高抗冲聚苯乙烯(HIPS)阻燃性能研究

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高抗冲聚苯乙烯(HIPS)具有优异的综合性能,广泛应用于电子电器设备,建筑等领域,由于其本身的化学结构,它的氧指数只有18.2%,容易发生燃烧,需要进行阻燃改性。由于HIPS本身不容易成炭,因此常采用聚2,6-二甲基苯醚(PPO)常作为成炭剂来提高HIPS的阻燃性能。之所以选择PPO,除了因为它高的成炭率,还因为它与HIPS物理相容性好。但是PPO的阻燃性能不够高,即使含量高达65%也不能获得UL-94 V-0级别。协同阻燃往往可以提高阻燃效率,故实际生产中常采用间苯二酚(二苯基磷酸酯)(RDP),双酚A双(二苯基磷酸酯)(BDP)与PPO/HIPS协同阻燃。然而磷酸酯类阻燃剂的添加又会导致材料热变形温度降低。随着电子电气设备逐渐向高性能微型化和薄壁化方向发展,对HIPS复合材料的阻燃级别以及热变形温度(HDT)等性能的要求更高。  本文首先将RDP或BDP与PPO进行复配,然后与HIPS复合通过熔融共混法制备复合材料,采用UL-94垂直燃烧和氧指数测试对材料阻燃性能进行表征。结果表明13%RDP和20%PPO联合使用能够使HIPS达到UL-94 V-0级别,且RDP比BDP在此种HIPS复合体系中的阻燃性能效果更好,15%BDP和20%PPO不能使HIPS通过UL-94 V-0级别,这是由于RDP比BDP有更强的气相作用。  由于有机磷酸酯阻燃HIPS/PPO体系的热变形温度(HDT)较低,为了进一步提高该HIPS材料的HDT,我们又选用了次磷酸铝(AP)与RDP复配对HIPS-PPO体系进行阻燃改性,从而获得高性能高HDT的HIPS复合材料。阻燃测试表明20%PPO和8%AP复配使用或15%PPO和10%AP复配使用能够使HIPS材料达到UL-94 V-0级别。HDT测试显示单独加入AP的HIPS复合材料的HDT从61℃提高到89℃。AP不同分解阶段残余物的傅立叶红外光谱测试(FT-IR)表明,它能够降解生成多种磷酸铝盐和焦磷酸铝盐,发挥物理阻隔作用,同时分解产生PH3和H2O发挥气相阻燃作用。HIPS/AP不同分解阶段残余物的FT-IR表明AP和HIPS的相互作用不明显,PPO/AP不同分解阶段残余物的FT-IR表明AP能够使PPO的重排提前,有利于提高炭层的阻燃效果。  本文随即从PPO成炭温度与基体的匹配性,成炭速率,成炭数量和成炭质量方面研究了阻燃剂AP对PPO成炭的影响。红外测试表明AP能使PPO的重排时间提前,能使PPO的成炭时间提前,使PPO成炭和HIPS燃烧的匹配性更好;成炭速率测试表明加入AP没有明显提高PPO的绝对成炭速率;TGA曲线表明AP提高了PPO的成炭量;同时降低了PPO的最快失重温度,通过借鉴煤化学中煤的塑化性和TGA曲线中最快失重温度(Tmax)和最快失重速率/总失重(Rmx/WL)这两个参数的关系,推测AP的存在改变了PPO的Tmax和Rmax/WL,可能使形成的临时性炭层具有很好的塑化性,在达到炭层再固化温度时能够形成致密的炭层。这种解释得到了炭层SEM的支持,SEM图像显示加入AP的阻燃HIPS材料燃烧后能够产生更致密的炭层。但该观点的证实和完善仍需要进一步的研究。  此外本文还继续研究了磷钼酸,Ti系超强酸(TiO2/SO42-,TiSSA),硫酸氢钾和乙酸铯四种酸碱催化剂对PPO成炭的影响以及对HIPS/PPO/RDP复合材料体系的协效阻燃作用。TGA表明磷钼酸,TiSSA和硫酸氢钾均不能降低PPO的降解温度,且PPO成炭温度超过其再凝固温度,使得炭层的塑化性变差。乙酸铯能够显著提前PPO的降解温度,使成炭提前,但乙酸铯会使得PPO的最大热降解速率温度接近PPO炭层的最大流动温度,因此也没能促使PPO形成致密的炭层。但磷钼酸和TiSSA能够显著增加PPO的成炭数量,提高HIPS/PPO/RDP复合体系的阻燃性能。
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