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无卤阻燃成炭剂焦磷酸哌嗪的研制与应用

发布时间:2022/04/11 20:04

    近年来,膨胀型阻燃剂(Intumescent Flame Retardant,IFR)是无卤阻燃领域的研发热点之一,一般由酸源(脱水剂)、炭源(成炭剂)及气源(发泡剂)三部分组成,其原理为酸源在材料燃烧时使炭源脱水成炭,同时气源受热分解释放出不可燃的气体,在材料表面形成隔热隔氧的泡沫状炭层,从而达到阻燃的目的。磷-氮型膨胀阻燃剂被认为是目前无卤阻燃领域的重要发展方向,具有发烟量小、有毒气体生成量少且阻燃效果好的特点。典型的磷-氮型阻燃体系由三聚氰胺、聚磷酸铵APP、季戊四醇PER组成,其阻燃机理为:在材料燃烧初期,APP受热分解成酸性物质,与PER发生酯化反应,脱水成碳,同时三聚氰胺作为气源受热分解产生水、氨气等气体填充到炭层中膨胀发泡,形成多孔性泡沫状炭层,原理图如下所示。

                         图1 磷-氮型膨胀阻燃剂阻燃机理示意图

    近年来,出现了许多集酸源、炭源、气源中二者甚至三者功能于同一分子结构的膨胀型阻燃剂(如图2所示),这些阻燃剂分子大多含磷、氮元素,在受热分解时,既可以产生酸性物质使体系脱水,又可以分解产生不燃性气体使炭层膨胀,同时也能消除单一酸源、炭源、气源的的分子缺陷(如单一酸源APP存在热稳定性不够、单一气源PER存在耐水解性能差等问题)。

                          图2 新型膨胀型阻燃剂结构示意图

    磷-氮型膨胀阻燃剂也存在自身的局限性,如IFR易吸潮、与传统卤系阻燃剂体系相比添加量大、影响材料机械性能等问题。虽然对于上述IFR的问题,可以通过诸如协同阻燃技术、表面改性技术、微胶囊技术等部分解决,但目前IFR最亟需解决的仍然是其耐水解性能不高,在使用中影响产品的电气性能、耐候性及耐久性,阻碍了IFR的发展。因此,低吸水性的磷-氮型膨胀阻燃剂将会使IFR的应用得到更进一步的发展。

    焦磷酸哌嗪(Piperazine Pyrophosphate)难溶于水(其分子结构如下图3所示),且分子结构中含磷、氮元素,是一种同时具有酸源、气源功能的有机化合物,以焦磷酸哌嗪作为主要组分的无卤阻燃剂对聚烯烃(PP、PE等)、弹性体(TPE、EVA、TPV)等具有优良的阻燃性能。

                           图3 焦磷酸哌嗪分子结构示意图

    重庆科聚孚新材料有限责任公司从2013年开始研发焦磷酸哌嗪的工业化合成生产技术,并成功申请发明专利《焦磷酸哌嗪制备装置及其方法》,截至2020年底,年产能已达2000吨。科聚孚公司生产的焦磷酸哌嗪白度92以上,可取代传统季戊四醇磷酸酯PEPA、CFA三嗪等;不受RoHS和REACH法令限制,并完成了欧盟REACH注册。