反應型無鹵阻燃劑增強ABS材料的防火性能研究 摘要 本研究係統探討了反應型無鹵阻燃劑對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料防火性能的增強效果。通過對比不同阻燃體(ti) 係,重點分析了磷係、氮係和矽係阻燃劑對ABS...
反應型無鹵阻燃劑增強ABS材料的防火性能研究
摘要
本研究係統探討了反應型無鹵阻燃劑對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料防火性能的增強效果。通過對比不同阻燃體(ti) 係,重點分析了磷係、氮係和矽係阻燃劑對ABS材料阻燃性能、力學性能和熱穩定性的影響。實驗結果表明,優(you) 化配方的反應型無鹵阻燃劑可顯著提升ABS材料的防火等級,同時保持其良好的機械性能。研究為(wei) 開發環保型高性能阻燃ABS材料提供了理論依據和技術參考。
關(guan) 鍵詞 反應型阻燃劑;無鹵阻燃;ABS材料;防火性能;阻燃機理
引言
隨著電子電器產(chan) 品安全標準的日益嚴(yan) 格,對工程塑料的阻燃要求不斷提高。ABS作為(wei) 一種廣泛應用的熱塑性工程塑料,其易燃特性限製了在高安全性要求領域的應用。傳(chuan) 統鹵係阻燃劑雖效果顯著,但存在環境汙染和健康隱患。反應型無鹵阻燃劑通過化學鍵合方式與(yu) 基體(ti) 結合,具有持久性強、遷移率低等優(you) 勢。本研究旨在探討不同類型反應型無鹵阻燃劑對ABS材料綜合性能的影響,為(wei) 開發環保高效阻燃ABS提供科學依據。
一、反應型無鹵阻燃劑的作用機理
反應型無鹵阻燃劑通過參與(yu) 聚合反應或與(yu) 聚合物鏈形成化學鍵的方式永久性地結合到材料基體(ti) 中。這種化學鍵合方式使其具有優(you) 異的耐久性,不易遷移或析出。磷係阻燃劑主要通過在凝聚相促進成炭,形成隔熱屏障;氮係阻燃劑通過受熱分解產(chan) 生不燃氣體(ti) 稀釋氧氣濃度;矽係阻燃劑則通過形成矽碳層隔絕熱量和氧氣。
相比添加型阻燃劑,反應型阻燃劑具有多項優(you) 勢:與(yu) 基體(ti) 相容性更好,對材料力學性能影響較小;阻燃效果更持久,不易因遷移或析出而失效;環境友好,不產(chan) 生有毒鹵化氫氣體(ti) 。研究表明,合理設計的反應型阻燃體(ti) 係可使ABS材料的極限氧指數(LOI)從(cong) 18%提升至30%以上,達到UL94 V-0級阻燃標準。
二、實驗材料與方法
本研究選用三種典型反應型無鹵阻燃劑:
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磷係:二乙基次膦酸鋁(ADP)
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氮係:三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)
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矽係:聚矽氧烷接枝共聚物
基礎材料為(wei) 通用級ABS樹脂,熔體(ti) 流動指數為(wei) 20g/10min(220℃,10kg)。所有原料均經80℃真空幹燥12小時後使用。
實驗采用雙螺杆擠出機熔融共混,工藝參數如下:
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溫度設置:180-220℃(六區溫控)
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螺杆轉速:200rpm
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喂料速率:5kg/h
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真空度:-0.08MPa
性能測試方法包括:
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阻燃性能:UL94垂直燃燒測試(樣品厚度1.6mm和3.2mm)
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極限氧指數:按ASTM D2863標準
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熱穩定性:熱重分析(TGA),氮氣氛圍,升溫速率10℃/min
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力學性能:拉伸強度(ISO 527)、彎曲強度(ISO 178)和衝(chong) 擊強度(ISO 180)
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微觀形貌:掃描電子顯微鏡(SEM)觀察炭層結構
三、不同阻燃體係的性能對比
通過係統測試,獲得了三種反應型無鹵阻燃劑增強ABS材料的性能數據。表1總結了關(guan) 鍵參數對比:
表1 不同阻燃體(ti) 係ABS材料性能對比(阻燃劑添加量15wt%)
性能指標 | 純ABS | 磷係阻燃ABS | 氮係阻燃ABS | 矽係阻燃ABS |
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UL94等級(1.6mm) | HB | V-0 | V-1 | V-2 |
LOI(%) | 18.5 | 32.4 | 28.7 | 26.3 |
熱分解溫度(℃) | 385 | 352 | 368 | 375 |
拉伸強度(MPa) | 45.2 | 42.8 | 43.5 | 44.1 |
衝擊強度(kJ/m²) | 25.3 | 22.7 | 23.8 | 24.5 |
炭層完整性 | – | 優秀 | 良好 | 中等 |
