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阻燃剂、增塑与抑烟,全面解析PVC_东拓化工

发布者:苏州东拓化工有限公司 发布时间:2020-12-10

聚氯乙烯(PVC)是氯乙烯单体通过自由基聚合而成并于19世纪开始在美国应用,其用量仅次于聚乙烯,为世界第二大通用塑料。它具有重量轻、寿命长、强度高、耐磨、耐化学腐蚀,具有较好的阻燃及绝缘性,被广泛应用于工业、农业、建筑、电子电器、汽车以及电力通信等领域。

 

聚氯乙烯(PVC)具有很好的阻燃性能,但加工中添加大量的增塑剂会使其阻燃性能大幅下降,为此必须进行阻燃处理。PVC含有大量氯原子,燃烧时会产生大量烟雾、毒性及腐蚀性气体,抑烟抑毒是一个突出问题。PVC阻燃主要是添加阻燃抑烟剂。此法因具有工艺简单、可选阻燃抑烟剂种类多、成本较低等优点而得到广泛应用。阻燃剂和抑烟剂复合使用具有协同作用,可同时提高阻燃性和抑烟性。

 

PVC热分解机理及燃烧特性

PVC在氮气下的热分解有2个阶段。第一阶段主要是脱HCl,一般在120℃以上就会有HCl放出,但显著分解在230~340℃。此阶段脱HCl的质量约占PVC总质量的64%。第二阶段主要是脱HCl后形成的共轭多烯链结构的分解,约占PVC总质量的23%PVC热分解最终会形成少量炭渣,具有一定的成炭能力。

 

.PVC阻燃首先考虑增塑剂,应采用既能起增塑作用又不太多降低阻燃性的增塑剂。

 

1.1磷酸酯类

 

常用的磷酸酯类增塑剂有磷酸三甲苯酯和磷酸三苯酯等。磷酸三甲苯酯对机械性能要求高的PVC制品有良好的阻燃性、耐水性和耐久性。但它的邻位异构体有毒性,其使用受到限制。磷酸三苯酯挥发性小,有较好的阻燃性,但易从PVC中结晶,用量不能过多。磷酸酯类阻燃增塑剂,它们在燃烧时热分解生成不易挥发的多磷酸, 可以在固体表面形成一层保护膜, 隔断与氧气的接触。

 

1.2氯化石蜡

 

氯化石蜡阻燃剂产品中,氯化石蜡-52产量最大,氯化石蜡-42其次,氯化石蜡-70最少。氯化石蜡-70是一种性能良好的阻燃剂,有较大的抗压强度、较好的阻燃功能,还有润滑、防滑特点及增韧、增黏、抗辐射和抗氧化的作用。

 

.PVC用阻燃剂有无机阻燃抑烟剂、有机阻燃抑烟剂和复合型阻燃抑烟剂等。以下主要介绍无机阻燃剂。

 

2.1氢氧化物

 

氢氧化铝是应用最早和用量最大的无机阻燃剂之一,其阻燃机理是:①受热脱水,吸热降温;②热解生成的水蒸气可稀释可燃气体和氧气浓度;③生成Al2O3凝聚覆盖聚合物表面阻止燃烧。但氢氧化铝存在需要加入30%以上才能显示出较好的阻燃效果缺陷。

 

氢氧化镁的阻燃机理与氢氧化铝类似,与其相比前者的热稳定性和抑烟性能更优。氢氧化镁在更高的温度范围内才发生脱水反应,故可应用于阻燃高温分解型聚合物,应用范围较氢氧化铝更广,实际中通常将二者混合搭配使用。

 

埃洛石纳米管(HNT)是近年来研究越来越多的一种新型纳米阻燃抑烟剂,HNT 是一种天然硅铝酸盐矿物,组成为Al2Si2O5 (OH)4·nH2O,通常具有大比表面积。最近越来越多的学者不仅将HNT 作为聚合物的填充材料,同时直接取代Al(OH)3Mg(OH)2 等作为无机阻燃剂使用。由于HNT 具有纳米尺度效应,制备得到的HNT 纳米复合材料随着HNT 添加量的增加不仅在力学性能方面没有下降,反而在强度、韧性、阻燃性能方面都有明显的提高。

 

2.2硼系阻燃剂

 

最常用的无机硼系阻燃剂是硼酸锌,由美国硼砂和化学品公司开发,商品名为FrieBrakeZB,简称FB阻燃剂。无机硼系阻燃剂主要通过凝聚相覆盖、释放水汽吸热降温、稀释可燃气体、改变可燃物的热分解途径,抑制可燃性气体生成来起阻燃抑烟作用,其通常与铝系和镁系阻燃剂配合使用。

 

2.3硅系阻燃剂

 

硅系阻燃剂的使用始于20 世纪80 年代初期,由于其优异的阻燃性(低燃速、低释热及防滴落)、良好的加工流动性、低温抗冲强度高及突出的环境友好性(低发烟量、低毒),具有广阔的应用前景。例如层状硅酸盐、二氧化硅等。

 

2.4钼系阻燃剂

 

钼系化合物是目前最主要的阻燃抑烟剂,其中研究最多的是氧化钼和八钼酸铵,其能有效提高体系的阻燃抑烟性能。抑烟主要是按照凝聚相和异相反应机制进行:氧化钼中钼为六价可变价态,可抑制PVC 分子链环化成芳香有毒化合物,促进交联成碳反应和显著的降低烟密度。缺点是价格较高,增加了阻燃抑烟体系的成本。

 

2.5锌系阻燃剂

 

锌系化合物阻燃抑烟剂主要有ZnBO3和锡酸锌。目前,市售品种为美国Borax 公司的Firbrake ZB 系列、Climax 公司的ZB 系列应用较为广泛。它可以促进烟炱的分解、炭层的形成,减少多烯和芳香烃挥发物的形成,降低烟雾浓度和毒性。

 

.抑烟剂

 

许多阻燃剂(如AlOH3MgOH2ZBZHSZnSnO3等)都有抑烟作用。此外,许多过度金属化合物,特别是MoCuFe类化合物都是PVC的有效抑烟剂,并具有一定的阻燃效果。Mo化合物在固相起作用是通过Lewis酸或还原偶合作用促进炭层的生成和减少烟量;Fe化合物可使PVC成炭性增加20%~60%,LOI提高15%~19%,减少PVC燃烧时的可见烟量。

 

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