聚丙烯(PP)由于其密度低、无毒、绝缘和价格低廉等特点,已经被广泛应用于家具、纺织、建筑、装饰食品包装等领域。然而,聚丙烯的易燃性限制了它在许多场合的应用,阻燃聚丙烯(FR-PP)已经成为改性聚丙烯材料的主要品种之一。应用于高聚物的膨胀型阻燃剂是上个世纪发展起来的一类无卤环保型阻燃剂,它不但赋予高聚物优异的阻燃性能、抑烟性能和防滴落的效果,而且无毒、无腐蚀性,因此具有广阔的发展前景。目前,膨胀型阻燃剂主要应用于聚烯烃、尼龙、涂料等领域,尤其适合于易熔滴落的聚烯烃。针对聚丙烯易燃烧的缺点,本文从当前研究较活跃的膨胀型阻燃剂技术入手,设计并合成了膨胀型阻燃剂并与多聚磷酸铵(APP)和季戊四醇(PER)配合使用,表现出较好的阻燃性和协效性。 本研究以亚磷酸三乙酯、三聚氰氯、季戊四醇和吗啉为原料,经过三步反应合成了集酸源、气源、碳源于一体的膨胀型阻燃剂聚(2-吗啉基-4-季戊四醇磷酸酯-1,3,5-三嗪环)(PMPT),(1)在70℃下,以甲苯为溶剂,三聚氰氯和亚磷酸三乙酯定量反应生成2,4,6-三亚磷酸二乙酯基-1,3,5-三嗪； (2)在室温下,以乙醇为溶剂,2,4,6-三亚磷酸二乙酯基-1,3,5-三嗪和吗啉定量反应生成中间体2-吗啉-4,6-二亚磷酸二乙酯基-1,3,5-三嗪；(3)在130℃下,以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,2-吗啉-4,6-二亚磷酸二乙酯基-1,3,5-三嗪与季戊四醇反应生成聚(2-吗啉基-4-季戊四醇磷酸酯-1,3,5-三嗪环)(PMPT)。用FTIR、1H NMR和31P NMR等分析方法对中间体和产物的结构进行了表征,其结果与预先设计的分子结构相一致。并考察了反应物配比、反应时间、温度对中间产物和PMPT收率的影响,对反应条件进行了优化。 本文研究了APP/PER/PMPT及PMPT用量对FR-PP的阻燃性能、力学性能和热性能的影响。结果表明,APP/PER/PMPT三者有良好的协同阻燃作用,APP/PER/PMPT配比为3/1/2(质量比,下同)时,对PP具有较好的阻燃作用,阻燃体系可以有效的提高共混物的阻燃性能,共混物潜在的火灾危险性比纯聚丙烯有很大降低。锥形量热数据表明APP/PER/PMPT加入后阻燃聚丙烯的最大热释放速率、平均热释放速率、总放热量、放烟量、烟产生速率、质量损失速率等各个燃烧性能参数均有明显的改善,聚丙烯的热释放速率峰值为778kW/m2,平均热释放速率为361kW/m2,当体系中添加30wt％APP/PER/PMPT时,热释放速率峰值降到248kW/m2,比纯聚丙烯降低了68.1％,平均热释放速率降低到127kW/m2,比纯聚丙烯降低了64.8％。同时APP/PER/PMPT加入有助于氧指数的提高,当添加30wt％APP/PER/MPT时,阻燃聚丙烯氧指数达到29.4％,通过UL-94 V-0级测试。APP/PER/PMPT加入后,阻燃聚丙烯的冲击强度、弯曲模量、拉伸强度和断裂伸长率都有所降低。对阻燃聚丙烯的TG分析可知,加入APP/PER/PMPT后,阻燃聚丙烯的起始分解温度(失重率为5％时的温度)比纯聚丙烯降低,这是阻燃体系提前分解成炭所致。所形成的膨胀炭层,可保护基体PP,限制燃烧气体的形成,降低热降解反应的放热量和材料的导热性,在凝聚相起到较好的阻燃效果。对阻燃材料的DSC分析可知,APP/PER/PMPT加入聚丙烯后使体系的结晶速度变慢,结晶度增加,对阻燃聚丙烯的熔融温度影响较小,未造成材料熔融温度的明显下降。