APP-PER-MEL阻燃剂对竹粉/PP复合材料性能的影响

发布时间：2021-08-10 03:05

　　采用硅烷包覆型聚磷酸铵（APP）作为阻燃剂,对竹粉/聚丙烯（PP）复合材料进行阻燃改性,研究APP的用量对复合材料阻燃性能和力学性能的影响;基于APP的最佳用量,以APP、季戊四醇（PER）和三聚氰胺（MEL）作为膨胀型阻燃剂（IFR）,研究APP、PER和MEL的互配比例对复合材料阻燃和力学性能的影响。结果表明,随着APP用量的增加,复合材料的阻燃性能不断增强,但弯曲和拉伸强度下降。当APP用量为复合材料总质量的15%时,其综合性能较佳,与未阻燃复合材料相比,极限氧指数（LOI）由17.1%提高至21.5%,弯曲模量和缺口冲击强度（NIS）分别增强14.8%和32.2%,弯曲强度和拉伸强度分别降低9.3%和28.8%。当APP、PER和MEL的互配比例为3∶1∶1时,添加15%IFR的复合材料的力学性能总体增强,与未阻燃复合材料相比,弯曲强度、弯曲模量和NIS分别增强18.1%、20.0%和23.3%,仅拉伸强度降低10%。锥形量热仪和极限氧指数仪结果显示,IFR阻燃复合材料的热释放速率、热释放速率峰值和总热释放量分别降低56.7%、40.2%和30.5%;LOI提高至25.9%,复... 

【文章来源】：西北林学院学报. 2020,35(04)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

竹粉/PP复合材料锥形量热仪测试后的表面照片

图1是阻燃处理前后竹粉/PP复合材料的热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)、CO产生量(YCO)和总烟产量(TSP)曲线。由图1(a)可见,复合材料点燃后HRR曲线均迅速上升,未阻燃复合材料在燃烧75 s时HRR达到最大值,其峰值为928.9 kW/m2,燃烧250 s后,HRR曲线迅速下降;阻燃复合材料HRR曲线出现“双峰”,且HRR的峰值明显降低,添加15% APP的复合材料燃烧50 s后HRR达到峰值,为678.9 kW/m2,采用APP∶PER∶MEL为3∶1∶1制备的IFR处理的复合材料在燃烧45 s后HRR达到峰值,为555.3 kW/m2,分别降低了26.9%和40.2%。由图1(b)可见,THR随着燃烧时间急剧上升后趋于稳定值,阻燃处理后,复合材料的THR明显降低,而且THR趋于稳定值的燃烧时间延长。点燃后,未阻燃复合材料THR曲线迅速上升,燃烧300 s后,THR曲线平缓上升并趋于稳定,530 s燃烧试验结束时,THR为237.9 MJ/m2;阻燃复合材料的THR曲线上升趋势明显变缓,燃烧400 s后,THR曲线趋于稳定;燃烧675 s后,添加15%APP的复合材料的THR为176.4 MJ/m2;燃烧845 s后,IFR处理的复合材料的THR为165.3 MJ/m2,分别下降了25.9%和30.5%。由此可见,APP对复合材料具有一定的阻燃效果,将APP与PER、MEL互配的IFR可进一步吸收热量,很好地抑制材料的燃烧过程,在实际火灾中起到延缓火势的作用。APP的加入改变了复合材料的热降解行为,降低最大热降解速率[15]。由图1(c)可见,IFR处理的复合材料燃烧过程产生的CO量明显增加,锥形量热试验结束时,未阻燃复合材料的YCO为27.91 kg/kg,而IFR处理的复合材料的YCO为78.02 kg/kg。YCO的增加说明复合材料燃烧得不完全,CO无法进一步转换成CO2。这是因为高温下作为酸源的APP分解成NH3和H2O,可燃性气体和易挥发物质被稀释,O2浓度减少,阻碍气态物质进一步燃烧释放热量,从而起到气相阻燃的作用[16-17]。由图1(d)可见,竹粉/PP复合材料燃烧过程会产生大量的烟气,而阻燃处理后,复合材料的TSP反而略微增大,分别燃烧250 s和330 s后,APP和IFR处理的复合材料产生的烟气均超过未处理复合材料。IFR处理的复合材料的TSP为31.5 m2,比未处理复合材料的TSP增加了16.7%。这可能与图2所示的长时间燃烧后阻燃复合材料表面产生的炭层不稳定有关。由图2可见,锥形量热仪测试后,未阻燃复合材料表面炭层呈灰白色,说明材料燃烧较完全;IFR阻燃的复合材料燃烧后表面形成块状深黑色炭层,说明APP的降解产物较早产生,这些产物在燃烧初始紧密地覆盖在炭层表面,有效阻止复合材料的燃烧,但是随着燃烧时间的延长,复合材料表面的炭层不够坚固,炭块之间产生很多缝隙和较大的裂缝,减弱了复合材料后期的阻燃性,而且导致产烟量增大。由表2可见,未处理复合材料的HRR和THR分别为465.7 kW·m-2和237.9 MJ·m-2,添加APP和IFR后,复合材料的HRR和THR明显降低,尤其是APP∶PER∶MEL为3∶1∶1时,复合材料的HRR和THR降至最低,分别为201.6 kW·m-2和165.3 MJ·m-2,分别降低了39.4%和23.3%。复合材料的点燃时间(time to ignition,TTI)较短,为 13 s,IFR阻燃处理后,TTI有所延长。阻燃处理复合材料的残炭率(residue weight,RW)略有提高,表明APP起到促进成炭的作用,但是,APP和IFR对TSP的影响不明显,在燃烧一定进程后并没有显示出优良的抑烟性能。与锥形量热仪测试结果一致的是,与15%APP阻燃复合材料相比,添加IFR的复合材料的LOI有所增大,当APP∶PER∶MEL为2∶1∶1时,复合材料的LOI由21.7%提高至23.8;当APP∶PER∶MEL为3∶1∶1时,LOI继续提高至25.9%;继续提高APP所占比例,LOI不再继续增大。

【参考文献】：
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本文编号：3333326