浅述聚磷酸铵膨胀型阻燃剂在聚合物中应用的研究进展

 

膨胀型阻燃剂(IFR)是以磷、氮为主要成分的无卤阻燃剂，膨胀阻燃体系燃烧过程发烟量少，不产生滴落物和毒气。聚磷酸铵(APP)，分子式为(NH4)n+2PnO3n+1，是一种磷、氮系特效膨胀型无机阻燃剂，该阻燃剂P-N阻燃元素含量高,热稳定性好，阻燃效能高，阻燃性能持久。并且APP近乎中性，能与其他物质配伍，无毒抑烟，受热分解时可释放出水蒸气、氨气等不燃性气体。APP作为膨胀型阻燃剂的基础材料，被广泛应用于阻燃领域。随着全球阻燃剂朝着无卤化方向发展，以APP为主原料的膨胀型阻燃剂已成为研究开发的热点。

IFR主要由3部分组成：酸源、炭源和气源。在IFR中，炭源是能生成多孔炭层的物质，如季戊四醇及其二缩醇、三嗪衍生物等。除了这些成炭剂外，大部分阻燃基材本身就是很好的成炭剂。酸源一般是在加热条件下释放出沸点高、氧化性不强的无机酸的化合物，如APP、红磷及磷氮化合物等。气源是受热放出惰性气体的化合物，一般是铵类和酰胺类物质。由于APP含有P、N、O、H元素，受热分解时可释放出水蒸气、氨气和氮气等不燃性气体，因此APP除了作酸源外也可兼作气源。添加APP的IFR的聚合物燃烧时，在较低温度下，先由APP释放出能酯化炭源和可作为脱水剂的聚偏磷酸等酸性物质，然后在稍高于释放酸的温度下，铵作为催化剂发生酯化反应，在酯化前或酯化过程中，体系便开始融化；酯化反应产生的水蒸气，氨气等气体和由气源产生的不燃性气体使熔融体系膨胀发泡，同时上述酯化产物脱水成炭，形成无机物及炭残余物，体系进一步膨胀发泡，反应接近完成时，体系胶化和固化，最后就形成了多孔泡沫炭层，该炭层能起隔热、隔氧、抑烟和防熔滴作用，从而达到阻燃的目的。

用三聚氰胺(MEL)对APP进行了表面包覆，得到改性产物MAPP，发现在改性反应条件下，APP聚合度略有增加，晶型由I型变为I、Ⅱ型混合物，导致MAPP的热稳定性大大提高，其失重特征更符合阻燃要求。将其与季戊四醇组成IFR用于PP阻燃特性的研究，结果表明：IFR添加量为25%时，可使PP的极限氧指数（LOI）由17.8%提高到30%以上，并达到UL94V-0级的标准。同时热分析还证明，与简单掺混型相比，该体系的失重速率峰值更小，500℃的残炭量更高。

将改性过的APP与自制的三嗪类成炭剂(CFA)复配制成IFR，将其用于PP阻燃性能的研究。结果表明：当IFR用量为22%（加入少量SiO2协效剂）时，IFR/PP复合材料的LOI提升至36.8%，垂直燃烧通过UL94V-0级。即使在70℃水中浸泡168h，垂直燃烧仍能通过UL94V-1级，LOI也能达到32.5%。

通过微胶囊化技术,用密胺包覆APP和甲醛，合成了新型磷氮体系无卤膨胀型阻燃剂IFR，用于阻燃PP。用氧指数仪和垂直燃烧仪等对IFR阻燃PP体系的性能进行分析。结果表明：当IFR的质量分数达到30%左右时，PP/IFR体系可以获得良好的阻燃效果，其LOI达到32%，燃烧等级为FV-0级，抑烟效果明显。

采用高聚合度蜜胺包覆聚磷酸铵(MAPP)及PER组成IFR。考察了该IFR对PE阻燃性能的影响。结果表明，MAPP/PER=2/1时可发挥出较好的阻燃效果。以MAPP/PER=2/1膨胀型阻燃剂，制备出PE/IFR阻燃复合材料。随着IFR含量增加，复合材料LOI逐渐上升，当IFR添加量为30%时，材料LOI为25.5%，600℃时的残炭量由未加IFR时的0.8%升至10.8%，进一步分析表明：IFR还可促进PE成炭，拓宽其热降解温度范围。

ABS树脂具有优良的电性能、耐化学性，易于成型和机械加工等优异的性能，被广泛应用于电子电器、仪器仪表、汽车、建材工业和日用品等方面。然而，ABS极易燃烧，燃烧的同时还释放出大量有毒气体和黑烟，对环境污染严重。所以，阻燃

ABS树脂的研究已成为当今社会十分关注和亟待解决的问题。

聚甲醛的热稳定性差，分解产生极易燃烧的甲醛，甲醛容易被氧化生成甲酸，后者可加速POM分解，POM是最难阻燃的高分子材料之一，因此改善POM的阻燃性能具有重要意义。

随着我国高分子工业的快速发展，材料生产中对APP的应用和需求将日益增加。但是传统的将APP与气源、炭源简单掺混已不能满足阻燃需求。

目前对APP膨胀型阻燃体系的研究主要有以下三方面：（1）用MEL、PER、表面活性剂等对APP进行改性，可以提高APP的热稳定性以及与聚合物的相容性，以提高APP膨胀型阻燃体系的阻燃效率；

（2）找到或者合成一些像三嗪类物质的高效成炭剂，有利于在聚合物燃烧时形成高效优质的炭层，以提高APP膨胀型阻燃体系的阻燃性能；

（3）添加阻燃协同剂（如SiO2、OMMT、ZnO、TiO2、EG等）也是提高APP膨胀型阻燃体系的阻燃性能的重要方法。除了加强这些方面的研究外，还要把握APP未来的整体发展方向：专用化、系列化。含氮阻燃剂主要包括3大类:三聚氰胺、双氰

胺、胍盐(碳酸胍、磷酸胍、缩合磷酸胍和氨基磺酸胍)及它们的衍生物,特别是磷酸盐类衍生物。

 

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