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高效环保阻燃剂的发展前景及阻燃水性聚氨酯的研究

来源:邵君( 先生,国内国际部经理 ) 发布时间:2014-4-21 19:54:49
 

  聚磷酸铵(ammonium polyphosphate,APP)是一种重要的无卤磷系阻燃剂,该物质于1857年首次通过将P2O5与NH3反应生成,其别名称为多聚磷酸铵或缩聚磷酸铵。按其聚合度大小,可分为低聚、中聚、高聚三种。其聚合度越高,水溶性越小,反之亦然。按其结构可分为结晶形和无定型。结晶态聚磷酸铵为长链状水不溶性聚磷酸盐。 APP通式为(NH4)n+2PnO3n+1,外观呈白色粉末状,其中聚合度n在10-20之间为水溶性,称为短链APP;n 大于20为水难溶性的长链APP。N的高低是影响APP性能的主要因素。由于它含磷、含氮量高,在阻燃过程中磷、氮具有协同阻燃效应,热稳定性好,阻燃效能高等优点,因而阻燃效果优于单含磷阻燃剂或单含氮阻燃剂。作为近年来迅速发展起来的磷系无机阻燃剂,尤其是高聚合度的聚磷酸铵,在材料、涂料等许多领域里得到了广泛应用。国外常见APP的n可达几百甚至上千,如德国Hoeehst的Exolit 422,n >700。目前我国高聚合的APP产品生产工艺较为落后,高聚合度的APP产品主要依靠进口。

  聚磷酸铵作为膨胀型阻燃剂的基础材料被广泛应用于阻燃领域,随着全球阻燃剂朝无卤化方向发展,以聚磷酸铵为主要原料的膨胀型阻燃剂成为产业的热点,特别是需求较大的是聚合度高的Ⅱ-型聚磷酸铵。

  1.聚磷酸铵作为阻燃剂的应用范围
  阻燃剂主要用于阻燃材料合成和天然高分子材料,包括塑料、橡胶、纤维、木材、纸张、涂料等。据粗略估计,全球阻燃剂的 65%~70%用于阻燃塑料,20%用于橡胶,5%用于纺织品,3%用于涂料,2%用于纸张及木材。其中电子/电气、运输、建材、家具、纺织等行业为阻燃剂的几大用户。

  据资料报道,美国和加拿大等国家,在20世纪60~70年代,广泛地采用聚磷酸铵来扑救森林火灾。德国Erich Rohl化学大厂对扑救森林、木材和建筑物火灾的灭火剂进行了广泛地研究,指出采用聚磷酸铵灭火剂对植被、木材、建筑物有很好的黏附能力,可减少灭火剂的用量,该灭火剂环境友好型灭火剂。

  2.聚磷酸铵作为阻燃剂的阻燃机理
  APP的阻燃机理是受热脱水后生成聚磷酸脱水剂,促使有机物表面脱水生成碳化物,加之生成的非挥发性磷的氧化物及聚磷酸对基材表面进行覆盖,隔绝空气从而达到阻燃的目的。APP在225℃左右热分解生成磷酸,高于300℃ 进一步脱水形成聚磷酸或聚偏磷酸。聚磷酸铵由于同时含有氮元素,受热分解释放出CO2、NH3 等气体,这些气体不易燃烧,从而阻断了氧的供应,实现了阻燃增效和协同效应的目的,同时氮的增效和协同作用使该阻燃剂不仅具有良好的阻燃性能,而且还具有发烟量少、不产生有毒气体及具有自熄性等特点。

  水性聚氨酯主要用于织物,皮革,建筑材料等等,这些材料在使用时如未经阻燃处理,会成为引发火灾的潜在隐患。因此水性聚氨酯的阻燃化是水性聚氨酯功能化的重要方向之一。水性聚氨酯以水为介质,由于水不爆、无毒不燃、、无味,不污染环境,不会危害操作人员的身体健康,能显著降低产品的成本,故越来越引起人们的重视 。

  根据阻燃剂在水性聚氨酯中的存在方式,可以将阻燃水性聚氨酯分为共混复配型和反应型两大类。反应型阻燃水性聚氨酯,阻燃剂作为水性聚氨酯的反应单体,参与水性聚氨酯的合成反应,最后成为水性聚氨酯结构单元的一部分;共混复配型阻燃水性聚氨酯,阻燃剂以物理方式分散在水性聚氨酯中。

  目前阻燃水性聚氨酯的研究主要集中在反应型阻燃上,其中又以研究含磷反应型阻燃的居多,其次为卤系,硅阻燃水性聚氨酯的研究并不多见。主要原因可能是由于卤素的毒性和不环保,与水性聚氨酯的环保无毒要求不符,但是由于卤系阻燃剂巨大的市场占有率和优异的阻燃效果,开发卤系阻燃水性聚氨酯仍有很大的实际意义;硅作为单纯的阻燃元素其阻燃效果并不佳,需要与其它阻燃剂或化合物如二碱式亚磷酸铅、三碱式硫酸铅、碳酸钙、氢氧化铝(或氢氧化镁) 、硼酸锌等协同使用, 才能达到理想的阻燃效果。当其与有机铅化合物混合使用时, 阻燃材料燃烧时会产生有毒气体,因而研究亦不多。目前硅改性水性聚氨酯的研究主要都集中在提高水性聚氨酯固色、柔软、手感、耐溶剂性及抗静电性等方面。

  水性聚氨酯作为目前聚氨酯行业的研究热点,研究其阻燃化具有巨大的市场价值。从目前的发展趋势看,环保型无毒阻燃水性聚氨酯是科研工作者的研究热点,卤系阻燃水性聚氨酯仍然吸引着部分研究者的目光。从现有的文献来看,合成研究的多,应用评价的少,阻燃效果研究的多,阻燃机理研究的少。因此,在未来的几年内,进一步考察阻燃水性聚氨酯的应用性能,研究阻燃剂在其中的作用机理,仍是阻燃水性聚氨酯重要的研究方向。

  
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