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PET共混阻燃及其耐久性问题分析

【摘要】:采用阻燃剂与PET共混的方式也可得到阻燃PET,但其缺点是与共聚法相比,阻燃耐久性要差。在PET共混阻燃研究中以无机磷系阻燃剂较多。红磷价格低廉,可用作PET共混型阻燃剂,单独使用阻燃效率较低,常与一些金属氧化物复配使用,提高其有效性。采用无机磷系添加型阻燃剂进行PET共混阻燃时存在的最大问题是阻燃剂用量大,对PET的机械性能影响大。

采用阻燃剂与PET共混的方式也可得到阻燃PET,但其缺点是与共聚法相比,阻燃耐久性要差。对添加型阻燃剂不仅要求其能够经受PET加工时的温度,而且需要与PET具有很好的相容性,不应对PET的机械性能造成明显影响[105]

在PET共混阻燃研究中以无机磷系阻燃剂较多。红磷价格低廉,可用作PET共混型阻燃剂,单独使用阻燃效率较低,常与一些金属氧化物复配使用,提高其有效性。Laoutid等[106]研究采用红磷和金属氧化物Fe2O3及MgO结合以改善回收PET的阻燃性能,Fe2O3和MgO作为红磷的协效剂。研究表明MgO与PET的酸性端基反应形成热稳定的残留,含有红磷与Mg和Fe的氧化物结合的PET会形成更多的炭。添加了5%红磷的PET会使LOI从不含红磷的23%提高到35%,但是,添加红磷会降低其抗冲击性。添加MgO到红磷中,会加速PET燃烧过程中的降解,但有利于促进成炭,提高其热稳定性。Fe2O3和红磷同样表现出协同效应,有利于提高红磷的有效性。

采用无机磷系添加型阻燃剂进行PET共混阻燃时存在的最大问题是阻燃剂用量大,对PET的机械性能影响大。有机磷系阻燃剂作为PET共混添加型阻燃剂也有相关的研究,包括利用含磷元素阻燃剂与其他阻燃元素的协同阻燃作用。Zhao等[107]制备了含三种阻燃元素P、N和S的阻燃剂FR。FR由2-羧乙基苯基次磷酸(CEPP)和4-氨基苯磺酰胺(ASA)反应制得,反应式如图1-5所示。FR用于玻纤增强的PET(GF-PET)阻燃处理,当阻燃剂添加量为15%时,GF-PET可达到UL-94 V-0级,其LOI为27.6%。阻燃机理研究表明,其阻燃效应主要来自两方面的作用:一是阻燃剂催化GF-PET的起始降解形成低聚物和小分子物质,在较低的温度下,这些物质的熔融流动和挥发会吸收大量的热;二是阻燃剂中的氮元素形成不燃性气体在气相中稀释可燃性物质的浓度。

图1-5 含P、N和S三种阻燃元素的新型阻燃剂FR的合成

也有研究将DOPO衍生物作为PET添加型阻燃剂。Deng等[108]合成了含硫的DOPO衍生物(PDPTP)作为PET的共混阻燃剂。通过裂解色谱/质谱联用技术和锥形量热法等对PDPTP的阻燃行为进行研究,结果表明,在PDPTP作用下,聚酯燃烧过程产生的可燃性小分子化合物会大大减少,PTPDP会抑制PET的降解,但是并不会改变其降解的机理。在PET中,当PDPTP的添加量为10%时,其可达到UL-94 V-0级,LOI达到47%。

图1-6 阻燃剂WLA-3结构式

传统的低分子含磷阻燃剂用于PET共混阻燃会存在与基质相容性差、析出和降低其机械性能等缺点,因此,一些含DOPO的低聚物也被合成,并应用于PET共混阻燃整理。Chang等[109]合成了一种DOPO低聚物WLA-3,是一种在主链和侧链都含磷的低聚物,具有较高的磷含量,结构式如图1-6所示。当WLA-3含量为8%时,PET/WLA-3共混物可达到UL-94 V-0级,LOI为35.2%。

2012年,日本Mitsubishi Plastics, Inc.专利保护了一种制备添加型PET阻燃剂方法[110],为DOPO、ITA和EG反应生成聚合物,结构式如图1-7所示。

图1-7 添加型聚酯阻燃剂

Wang等[111-112]制备了含DOPO的热致液晶(TLCP)共聚酯[P-TLCP,图1-8(a)],用于PET共混阻燃,在提高其阻燃性能的同时也使机械性能得到较好保留。在PET中加入8%P-TLCP可达到UL-94 V-0级,LOI可达到29.2%,其拉伸强力有所提高。但研究发现TLCP的熔融温度高达290℃以上,使其在低熔点的热塑性聚合物中很难成纤。因此,为了降低熔融温度和保持较好的阻燃性能,Wang等[113-114]研究合成了一系列具有较低熔融温度的含芳香醚的TLCP共聚酯,简称为TLCP-AEs[图1-8(b)]。得到的所有TLCP-AEs共混PET都具有很好的阻燃性能,均可达到UL-94 V-0级。

图1-8 P-TLCP和TLCP-AEs的化学结构式