玻纤含量对无卤阻燃玻纤增强PP的阻燃性能有何影响？

玻纤增强聚丙烯(PP/GF)具有低密度、良好耐热耐蠕变性能、高性价比等优点，目前被广泛应用于电子电器、航天航空、汽车等工业，制备轻量化、薄壁化零部件以替代钢材、工程塑料等材料。

PP的极限氧指数(LOI)约为17.0%，属于易燃材料，燃烧时伴随大量带火熔滴且释放大量热量。加入GF后虽然熔滴现象得到明显抑制，但由于GF的“灯芯效应”，材料燃烧持续时间长，放热量大，在要求严苛的应用领域，必须对PP/GF进行阻燃处理。近年来，部分溴锑阻燃体系燃烧产生有毒烟气等，国内外相关法律法规已经规定禁用诸如十溴二苯醚等溴系阻燃剂。

磷氮膨胀型环保无卤阻燃体系具有环保性、成本低优势，在聚烯烃材料相关领域得到了实际应用。例如：焦磷酸哌嗪(PAPP)含有磷、氮元素，且含有较多羟基，可以作为膨胀型阻燃体系的“酸源”及“炭源”。本文通过PAPP复配MPP形成焦磷酸哌嗪膨胀型阻燃剂，保持阻燃剂用量不变的情况下，研究GF含量对PP/GF材料性能的影响。

GF含量对阻燃性能的影响

从图1和图2可以看出，LOI测试及垂直燃烧测试中均观察到样条表面有膨胀性炭层，说明该阻燃剂通过固相膨胀成炭的方式起阻燃作用。

在阻燃剂含量相同的情况下，GF含量的增加，PP/GF材料的阻燃性能得到提升。（GF＜30%）

因为一方面随GF含量增加，基料PP含量则相对减少，在LOI测试中基料燃烧裂解产生的可燃物碎片相对减少。同时随着GF含量增加，材料的熔体流动速率降低，也有利于改善较薄样品的滴落现象，使其更容易通过垂直燃烧测试；另一方面是由于阻燃剂通过“固相成炭”机理，且其炭层较好包覆在样条表面，不会被GF高温残留物“刺破”，形成的隔热隔氧保护层能够减少可燃物逸出，起较好的阻燃效果。

GF含量对热稳定性的影响

GF加入高分子材料后，提高材料的各种物理性能，如尺寸稳定性、热变形温度等。而TG分析可以得到高分子材料在无氧或者有氧条件下的各种热分解参数，对研究材料的阻燃机理具有重要的作用。

GF加入后，高温阶段残炭率随着GF含量的增加而增加，当GF含量增加至25%，4#样品700 ℃残炭率增加至39.4%，说明样品高温下产生的可燃气体减少，主要为不可燃的固态碳化物。从表3和图4可以看出，在空气气氛下，材料在氧气作用下发生热氧降解，1#对比样品初始分解温度相较氮气气氛降低至306.4 ℃，2#~4#样品初始分解温度相较氮气气氛也降低至298℃附近，主要热失重区间为300~ 500℃。前期为基料PP的热氧分解同时伴随阻燃剂的分解失重，在高温阶段，是炭层在氧气的参与下进一步发生炭层的氧化分解。高温阶段，不同GF含量样品的残炭率均较1#样品增加，主要是因为GF在高温下不易分解导致。

总的来说，GF的加入会降低阻燃PP/GF材料的初始热分解温度，提高材料高温阶段热稳定性。

GF含量对燃烧性能的影响

在外部热辐射作用下，阻燃剂FR-1420通过膨胀成炭的方式，在样条表面形成隔热保护层。测试结束后，1#对比样品的炭层膨胀厚度约为2.5cm。相比1#样品，加入15%GF的2#样品的炭层膨胀厚度增至约6.2cm。

随着GF含量的增加，炭层膨胀厚度降低，4#样品的炭层膨胀厚度降低至约5.0cm。因为一方面GF在高温下比较稳定，GF的高温残留物在炭层膨胀的过程中起“炭层骨架”的作用，因此GF加入后有利于炭层膨胀厚度的增加；另一方面GF含量较高时，较多的 GF高温残留物也抑制炭层的膨胀，因此炭层膨胀厚度呈现缓慢降低趋势。

GF的加入未影响材料的各种燃烧参数，如热释放速率峰值(PHRR)，说明材料均有较好的火灾安全性。并且GF作为惰性纤维加入后，基料PP相对减少，导致燃烧过程中气相可燃物降低，高温下固相均为不可燃残渣，材料残重-时间曲线说明，GF加入后高温阶段残重更高，可燃性气态物越低，燃烧放热，产烟量则越低。同时，GF加入后也未影响材料的各种火灾安全指数，如PHRR与PHRR达峰时间的比值即火灾蔓延指数(FIGRA)，平均热辐射速率的最大值(MAHRE)等都未有较大改变。

结论

（1）无卤阻燃剂FR-1420对PP/GF材料具有较好的阻燃效果，阻燃剂含量相同的情况下，GF含量越高，材料的阻燃效果越好。

（2）GF的加入会降低阻燃PP/GF材料的初始热分解温度，提高材料高温阶段热稳定性。

（3）GF起“炭层骨架”作用，会增加锥形量热测试中炭层的膨胀厚度，GF加入会降低THR、TSP等，提高PP/GF材料的火灾安全性。

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