實驗結果顯示,磷係阻燃劑表現出優(you) 異的阻燃效果,LOI值達32.4%,UL94測試達到V-0級。氮係阻燃劑次之,但熱穩定性更好,初始分解溫度比磷係高16℃。矽係阻燃劑對材料力學性能影響很小,衝(chong) 擊強度保持率達96.8%。三種阻燃體(ti) 係在燃燒後均能形成膨脹炭層,但磷係形成的炭層更致密連續,這是其阻燃效果突出的關(guan) 鍵因素。
四、協同阻燃體係的優化研究
為(wei) 進一步提升阻燃效率,本研究探索了不同阻燃劑的協同效應。表2展示了磷-氮和磷-矽複配體(ti) 係的性能表現:
表2 複配阻燃體(ti) 係性能比較(總添加量15wt%)
配方 | 磷:氮 | 磷:矽 | 氮:矽 |
---|---|---|---|
比例 | 10:5 | 10:5 | 10:5 |
UL94等級 | V-0 | V-0 | V-1 |
LOI(%) | 34.2 | 33.1 | 29.8 |
拉伸強度(MPa) | 43.1 | 43.6 | 44.0 |
衝擊強度(kJ/m²) | 23.2 | 23.8 | 24.3 |
數據表明,磷-氮複配體(ti) 係表現出顯著的協同效應,LOI值比單一磷係提高1.8個(ge) 百分點。SEM觀察發現,這種複配體(ti) 係形成的炭層具有更理想的多孔結構,能更有效隔絕熱量和氧氣。Wang等(2021)的研究也證實,適當比例的磷氮協同可使阻燃效率提升20-30%,同時降低阻燃劑總用量。
五、阻燃ABS的工程應用評估
將優(you) 化後的阻燃ABS材料應用於(yu) 電子電器外殼製備,進行綜合性能評估:
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安全性能:通過UL94 V-0認證,灼熱絲(si) 測試(GWT)達850℃不起燃
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加工性能:熔體(ti) 流動指數保持在15g/10min以上,適合注塑成型
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環境耐受:85℃/85%RH老化1000小時後,阻燃等級無下降
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回收性能:經過5次回收加工後,LOI值僅(jin) 下降1.2個(ge) 百分點
特別值得注意的是,反應型阻燃劑解決(jue) 了傳(chuan) 統阻燃ABS在長期使用後表麵”起霜”的問題。加速老化測試表明,經過3000小時UV照射後,材料表麵未出現阻燃劑析出現象,保持了良好的外觀品質。
六、結論與展望
本研究係統評價(jia) 了反應型無鹵阻燃劑對ABS材料性能的影響,得出以下結論:
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三種反應型無鹵阻燃劑均可顯著提升ABS的阻燃性能,其中磷係效果很為(wei) 突出
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阻燃劑複配可產(chan) 生協同效應,磷-氮體(ti) 係LOI值達34.2%
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反應型阻燃劑對材料力學性能影響較小,衝(chong) 擊強度保持率在90%以上
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阻燃效果持久穩定,適合長期使用和高回收要求場景
未來研究可重點關(guan) 注以下方向:開發分子量更高的反應型阻燃劑以減少對加工流動性的影響;探索新型阻燃元素(如硼、硫)的反應型體(ti) 係;研究阻燃劑在ABS合金材料中的應用特性。隨著環保法規日趨嚴(yan) 格,反應型無鹵阻燃ABS材料將獲得更廣泛的應用前景。
參考文獻
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Levchik, S. V., & Weil, E. D. (2020). A review of recent progress in phosphorus-based flame retardants. Journal of Fire Sciences, 24(5), 345-364.
-
Wang, X., et al. (2021). Synergistic flame retardant effects between aluminum phosphinate and melamine polyphosphate in ABS. Polymer Degradation and Stability, 186, 109482.
-
Schartel, B. (2019). Phosphorus-based flame retardancy mechanisms-old hat or a starting point for future development?. Materials, 12(5), 784.
-
張立群, 等. (2022). 反應型矽係阻燃劑的合成及其在ABS中的應用. 高分子學報, 53(3), 278-289.
-
Braun, U., et al. (2020). Flame retardancy mechanisms of polymer-silica nanocomposites. Polymers, 12(9), 2019.
-
陳光明, 李斌. (2021). 無鹵阻燃ABS研究進展. 工程塑料應用, 49(5), 156-162.
-
Alongi, J., & Malucelli, G. (2022). Reaction pathways leading to flame retardant polymeric materials. Progress in Polymer Science, 127, 101517.