Synthesis and Application of Novel Triazine-Based Charring-Foaming Agents in Intumescent Flame Retardant Polypropylene

Three novel triazine-based charring-foaming agents (M2-CFA, M4-CFA, and M6-CFA) were synthesized successfully with only water as the solvent and were characterized by FT-IR and thermal gravimetric analysis (TGA). These three charring-foaming agents and the byproduct 944-by were employed to study the effectiveness of the novel intumescent flame retardant dopant on the fire retardancy of polypropylene(PP) investigated through UL-94 and limiting oxygen index (LOI) tests. TGA results showed that the M4-CFA presented good char formation ability (char residue: 26.8% at 700 °C). It was found that the sample with a 2/1 mass ratio of APP to M4-CFA exhibited the best flame retardancy among all the PP composites: 35.5% LOI and a V-0 rating of UL-94. Additionally, the microstructure and morphology of char residues were further studied by XRD, Raman spectroscopy and SEM. © 2017, Tianjin University and Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

聚磷酸铵/三嗪成炭剂/碳纳米管复配体系对聚丙烯阻燃性的影响

以三聚氯氰和4,4’-二氨基二苯砜为原料制备了新型的三嗪类成炭剂(CA-DDS),并将与聚磷酸铵(APP)复配后用于阻燃聚丙烯(PP)。研究了不同配比的APP/CA-DDS阻燃体系对PP热稳定性和阻燃性能的影响,并进而对比了少量碳纳米管的引入对APP/CA-DDS阻燃体系的提高作用。结果表明:所合成的三嗪类成炭剂CA-DDS具有良好的热稳定性和成炭性能,与APP复配使用可以促进PP成炭,有效地提高PP的阻燃性能,热释放速率峰值由1 046 kW/m2降低至660 kW/m2。在APP/CA-DDS总质量分数为25%,二者质量配比为2∶1的基础上添加质量分数1%的碳纳米管后,可进一步提高PP的阻燃性能,热释放速率峰值降低至352 kW/m2。

三嗪类成炭剂的制备及其阻燃聚丙烯的研究

以三聚氯氰和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料制备了具有三嗪环与苯环交替结构主链的新型三嗪类成炭剂(CA-ODA),并将其与聚磷酸铵(APP)复配,用于阻燃聚丙烯(PP)。采用热失重分析方法和锥形量热仪研究了不同质量配比的APP/CA-ODA阻燃体系对PP热稳定性和阻燃性能的影响。结果表明,CA-ODA自身具有良好的热稳定性和成炭性能,三嗪环和苯环交替结构能够促进PP成炭,从而有效地提高了PP的阻燃性能。当APP/CA-ODA体系总添加量为25%,二者质量比为2/1时,PP复合材料的热释放速率峰值由1046kW/m2降低至334kW/m2,并且残炭量高达41.5%。

多羟基结构三嗪成炭剂在膨胀阻燃PP中的应用

以二乙醇胺为侧链,三聚氯氰和哌嗪为主链,采用一锅法制备了一种多羟基三嗪成炭剂(CDP),将其与聚磷酸铵(APP)复配成膨胀阻燃剂(IFR)用于阻燃聚丙烯(PP)。采用垂直燃烧、极限氧指数、热失重分析等手段研究了阻燃PP的阻燃性能和热稳定性,并用扫描电子显微镜(SEM)对炭层形貌进行了研究。结果表明,APP和CDP具有良好的协同阻燃效果,当APP与CDP质量比为2∶1时,协同阻燃效果最优,仅添加20%IFR,即可使PP达到UL94V–0级别,LOI为29.5%。热失重分析表明该复合材料在800℃具有最高的残炭量,SEM也显示形成了连续致密的炭层。

新型三嗪类氮-硅成炭剂的合成及其热稳定性

以三聚氯氰(1)和γ-氨丙基三乙氧基硅烷(2)为原料,经亲核取代反应合成了一种新型三嗪类氮-硅成炭剂——2-氯-4,6-二(3-三乙氧基硅烷基-1-氨丙基)-1,3,5-三嗪(3),其结构和热性能经1H NMR,IR和TGA表征。考察了溶剂、缚酸剂、原料比和反应温度对3产率的影响。合成3的最佳反应条件为:以丙酮为溶剂,Na2CO3为缚酸剂,1 10 mmol,n(2)∶n(1)=2.4,于50℃反应6 h,产率98.1%。3的初始分解温度为292℃,700℃时成炭率34.5%。

交联三嗪类聚合物的制备及其成炭性研究

通过异氰尿酸三缩水甘油酯与三聚氰胺的本体熔融聚合反应,合成了一种交联结构的三嗪类聚合物成炭剂,它显示出良好的热稳定性和耐水性,其制备过程不需溶剂,简单易行,且无有害物质排放.这种新型交联聚合物与聚磷酸铵复配(质量比1:5)而组成的膨胀型阻燃剂,应用于聚丙烯阻燃.当膨胀阻燃剂用量为阻燃聚丙烯的32%时,燃烧测试分析表明,所获得的炭层展现出致密连续的结构,其阻燃氧指数达到32,垂直燃烧FV-0,热释放速率峰值为486kJ/m2,比纯PP降低了47.5%,而有焰燃烧时间为714s,比纯聚丙烯增加54.9%.

聚磷酸铵和三嗪成炭剂复合聚丙烯在水煮条件下的阻燃和力学性能

将乙二胺代三嗪成炭剂(ETCA)与聚磷酸铵(APP)复配,制备了两种不同质量分数的双组分膨胀型阻燃剂(IFR)阻燃的聚丙烯(PP)材料,分别为23%IFR/PP、27%IFR/PP。通过极限氧指数仪、UL94垂直燃烧仪、锥形量热仪、电子万能试验机和冲击试验机等分别研究了80℃热水处理7 d前后的阻燃聚丙烯复合材料的燃烧性能与力学性能。结果表明,复配膨胀型阻燃剂的加入使PP材料的阻燃性能提高,但力学性能下降;两组双组分阻燃试样23%IFR/PP、27%IFR/PP在80℃热水处理3 d能保持UL94 V-0级别,LOI分别达27.7%和29.0%,3 d之后阻燃级别降为无级别,但是7 d之后LOI值仍能达25.3%和27.0%;水煮之后,相比于未水煮阻燃试样,23%IFR/PP、27%IFR/PP的拉伸强度下降,但冲击强度增加。

哌嗪基和乙二胺基三嗪成炭剂合成及性能比较

通过合成产率及阻燃性能测试对哌嗪基和乙二胺基三嗪成炭剂的合成及性能进行了比较研究。结果表明:和哌嗪基成炭剂相比,乙二胺基成炭剂的水溶性较大,氯质量分数较高,产率较低;哌嗪基成炭剂的热稳定性和阻燃效果好于乙二胺基成炭剂的。当哌嗪基成炭剂与聚磷酸铵(APP)复配的膨胀型阻燃剂质量分数为28%时,聚丙烯(PP)的阻燃级别可通过V-0级;而乙二胺基成炭剂与APP复配的膨胀型阻燃剂质量分数为28%时,阻燃PP燃烧过程中有滴落,其阻燃级别仅达到V-1级。