木塑復合材料是一種符合國家環保和廢棄物再利用政策的綠色材料,價格低廉、原料來源廣且外觀漂亮,已廣泛應用在家具、建材、汽車和交通等行業。熱塑性木塑復合材料具有易加工成型的優勢,聚烯烴/木粉(WF)復合材料一直是近年來研究報道的熱點。
然而,聚烯烴類通用塑料(如聚乙烯、聚丙烯等)以及聚烯烴/WF復合材料均屬于極易燃材料,這極大地限制了其應用,因此,提升木塑復合材料的阻燃性能是拓寬其應用領域的關鍵。磷系膨脹型阻燃劑是無鹵阻燃技術發展的主要方向,含磷阻燃劑通常作為酸源。
無機磷類阻燃劑(如聚磷酸銨)可對木塑復合材料起到很好的阻燃作用,但此類阻燃劑聚合度低、熱穩定性差、易吸水遷移,大多數情況下需要與其他阻燃劑復配才能達到理想的阻燃效果,常用的復配阻燃劑與樹脂基體的相容性較差。
聚磷酸銨
與復配阻燃劑相比,通過化學方法制備單分子型膨脹型阻燃劑,將酸源、碳源和氣源以化學鍵集合在同一大分子上,較高的聚合度使其具有更高的熱穩定性和耐水性,且通過大分子的結構設計能同時提升阻燃劑與樹脂基體的相容性,這也是新型阻燃劑的發展方向。
目前,關于磷酸酯共聚物在聚烯烴類木塑復合材料阻燃方面的研究報道較少。本工作以1-氧基磷雜-4-羥甲基-2,6,7-三氧雜雙環[2.2.2]辛烷(PEPA)、多聚磷酸(PPA)、1,4-丁二醇二縮水甘油醚、雙酚A型環氧樹脂和三聚氰胺為原料,通過縮聚法合成了多功能磷酸酯共聚物,將其作為阻燃劑,采用熔融共混法制備阻燃高密度聚乙烯(HDPE)/WF木塑復合材料,考察了磷酸酯共聚物含量對復合材料力學性能、熱性能和阻燃性能的影響。






磷酸酯共聚物在370℃之前的輕微質量損失可能是殘留的有機小分子的分解,第1階段大約從380℃持續到430℃,主要產物為三聚氰胺和聚磷酸,此時部分雙酚A結構也開始分解;
第2階段持續到485℃,此階段共聚物主鏈劇烈分解,且伴隨著三聚氰胺和聚磷酸縮合形成高相對分子質量的含P—N—O的聚合物,同時部分三聚氰胺分解釋放出不燃性氣體;
第3階段比較平緩,主要為含P—N—O聚合物催化含氧鏈段的成炭,并釋放出水蒸氣、氨氣等不燃氣體,就起始分解溫度而言,其熱穩定性明顯高于常用的磷系阻燃劑。
不含阻燃劑的HDPE/WF木塑復合材料的起始分解溫度為290℃左右,持續到近400℃,主要為木粉自身半纖維素、纖維素和木質素的分解及結合水的失去;
第2階段持續到435℃左右,為木粉分解產物的進一步脫水炭化,隨后進行HDPE基體的劇烈分解,基體的分解速率與純HDPE相差不大。
第2階段從340℃持續到450℃,與未添加阻燃劑的復合材料相比,此階段的質量損失過程比較平緩,可能是阻燃劑促進了木粉脫水成炭反應,形成了更多的炭層;
綜上所述,得出以下結論:
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以PEPA,PPA,1,4-丁二醇二縮水甘油醚,雙酚A型環氧樹脂和三聚氰胺為原料合成磷酸酯共聚物,以其為阻燃劑對HDPE/WF復合材料進行阻燃改性。
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與常規磷系阻燃劑相比,集酸源、碳源和氣源為一體的磷酸酯共聚物具有更高的熱穩定性,隨磷酸酯共聚物含量增加,HDPE/WF復合材料的拉伸強度呈先增大后減小的趨勢。
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磷酸酯共聚物能顯著改善復合材料的阻燃性能,與未阻燃的復合材料相比,當磷酸酯共聚物含量為20%(w)時,復合材料的最大熱釋放速率和總熱釋放量分別下降約69%,59%,LOI為31.5%,垂直燃燒級別達到UL94V-0級,殘炭量提高了21.5%(w),阻燃效果很好。