摘要：经济在快速的发展，社会在不断地进步，综述了几种常用塑胶材料阻燃剂的现有状况，并通过实验方式，将有机硅阻燃剂和纳米氧化镁进行配比，按照不同配比进行测试对比，优选出最佳的配比方式，用来作为电线电缆护套材料的阻燃剂。
关键词：有机硅；纳米氧化镁；协调阻燃剂
引言
随着高分子材料工业的迅速发展,阻燃剂和阻燃材料的研制，生产及应用也得到快速发展。目前,在高分子材料方面所用阻燃剂主要是无机阻燃剂和卤系阻燃剂,有机磷系与膨胀型阻燃剂也得到很大发展,其应用也越来越广泛。但这些阻燃剂都或多或少存在一些缺点。如无机阻燃剂的添加量大,分散性、相容性差,有机磷阻燃剂的挥发性大、耐热性差,膨胀性阻燃剂的吸湿性差、始分解温度低、与塑料相容性差等;而一些阻燃剂像多溴代二苯醚类阻燃剂已经被禁止使用。因此,世界各国把环保型阻燃剂作为研究开发和应用的重点。有机硅阻燃剂是一种高效、低毒、环境友好型无卤阻燃剂,其具有优异的热稳定性,这是由构成其分子主链的-Si-O-键的性质决定的。有机硅聚合物的燃点几乎都在300℃以上,具有难燃性,对塑料橡胶的加工性能和物理机械性能影响也较小。因此,有机硅阻燃剂是一种很有开发和应用潜力的阻燃剂,但对这一类阻燃剂的阻燃机理研究不多,不够深入。一般认为,有机硅阻燃剂的阻燃作用是按凝聚相阻燃机理,即通过生成裂解炭层和提高炭层的抗氧化性实现其阻燃效果的。目前,对有机硅系阻燃材料的研究主要是通过改进分子结构、提高分子量等来提高阻燃效果,改善成炭性及基体材料的加工和力学性能。
1将有机硅阻燃剂和母基材塑胶材料以及纳米氧化镁阻燃剂共混的研究内容
1）合成基础阻燃剂成分，用带有苯基的三甲氧基硅烷和N-（β-氨乙基）-γ-氨丙基甲基-二甲氧基硅烷合成出一种基础阻燃剂FR1。2）以基础阻燃剂FR-1为基础，用纯苯基三甲氧基硅烷合成FR2；用苯基三甲氧基硅烷和季戊四醇合成FR3；用苯基三甲氧基硅烷、季戊四醇和SiO2合成出FR4。对四种不同配方的阻燃剂进行对比，最终选定有机硅阻燃剂FR4与聚烯烃基材进行共混，通过红外光谱分析测试、机械与电气性能测试以及阻燃性能测试来对比优劣。3）用上述合成的阻燃剂与金属氢氧化物阻燃剂再次协同合成，并用第二条的方法进行测试对比。4）再次添加纳米氧化物在上述阻燃剂中进行配方优化，验证纳米氧化物对复合材料阻燃性能的影响以及对其他性能的干涉，进一步确定更优的配方。
2有机硅与纳米氧化物协同阻燃剂的合成实验方案实施
2.1有机硅阻燃剂与卤系阻燃剂的协同阻燃作用
卤系阻燃剂在燃烧时虽发烟量大、会产生有毒气体,并受到环保方面的巨大压力;但因添加量少、阻燃效果显著,性价比高,目前仍是世界上用量最大的有机阻燃剂,在阻燃领域占有举足轻重的地位。有机硅阻燃剂与卤系阻燃剂协同使用,可进一步提高阻燃效果,并改善被阻燃材料的其它性能,因此受到人们的普遍关注。李永华等人系统研究了有机硅阻燃剂(GE公司的SFR100)对四溴双酚A双(2,3-二溴丙基)醚(TBAB)阻燃ABS性能的影响。结果发现,SFR100与TBAB有协同阻燃作用,SFR100的加入不仅提高了ABS的阻燃性能和冲击强度,还使ABS的电性能得到一定程度的改善;在TBAB用量为14%的阻燃ABS中,阻燃剂SFR100的用量增加到4%时,ABS的极限氧指数和冲击强度分别从29.2%和11.2kJ/m2提高到31.8%和15.1kJ/m2,介电常数和介质损耗因数下降。差热分析表明,SFR100提高了ABS的热分解温度。陈临吉将有机硅阻燃剂与溴系阻燃剂并用,用于丝绸纺织品的阻燃整理。由于两种阻燃剂具有协同阻燃作用,在纺织品燃烧过程中,可吸热降温,稀释可燃性气体,从而取得良好的阻燃效果。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆经此阻燃剂整理的丝绸纺织品,其第一热解温度可从243℃下降到120～150℃。