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無鹵阻燃成炭劑焦磷酸哌嗪的研制與應用

發布時間:2022/04/11 20:04

    近年來,膨脹型阻燃劑(Intumescent Flame Retardant,IFR)是無鹵阻燃領域的研發熱點之一,一般由酸源(脫水劑)、炭源(成炭劑)及氣源(發泡劑)三部分組成,其原理為酸源在材料燃燒時使炭源脫水成炭,同時氣源受熱分解釋放出不可燃的氣體,在材料表面形成隔熱隔氧的泡沫狀炭層,從而達到阻燃的目的。磷-氮型膨脹阻燃劑被認為是目前無鹵阻燃領域的重要發展方向,具有發煙量小、有毒氣體生成量少且阻燃效果好的特點。典型的磷-氮型阻燃體系由三聚氰胺、聚磷酸銨APP、季戊四醇PER組成,其阻燃機理為:在材料燃燒初期,APP受熱分解成酸性物質,與PER發生酯化反應,脫水成碳,同時三聚氰胺作為氣源受熱分解產生水、氨氣等氣體填充到炭層中膨脹發泡,形成多孔性泡沫狀炭層,原理圖如下所示。

                         圖1 磷-氮型膨脹阻燃劑阻燃機理示意圖

    近年來,出現了許多集酸源、炭源、氣源中二者甚至三者功能于同一分子結構的膨脹型阻燃劑(如圖2所示),這些阻燃劑分子大多含磷、氮元素,在受熱分解時,既可以產生酸性物質使體系脫水,又可以分解產生不燃性氣體使炭層膨脹,同時也能消除單一酸源、炭源、氣源的的分子缺陷(如單一酸源APP存在熱穩定性不夠、單一氣源PER存在耐水解性能差等問題)。

                          圖2 新型膨脹型阻燃劑結構示意圖

    磷-氮型膨脹阻燃劑也存在自身的局限性,如IFR易吸潮、與傳統鹵系阻燃劑體系相比添加量大、影響材料機械性能等問題。雖然對于上述IFR的問題,可以通過諸如協同阻燃技術、表面改性技術、微膠囊技術等部分解決,但目前IFR最亟需解決的仍然是其耐水解性能不高,在使用中影響產品的電氣性能、耐候性及耐久性,阻礙了IFR的發展。因此,低吸水性的磷-氮型膨脹阻燃劑將會使IFR的應用得到更進一步的發展。

    焦磷酸哌嗪(Piperazine Pyrophosphate)難溶于水(其分子結構如下圖3所示),且分子結構中含磷、氮元素,是一種同時具有酸源、氣源功能的有機化合物,以焦磷酸哌嗪作為主要組分的無鹵阻燃劑對聚烯烴(PP、PE等)、彈性體(TPE、EVA、TPV)等具有優良的阻燃性能。

                           圖3 焦磷酸哌嗪分子結構示意圖

    重慶科聚孚新材料有限責任公司從2013年開始研發焦磷酸哌嗪的工業化合成生產技術,并成功申請發明專利《焦磷酸哌嗪制備裝置及其方法》,截至2020年底,年產能已達2000噸??凭坻诠旧a的焦磷酸哌嗪白度92以上,可取代傳統季戊四醇磷酸酯PEPA、CFA三嗪等;不受RoHS和REACH法令限制,并完成了歐盟REACH注冊。

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