h,經(jīng)注塑機(jī)在200 ℃下注塑成標(biāo)準(zhǔn)試樣,供測(cè)試使用。

1.3　性能測(cè)試

UL-94樣條尺寸:130 mm×13 mm×3.2 mm;LOI樣條尺寸:130 mm×6.5 mm×3.2 mm;熱重分析,升溫速率為10 ℃/min,加熱范圍為40～700 ℃,氮?dú)獾臍怏w流速均為60 mL/min;錐形量熱測(cè)試,輻照強(qiáng)度在50 kW/m2條件下, 按ISO 5660—1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試, 樣品尺寸為100 mm×100 mm×3 mm。

2　結(jié)果與分析

2.1　垂直燃燒和氧指數(shù)測(cè)試

通過添加不同用量無鹵阻燃劑SR-201A-1,測(cè)試阻燃PP的UL-94和LOI數(shù)據(jù),各種物料配方及測(cè)試結(jié)果見表1。

表1　無鹵阻燃PP的配方及阻燃性能

從表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),阻燃劑SR-201A-1對(duì)提高PP阻燃性能有很好的效果,隨著阻燃劑添加量的增加,LOI數(shù)值也逐漸增加,當(dāng)添加阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和15%時(shí),LOI由純PP的17.6%分別增加至21.2%和26.7%;添加了阻燃劑SR-201A-1的PP燃燒過程中熔滴現(xiàn)象得到了很好抑制,當(dāng)阻燃劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),第1次供火后,樣條均在1～5 s內(nèi)熄滅,未出現(xiàn)熔滴現(xiàn)象,只是第2次供火后,樣條依舊持續(xù)燃燒;阻燃劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),樣品的LOI達(dá)到33.2%,UL-94達(dá)到V-0級(jí)。

2.2　熱降解行為分析

圖1為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的熱失重曲線。

從圖1可以看出,無鹵阻燃PP(4#)與純PP(1#)的熱分解過程相似,主要失重均發(fā)生在350～500 ℃,純PP的初始分解溫度(材料失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%時(shí))為345 ℃,在700 ℃下沒有任何殘?zhí)渴Ｓ唷o鹵阻燃PP的初始分解溫度略有提高, 達(dá)到359 ℃,說明阻燃劑SR-201A-1加入導(dǎo)致PP的分解過程滯后,提高了材料的熱穩(wěn)定性;同時(shí)阻燃劑的加入,提高了材料在凝聚相中的殘留,700 ℃的殘?zhí)抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)由0提高至6.9%。

圖1　無鹵阻燃PP及純PP熱失重分析

2.3　火災(zāi)熱危險(xiǎn)性分析

圖2為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的熱釋放速率曲線。

圖2　無鹵阻燃PP及純PP熱釋放速率分析

從圖2可以看出,純PP點(diǎn)燃后熱釋放速率(HRR)短時(shí)間內(nèi)急劇上升,其峰值熱釋放速率高達(dá)718 kW/m2,而無鹵阻燃PP(4#)燃燒時(shí),熱釋放速率相比純PP得到很好的抑制,其峰值熱釋放速率為156 kW/m2,只有純PP的21.7%。說明無鹵阻燃PP在燃燒過程中向環(huán)境放熱是一個(gè)緩慢的過程,不利于引燃其他材料。

2.4　火災(zāi)煙氣危險(xiǎn)性分析

圖3和圖4分別為無鹵阻燃PP(4#)及純PP(1#)的煙釋放速率和總煙釋放與時(shí)間的關(guān)系。

圖3　無鹵阻燃PP及純PP的煙釋放速率與時(shí)間關(guān)系

從圖3中可以看出,無鹵阻燃PP(4#)煙釋放速率峰值比純PP明顯下降,從純PP為0.13 m2/s

降低至0.02 m2/s,下降幅度為85%。這意味著無鹵阻燃PP在實(shí)際火情中有毒煙氣的釋放強(qiáng)度得到了有效地抑制;同時(shí)在時(shí)間上也向后延緩,為人員的現(xiàn)場(chǎng)疏散贏得了寶貴的時(shí)間。從圖4中可以看出,無鹵阻燃PP對(duì)總煙生成量抑制效果也較為突出,總煙釋放與純PP的19.7 m2相比降低至8.3 m2。

圖4　無鹵阻燃PP及純PP的總煙釋放與時(shí)間關(guān)系

3　結(jié)論

a)無鹵阻燃劑SR-201A-1對(duì)PP有著優(yōu)異的阻燃效果,當(dāng)其添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),阻燃材料LOI可達(dá)33.2%,垂直燃燒為V-0級(jí)。

b)無鹵阻燃劑SR-201A-1促使PP材料的分解過程滯后,熱穩(wěn)定性提高。

c)無鹵阻燃PP材料可以有效地降低體系熱和煙的釋放速率及釋放量,極大地減小材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性。