熱塑性聚烯烴彈性體/磷酸二氫銨阻燃復(fù)合體系的性能

李 曉 燕，馮 鈉，李 紅，王 旭，劉 建 輝

（大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

熱塑性聚烯烴彈性體（TPO）是一種重要的熱塑性彈性體，它具有高彈性、高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)率和良好的低溫性能，又具有優(yōu)異的耐熱耐老化和抗紫外性能。但是TPO 本質(zhì)具有可燃性，氧指數(shù)僅為18%，存在極易燃燒的嚴(yán)重缺陷，這就極大地限制了TPO 的使用范圍。因此，TPO 的阻燃問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題［1-2］。

針對(duì)TPO 阻燃體系的研究主要集中在鹵阻燃體系和無(wú)鹵阻燃體系兩個(gè)方面。鹵阻燃體系阻燃效果好，但燃燒時(shí)會(huì)造成二次污染；無(wú)鹵阻燃的研究主要是采用添加無(wú)機(jī)阻燃劑的方法改善TPO 的阻燃性能，這種方法簡(jiǎn)單易行，但不足是會(huì)使TPO 的斷裂伸長(zhǎng)率大幅度降低，彈性下降。近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和社會(huì)對(duì)清潔高效阻燃體系需求的增加，化學(xué)膨脹阻燃體系引起了人們的廣泛關(guān)注，并正在成為阻燃聚合物研究的熱點(diǎn)課題［3-5］，但是針對(duì)TPO 彈性體化學(xué)膨脹阻燃體系的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)研究報(bào)道甚少。

本文以TPO 為基體樹(shù)脂，設(shè)計(jì)了以磷酸二氫銨（ADP）為氣源兼酸源的二元化學(xué)膨脹阻燃體系。通過(guò)氧指數(shù)測(cè)試、垂直燃燒測(cè)試、水平燃燒測(cè)試等手段，研究ADP 阻燃TPO 體系的阻燃性能；采用光學(xué)顯微鏡（OM）對(duì)體系的膨脹層進(jìn)行表征，并對(duì)體系的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

主要原料和助劑：TPO，ADP，其他助劑均為化學(xué)純。

主要儀器和設(shè)備：雙輥筒煉塑機(jī)，平板硫化機(jī)，電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，氧指數(shù)測(cè)試儀，光學(xué)顯微鏡，數(shù)碼相機(jī)。

復(fù)合材料制備：TPO 與處理后的阻燃劑經(jīng)雙輥混煉，壓制成型制樣。

炭層形貌表征：在空氣中點(diǎn)燃試樣，達(dá)到指定燃燒時(shí)間后，熄滅。取距頂端指定距離的切片作為樣品進(jìn)行分析。利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)聚合物燃燒后的膨脹炭層表面形貌進(jìn)行數(shù)碼拍照。

膨脹層表征：在空氣中點(diǎn)燃試樣，達(dá)到指定燃燒時(shí)間后，熄滅。取距頂端指定距離的切片作為樣品，采用連續(xù)變倍體光學(xué)顯微鏡進(jìn)行分析。

力學(xué)性能測(cè)試：參照GB 1040—79標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速度為30 mm/min，力學(xué)性能數(shù)據(jù)通過(guò)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

2 結(jié)果與討論

2.1 TPO/ADP體系阻燃性能及膨脹層結(jié)構(gòu)

由表1可以看出，隨著ADP用量由0份增加到80 份，LOI由19%逐漸提高到26.6%。當(dāng)ADP用量為50份時(shí)，LOI達(dá)到25.0%，材料由易燃材料改性成為難燃材料；當(dāng)ADP 用量為30～60份時(shí)，體系燃燒時(shí)出現(xiàn)了能夠覆蓋燃燒表面的炭層，但是不夠致密堅(jiān)固；當(dāng)ADP用量為30份以上時(shí)，體系燃燒時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生黑煙。氧指數(shù)測(cè)試條件下樣條的燃燒狀況由圖1 所示。結(jié)果表明，ADP能夠提高體系的LOI，改善體系的燃燒狀況，同時(shí)促使TPO 樹(shù)脂快速形成不燃性的炭物質(zhì)，可以阻擋未燃燒區(qū)域與O2的接觸，起到良好的隔質(zhì)作用。

