無(wú)鹵阻燃成炭劑焦磷酸哌嗪的研制與應(yīng)用
近年來(lái),膨脹型阻燃劑(Intumescent Flame Retardant,IFR)是無(wú)鹵阻燃領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)之一,一般由酸源(脫水劑)、炭源(成炭劑)及氣源(發(fā)泡劑)三部分組成,其原理為酸源在材料燃燒時(shí)使炭源脫水成炭,同時(shí)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(dá)到阻燃的目的。磷-氮型膨脹阻燃劑被認(rèn)為是目前無(wú)鹵阻燃領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,具有發(fā)煙量小、有毒氣體生成量少且阻燃效果好的特點(diǎn)。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(jī)理為:在材料燃燒初期,APP受熱分解成酸性物質(zhì),與PER發(fā)生酯化反應(yīng),脫水成碳,同時(shí)三聚氰胺作為氣源受熱分解產(chǎn)生水、氨氣等氣體填充到炭層中膨脹發(fā)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(jī)理示意圖
近年來(lái),出現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shí),既可以產(chǎn)生酸性物質(zhì)使體系脫水,又可以分解產(chǎn)生不燃性氣體使炭層膨脹,同時(shí)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(wěn)定性不夠、單一氣源PER存在耐水解性能差等問(wèn)題)。
圖2 新型膨脹型阻燃劑結(jié)構(gòu)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(tǒng)鹵系阻燃劑體系相比添加量大、影響材料機(jī)械性能等問(wèn)題。雖然對(duì)于上述IFR的問(wèn)題,可以通過(guò)諸如協(xié)同阻燃技術(shù)、表面改性技術(shù)、微膠囊技術(shù)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(chǎn)品的電氣性能、耐候性及耐久性,阻礙了IFR的發(fā)展。因此,低吸水性的磷-氮型膨脹阻燃劑將會(huì)使IFR的應(yīng)用得到更進(jìn)一步的發(fā)展。
焦磷酸哌嗪(Piperazine Pyrophosphate)難溶于水(其分子結(jié)構(gòu)如下圖3所示),且分子結(jié)構(gòu)中含磷、氮元素,是一種同時(shí)具有酸源、氣源功能的有機(jī)化合物,以焦磷酸哌嗪作為主要組分的無(wú)鹵阻燃劑對(duì)聚烯烴(PP、PE等)、彈性體(TPE、EVA、TPV)等具有優(yōu)良的阻燃性能。
圖3 焦磷酸哌嗪分子結(jié)構(gòu)示意圖
重慶科聚孚新材料有限責(zé)任公司從2013年開(kāi)始研發(fā)焦磷酸哌嗪的工業(yè)化合成生產(chǎn)技術(shù),并成功申請(qǐng)發(fā)明專利《焦磷酸哌嗪制備裝置及其方法》,截至2020年底,年產(chǎn)能已達(dá)2000噸??凭坻诠旧a(chǎn)的焦磷酸哌嗪白度92以上,可取代傳統(tǒng)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(cè)。