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无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料:制备工艺、性能探究与前景展望

一、引言

1.1研究背景与意义

聚乙烯泡沫塑料凭借其质量轻、隔热性能和隔音性能好、比强度高、具有吸收冲击载荷能力、价格低廉以及节省材料等诸多优点,在众多领域得到了广泛应用,如精密仪器仪表、家用电器、绝热容器以及包装材料等。然而,聚乙烯本身极限氧指数很低,极易燃烧,在发泡处理后,随着密度的降低,极限氧指数更低。这一易燃特性使其在应用中存在较大的安全隐患,一旦发生火灾,聚乙烯泡沫塑料会迅速燃烧,释放大量热量和有毒烟雾,不仅会加速火势蔓延,还会对人员的生命安全和环境造成严重威胁。

在过去,为了提高聚乙烯泡沫塑料的阻燃性能,卤系阻燃剂曾被广泛使用。卤系阻燃剂虽能有效提高材料的燃点,在燃烧时通过散发出卤化气体迅速吸收氧气来灭火,但其缺点也十分显著。当释放出的氯气浓度较高时,会导致能见度急剧下降,使人无法识别逃生路径,同时氯气具有很强的毒性,会严重影响人的呼吸系统。含卤聚合物燃烧释放出的卤素气在与水蒸汽结合时,会生成腐蚀性有害气体(卤化氢),对设备及建筑物造成腐蚀。而且,卤素系阻燃剂已经成为日常环境中到处扩散的污染物,对环境与人类的威胁日益升高,在燃烧与加热过程中释放的有害物质,更是威胁到人类身体健康、环境和下一代子孙。随着环保意识的不断增强和相关法规的日益严格,如欧盟2011/65/EU限用含溴的阻燃剂(PBB≤1000mg/kg,PBDE≤1000mg/kg),卤系阻燃剂的使用受到了越来越多的限制。

在此背景下,无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料应运而生。无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料不仅克服了卤系阻燃剂的危害,具有环保、低烟、低毒等优点,还能有效提高聚乙烯泡沫塑料的阻燃性能,降低火灾风险。在电子电器领域,使用无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料作为外壳或内部组件材料,可减少火灾发生时有毒气体的释放,保护人员安全和设备完好;在建筑领域,将其应用于保温隔热材料,能在满足保温需求的同时,提高建筑物的防火安全性。因此,开展无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料的制备与性能研究具有重要的现实意义,对于推动相关产业的可持续发展、保障人们的生命财产安全以及保护环境都具有不可忽视的作用。

1.2国内外研究现状

在国外,对无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料的研究开展较早,取得了一系列成果。部分研究通过添加无机阻燃剂,如氢氧化镁、氢氧化铝等,利用其受热脱水吸热并产生水蒸气的特性,稀释可燃气体,同时分解产生的氧化物促进聚合物碳化,从而达到阻燃目的。有研究发现,当氢氧化铝与氢氧化镁的比例为1:1,用量为45份时,聚乙烯护套材料的极限氧指数可达到31%。也有研究采用有机磷系阻燃剂,如磷酸酯,其在温度升高时分解产生结构稳定的炭化层或固体物质,阻止燃烧。此外,膨胀型阻燃体系也受到广泛关注,通过形成膨胀型炭层来隔绝热量和氧气,提高材料的阻燃性能。

国内在这方面的研究近年来也发展迅速。有学者通过配方筛选,采用化学交联一步模压法,成功制备了添加无机阻燃剂、偶联剂、磷系阻燃增塑剂、交联剂和发泡剂等的无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料。研究发现,增塑剂能降低复合材料发泡前的熔点,改善熔融流动性;偶联剂可改善有机相与无机相的相容性;并找到了交联剂和发泡剂的合适添加量。还有研究利用石墨烯改性无卤阻燃低密度聚乙烯,通过控制石墨烯的添加量来研究其对阻燃聚乙烯性能的影响,发现材料熔体的流动性能下降了30%,断裂强度提高了16%,断裂伸长率下降了36%,极限氧指数数值提高了0.9%。

然而,现有研究仍存在一些不足。一方面,部分无卤阻燃体系虽然能提高阻燃性能,但会对材料的其他性能,如力学性能、加工性能等产生较大负面影响;另一方面,对于一些新型阻燃剂或阻燃体系的协同作用机理研究还不够深入,难以实现对阻燃性能的精准调控。本研究将针对这些不足,以开发综合性能优异的无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料为目标,通过优化制备工艺、探索新型阻燃剂及阻燃体系的协同作用等方面开展研究,期望在提高阻燃性能的同时,尽量减少对其他性能的不利影响,并深入揭示阻燃机理。

1.3研究内容与方法

本研究的具体内容主要包括以下几个方面:首先,对无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料的制备工艺进行优化。通过改变交联剂、发泡剂、阻燃剂等添加剂的种类和用量,以及调整加工温度、时间和压力等工艺参数,研究其对泡沫塑料泡孔结构、密度、力学性能等的影响,确定最佳的制备工艺条件。其次,深入研究无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料的性能。采用极限氧指数仪、锥型量热仪等设备,测试材料的燃烧性能,如氧指数、热释放速率、总烟释放量等;利用拉伸试验机、冲击试验机等,分析材料的力学性能;通过热重分析仪研究材料的热稳定性。最后,对无卤阻燃聚乙烯泡沫塑料的阻燃机理进行分析。借助扫描电镜、红外光谱仪、热裂解气质联用仪等仪器,观察燃烧后的微观结构,分析燃烧残留物的化学成分,探究阻燃

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