表1 TPO/ADP 阻燃體系LOI測(cè)試結(jié)果及燃燒現(xiàn)象Tab.1 The results of LOI and phenomenon of intumescent flame-retardant of TPO compound

圖1 LOI測(cè)試條件下TPO/ADP阻燃體系燃燒樣條數(shù)碼照片F(xiàn)ig.1 The digital picture of LOI of intumescent flame-retardant of TPO compound

由表2可以看出，當(dāng)ADP的用量低于50份時(shí)，體系脫離火焰后的燃燒時(shí)間超過(guò)30s，并且火焰迅速蔓延到夾具，無(wú)法達(dá)到等級(jí)要求；當(dāng)ADP的用量為70份時(shí)，體系脫離火焰后的燃燒時(shí)間在10s之內(nèi)，燃燒時(shí)沒(méi)有滴落物產(chǎn)生，火焰?zhèn)鞑ゾ徛紵龥](méi)有蔓延到夾具，達(dá)到FV-0級(jí)；而80份時(shí)，規(guī)定10s內(nèi)，無(wú)法引燃體系，達(dá)到FV-0級(jí)。

表2 TPO/ADP阻燃體系垂直燃燒測(cè)試結(jié)果及燃燒現(xiàn)象Tab.2 The results of vertical burning and phenomenon of intumescent flame-retardant

由圖2可以看出，燃燒時(shí)間為20s時(shí)，膨脹層截面相對(duì)光滑，氣孔數(shù)量相對(duì)較少，氣孔孔徑較小。隨著燃燒時(shí)間的增加，膨脹層截面變得凹凸不平，氣孔數(shù)量明顯增加，氣孔孔徑明顯增大。相同燃燒時(shí)間的情況下，隨著ADP 用量的增加，膨脹層凹凸不平程度明顯提高，氣孔數(shù)量明顯增多，氣孔孔徑明顯增大。

2.2 TPO/ADP體系的拉伸行為

由圖3可以看出，隨著ADP用量的增加，曲線與坐標(biāo)軸所圍面積有所減小，同時(shí)斷裂點(diǎn)也在逐漸地下降，表明ADP 的加入使復(fù)合體系的韌性和斷裂強(qiáng)度都有所降低。

圖2 TPO/ADP二元復(fù)合阻燃體系膨脹層照片（OM）（2倍×16倍×16倍）Fig.2 The intumescent layer pictures of intumescent flame-retardant of TPO compound

圖3 TPO/ADP 二元阻燃復(fù)合體系應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 The stress-strain curve of intumescent flameretardant in TPO/ADP binary system

由圖4可以看出，隨著ADP用量的增加，體系的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加再逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)ADP用量達(dá)到20份時(shí)，拉伸強(qiáng)度提高到3.94 MPa，但隨著填加量的增加，體系的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低；當(dāng)ADP的用量超過(guò)20份時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率降低的幅度減緩；當(dāng)填加量達(dá)到80份時(shí)，體系的斷裂伸長(zhǎng)率仍能保持在300%，可以滿足建筑防水材料要求。

圖4 TPO/ADP二元阻燃復(fù)合體系拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率曲線Fig.4 The tensile strength and breaking elongation curves of intumescent flame-retardant in TPO/ADP compound

3 結(jié)論

（1）TPO 阻燃復(fù)合體系阻燃性能研究表明，在以ADP 為酸源兼氣源的TPO 阻燃體系中，ADP用量的增加提高了體系的LOI值和垂直燃燒等級(jí)。ADP用量達(dá)到70 份時(shí)，體系改性成為難燃材料。

（2）OM 測(cè)試及分析表明，ADP 是良好的氣源，能夠促進(jìn)體系生成多孔的膨脹層，同時(shí)，隨著ADP用量增加，其在TPO 膨脹阻燃體系燃燒的過(guò)程中起到一定促進(jìn)炭層生成的作用。

（3）TPO/ADP 阻燃復(fù)合體系拉伸行為研究表明，ADP的填加量為20份時(shí)，體系的拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到3.94 MPa，ADP 的加入使體系的斷裂伸長(zhǎng)率有所下降，但仍能滿足建筑防水材料要求。