且有机硅的存在对织物还具有柔软作用。此外,人们还在聚硅氧烷主链上接入卤系阻燃基团(如溴化苯乙烯基、卤代烷基),用于阻燃聚碳酸酯(PC)、聚(2,6-二甲基-1,4-苯氧)、木材的制备。由于硅、卤元素位于同一分子链中,阻燃协同效果更显著,添加少量即可使材料的阻燃级别达到UL94V-0级;而且,与单用的卤系阻燃剂相比,无迁移之虞且有较大的抑烟效果,加工过程中还能起到优异的润滑作用,使阻燃材料容易充模,并降低了加工温度;同时,阻燃材料的冲击强度、耐热性等也得到了较大改善。
2.2FR3协同阻燃剂的合成
按照如下配方比例，在250mL烧瓶中加入150mL蒸馏水，加热后再向其中加入2.5~4.0g氨水、适量PEG，然后加入苯基硅烷和季戊四醇（PER），同样采用超声震荡一段时间后，之后封闭至0.5~2h，再进行过滤和烘干，获得到粉末状白色物质。
2.3有机硅阻燃剂和金属氢氧化物阻燃剂以及母料聚烯烃材料的共混
为了用数据对以上研究进行一个分析和验证，将有机硅FR4、金属氢氧化物与聚烯烃（基体LLDPE∶EVA=2∶1）共混，研究协同作用对复合阻燃剂材料综合性能的影响。验证性能的方法采用氧指数测试，经测试，发现经过偶联处理后的共混材料的氧指数由25.0%提高到27%，提高了8%。研究燃烧机理得出，当材料燃烧时，阻燃剂中的氢氧化物，在受热状态下分解为水分子和脱水的金属氧化物，水分子进一步受热下变为水蒸气，将燃烧产生的热量吸收，同时也起到了对聚合物表面降低温度的作用，另外还能对燃烧物表面进行覆盖，隔离外界氧气，让燃烧需要的氧气浓度降低，与此同时，阻燃剂分解产生的金属氧化物则对燃烧材料表面进行覆盖，并且促使高分子脱水和炭化，形成隔氧隔热的炭层，将燃烧物表面严密覆盖，对燃烧火焰起到了抑制的作用，从而实现阻燃的目的。但是这种理想的阻燃模型也有实现的难度，原因在于无机阻燃填料组分的分子结构属于极性分子，而作为基材的聚烯烃分子是共价键非极性物质，这两种极性不同的材料相容性不好，导致阻燃剂各组分的分散不均匀，阻燃剂团聚多的地方效果较好，阻燃剂较少的地方阻燃性差，就容易使火焰继续燃烧，对整体阻燃效果有影响，解决办法是要对阻燃剂进行偶联处理，因为偶联剂分子兼备极性基团和碳链结构，能提高阻燃剂和高分子基材的相容性，使得组分界面的界限明显模糊，分散均匀，团聚现象减少，所以高分子材料燃烧时能持续阻止燃烧，达到满意的燃烧效果。除此之外，氢氧化物阻燃剂在环保方面是属于无卤阻燃材料，参与阻燃时不会产生有毒和刺激性气味的气体，而且抑烟效果也很好，同时满足低烟的要求。
结语
通过不同的实验，确定了有机硅阻燃剂FR1的配方和其最佳加工工艺：温度为50℃，时间4h，分散剂采用聚乙二醇，用量为0.3mL，主要原材料苯基硅烷与氨基硅烷的摩尔比为9：1，在此工艺下产率可达82%。2）将有机硅与聚烯烃基材共混，按照四种比例形成四个配方，对比性能，根据加工流变性、阻燃性和电性能方面优选出FR4配方。3）用FR4分别与氢氧化物进行复配，结果表明，验证协同阻燃作用，确定了阻燃体系为氢氧化铝、氢氧化镁与有机硅FR4阻燃聚烯烃复合的材料体系。4）最终的配方优化：加入纳米材料，通过实验对比，最终选定此复合材料氧指数达33%的配方2为最佳配方。
参考文献
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[3]张茜.膨胀阻燃剂对LLDPE阻燃性的研究[D].广州：华南理工大学，2010.
论文作者:高心星
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第8期
论文发表时间:2019/7/18
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