聚合物成炭阻燃和抗滴落阻燃技术简述

一、成炭阻燃

成炭是聚合物固相阻燃的重要方法之一，它可阻止聚合物内部与可燃气体、氧气接触，从而达到阻燃的目的。在阻燃机理中，含磷类阻燃剂可使一些含氧类聚合物如环氧树脂、聚氨酯、不饱和聚酯等成炭正离子脱水成炭；含硼类阻燃剂如硼酸锌等也可成炭；膨胀型阻燃剂是靠成炭技术实现阻燃的，因此成炭性最好。

1、聚合物的燃烧过程与成炭性的一般原则

成炭量每增加1/3，发烟量则下降1/2；要使聚合物的最大比光密度(D_m) 小于100，成炭量至少应该达到30%；要使聚合物的阻燃级别达到UL94V-0，成炭量也要达到30%以上。

大部分聚合物的自成炭性和成炭率都不高，详见下表所示。

聚合物的成炭率

一般而言，双键含量高的化合物如芳香族基、羟基、醚基、酯基的化合物成炭性都比较高，具体如PU、聚乙炔、季戊四醇、纤维素及其衍生物、异氰尿酸酯、三聚氰胺衍生物等。

2、提高聚合物成炭率的方法

添加成炭类阻燃剂，具体如磷酸酯类、硼类和膨胀型阻燃剂；添加交联剂进行交联成炭，如PE、PP、PVC、PS等可进行交联成炭；ABS可通过接枝形成共聚物，实现成炭的目的；添加成炭剂成炭，典型的成炭剂如季戊四醇、异氰酸酯、三聚氰胺衍生物、纤维素及其衍生物、PPO、PF、PEI、PC、PI、 PA、TPU等，这些成炭剂只能自身成炭不能催化其他材质成炭，因此加入量要在5%以上；添加催化成炭协效剂，具体如金属氧化物、铝硅酸，如沸石、滑石粉、高岭土、水滑石等，能催化其他组分成炭，加人量在5%以下，例如加入1%的氧化锌可提高ABS阻燃配方的氧指数5%。

二、聚合物抗滴落阻燃技术

聚合物燃烧滴落是指聚合物在燃烧时产生熔体下落的现象。这种现象在聚合物阻燃中是绝对要禁止的，因为滴落会引燃燃烧物体下方的物体，是引起火灾蔓延的重要因素。在垂直燃烧UL测试方法中，就有滴落不能引燃下方物体的条款规定。很多聚合物都具有熔融落滴的特性，具体如PE、PP、HIPS、PA、PC等，为此需要进行抗滴落改性。前面介绍的聚合物成炭技术是防滴的主要技术手段之一，因此抗滴落技术往往与成炭相一致，具体方法介绍如下。

1、加人交联剂

交联是促进成炭的有效方法，也是抗滴落的主要技术手段，例如PP中加入三烯丙基三异氰酸酯(TAIC)或过氧化二异丙苯(DCP) 交联剂，可以使PP产生交联反应，在燃烧时燃烧物表面成炭增加，可以有效防止高温下熔体流滴。

2、加入抗滴落剂

比较有效的抗滴落剂为聚四氟乙烯(F4)， 其原理为利用F4在聚合物加工中的纤维化作用，显著增加熔体强度和弹性模量，熔体即使拉长因为强度高也不会滴落，可以起到抗滴落的作用，减少火焰的蔓延。此外，还可以增加聚合物的熔体强度和抗塌陷性。目前市面上的抗滴落剂有纯的聚四氟乙烯和改性聚四氟乙烯两种。纯聚四氟乙烯直接利用分散性不好，很容易结团，因此使用过程中很困难，而且分散不好会导致制品表面不良和抗滴落效果差。目前市面上有一种抗滴落剂是特殊改性的聚四氟乙烯粉末，典型产品为美国3M公司开发的抗滴落剂PA-5935，它是以聚四氟乙烯为基础的含氟添加剂，具体为用SAN进行了包覆处理，与通用树脂有更好的相容性和透明性，聚四氟乙烯与SAN的质量比例为7:3~5:5。

除了聚四氟乙烯类抗滴落剂外，一些无机类填料可以起到抗滴落作用，具体如滑石粉、有机蒙托土和金属氧化物等，其中有机蒙托土还兼有成炭性和抗迁移性。

3、加入相容剂

在PP/膨胀阻燃剂(IFR)70:30配方中加人适量的PP-g-MAH，不仅能提高阻燃性能，而且赋予不滴落性能，而纯PP/膨胀阻燃剂(IFR) 70: 30配方就有滴落现象。

不同PP/IFR/PP-g-MAH阻燃配方的抗滴落性能

加人相容剂抗滴落的原理为：加入相容剂后配方组分的相容性提高，大大提高了成炭量，可以达到15. 88%，从而提高了燃烧炭层的致密性，起到了抗滴落作用。