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玻纖增強(qiáng)聚丙烯(PP/GF)具有低密度、良好耐熱耐蠕變性能、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電子電器、航天航空、汽車(chē)等工業(yè)，制備輕量化、薄壁化零部件以替代鋼材、工程塑料等材料。

PP的極限氧指數(shù)(LOI)約為17.0%，屬于易燃材料，燃燒時(shí)伴隨大量帶火熔滴且釋放大量熱量。加入GF后雖然熔滴現(xiàn)象得到明顯抑制，但由于GF的“燈芯效應(yīng)”，材料燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，放熱量大，在 要求嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域，必須對(duì)PP/GF進(jìn)行阻燃處理。近年來(lái)，部分溴銻阻燃體系燃燒產(chǎn)生有毒煙氣等，國(guó)內(nèi)外相關(guān)法律法規(guī)已經(jīng)規(guī)定禁用諸如十溴二苯醚等溴系阻燃劑。

磷氮膨脹型環(huán)保無(wú)鹵阻燃體系具有環(huán)保性、成本低優(yōu)勢(shì)，在聚烯烴材料相關(guān)領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。例如：焦磷酸哌嗪(PAPP)含有磷、氮元素，且含有較多羥基，可以作為膨脹型阻燃體系的“酸源”及“炭源”。本文通過(guò)PAPP復(fù)配MPP形成焦磷酸哌嗪膨脹型阻燃劑，保持阻燃劑用量不變的情況下，研究GF含量對(duì)PP/GF材料性能的影響。

GF含量對(duì)阻燃性能的影響

從圖1和圖2可以看出，LOI測(cè)試及垂直燃燒測(cè)試中均觀察到樣條表面有膨脹性炭層，說(shuō)明該阻燃劑通過(guò)固相膨脹成炭的方式起阻燃作用。

在阻燃劑含量相同的情況下，GF含量的增加，PP/GF材料的阻燃性能得到提升。（GF＜30%）

因?yàn)橐环矫骐SGF含量增加，基料PP含量則相對(duì)減少，在LOI測(cè)試中基料燃燒裂解產(chǎn)生的可燃物碎片相對(duì)減少。同時(shí)隨著GF含量增加，材料的熔體流動(dòng)速率降低，也有利于改善較薄樣品的滴落現(xiàn)象，使其更容易通過(guò)垂直燃燒測(cè)試；另一方面是由于阻燃劑通過(guò)“固相成炭”機(jī)理，且其炭層較好包覆在樣條表面，不會(huì)被GF高溫殘留物“刺破”，形成的隔熱隔氧保護(hù)層能夠減少可燃物逸出，起較好的阻燃效果。

GF含量對(duì)熱穩(wěn)定性的影響

GF加入高分子材料后，提高材料的各種物理性能，如尺寸穩(wěn)定性、熱變形溫度等。而TG分析可以得到高分子材料在無(wú)氧或者有氧條件下的各種熱分解參數(shù)，對(duì)研究材料的阻燃機(jī)理具有重要的作用。

GF加入后，高溫階段殘?zhí)柯孰S著GF含量的增加而增加，當(dāng)GF含量增加至25%，4#樣品700 ℃殘?zhí)柯试黾又?/span>39.4%，說(shuō)明樣品高溫下產(chǎn)生的可燃?xì)怏w減少，主要為不可燃的固態(tài)碳化物。從表3和圖4可以看出，在空氣氣氛下，材料在氧氣作用下發(fā)生熱氧降解，1#對(duì)比樣品初始分解溫度相較氮?dú)鈿夥战档椭?/span>306.4 ℃，2#~4#樣品初始分解溫度相較氮?dú)鈿夥找步档椭?/span>298℃附近，主要熱失重區(qū)間為300~ 500℃。前期為基料PP的熱氧分解同時(shí)伴隨阻燃劑的分解失重，在高溫階段，是炭層在氧氣的參與下進(jìn)一步發(fā)生炭層的氧化分解。高溫階段，不同GF含量樣品的殘?zhí)柯示^1#樣品增加，主要是因?yàn)?/span>GF在高溫下不易分解導(dǎo)致。

總的來(lái)說(shuō)，GF的加入會(huì)降低阻燃PP/GF材料的初始熱分解溫度，提高材料高溫階段熱穩(wěn)定性。

GF含量對(duì)燃燒性能的影響

在外部熱輻射作用下，阻燃劑FR-1420通過(guò)膨脹成炭的方式，在樣條表面形成隔熱保護(hù)層。測(cè)試結(jié)束后，1#對(duì)比樣品的炭層膨脹厚度約為2.5cm。相比1#樣品，加入15%GF的2#樣品的炭層膨脹厚度增至約6.2cm。

隨著GF含量的增加，炭層膨脹厚度降低，4#樣品的炭層膨脹厚度降低至約5.0cm。因?yàn)橐环矫?/span>GF在高溫下比較穩(wěn)定，GF的高溫殘留物在炭層膨脹的過(guò)程中起“炭層骨架”的作用，因此GF加入后有利于炭層膨脹厚度的增加；另一方面GF含量較高時(shí)，較多的 GF高溫殘留物也抑制炭層的膨脹，因此炭層膨脹厚度呈現(xiàn)緩慢降低趨勢(shì)。

GF的加入未影響材料的各種燃燒參數(shù)，如熱釋放速率峰值(PHRR)，說(shuō)明材料均有較好的火災(zāi)安全性。并且GF作為惰性纖維加入后，基料PP相對(duì)減少，導(dǎo)致燃燒過(guò)程中氣相可燃物降低，高溫下固相均為不可燃?xì)堅(jiān)?，材料殘?/span>-時(shí)間曲線說(shuō)明，GF加入后高溫階段殘重更高，可燃性氣態(tài)物越低，燃燒放熱，產(chǎn)煙量則越低。同時(shí)，GF加入后也未影響材料的各種火災(zāi)安全指數(shù)，如PHRR與PHRR達(dá)峰時(shí)間的比值即火災(zāi)蔓延指數(shù)(FIGRA)，平均熱輻射速率的最大值(MAHRE)等都未有較大改變。

結(jié)論

（1）無(wú)鹵阻燃劑FR-1420對(duì)PP/GF材料具有較好的阻燃效果，阻燃劑含量相同的情況下，GF含量越高，材料的阻燃效果越好。

（2）GF的加入會(huì)降低阻燃PP/GF材料的初始熱分解溫度，提高材料高溫階段熱穩(wěn)定性。

（3）GF起“炭層骨架”作用，會(huì)增加錐形量熱測(cè)試中炭層的膨脹厚度，GF加入會(huì)降低THR、TSP等，提高PP/GF材料的火災(zāi)安全性。