基本信息
- 项目名称：
- 新型大分子三嗪系膨胀阻燃剂及阻燃聚丙烯材料
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明设计合成一种三嗪大分子成炭发泡剂，并提供一种环保无卤膨胀阻燃剂对聚丙烯材料进行膨胀阻燃。添加该膨胀阻燃剂的聚丙烯复合材料耐水性高，且燃烧时不释放有毒及侵蚀性气体。解决了耐水膨胀阻燃的技术难题，对膨胀阻燃聚丙烯在电子电器、电线电缆等领域的广泛应用提供了强有力的技术支撑。 本发明的膨胀阻燃剂添加到聚丙烯材料中，0.8mm厚样条的垂直燃烧性能即可达到UL-94 V0的高阻燃级别。
- 详细介绍：
- 为了减少火灾的发生及火灾的危害，世界各国都投入大量的人力和物力，致力于阻燃剂和阻燃材料的研究和应用，阻燃材料也确实能够减少火灾的危害。美国国家技术和标准研究院（NIST）通过研究典型的阻燃材料和非阻燃材料后发现，发生火灾后，阻燃材料比非阻燃材料多赢得15倍的逃生时间，阻燃材料的放热量仅为非阻燃材料的1/4，阻燃材料燃烧时的质量损失速率为非阻燃材料的1/2，阻燃材料燃烧时的放出的有毒气体量（折合为CO的量）仅为非阻燃材料的1/3，阻燃材料燃烧时放出的烟与非阻燃材料大致相同。因此，阻燃材料的火灾安全性能显著提高了。 现在，人们日益认识到，合理的材料阻燃是减少火灾的战略措施之一，而且阻燃、抑烟和减毒是可以同时实现的，是关系到“环境和人类”的重大举措，合成材料的发展及其应用领域的扩大，为阻燃剂的发展提供了广阔市场，法规的健全也为阻燃剂的应用提供了法律保证。 目前国内塑料改性用阻燃剂近80%为含卤阻燃剂，其中以多溴二苯醚和多溴联苯类物质为代表，溴系阻燃剂效率高、用量少，对材料的性能影响小，且价格适中。和其它类型的阻燃剂相比，其效能/价格比更具有优越性，我国供出口电子电气类产品中70%～80%都用此类阻燃剂。但溴-锑阻燃体系在热裂解及燃烧时会生成大量的烟尘及腐蚀性气体，而且近年欧盟一些国家认为溴系阻燃剂燃烧时会产生有毒致癌的多溴代苯并恶瑛(PBDD)和多溴代二苯并呋喃(PBDF)，2003年2月，欧盟出台了RoHS和WEEE两个禁令，其中RoHS是限制有害物质的禁令(The Restriction of Hazardous Substances Directive)，它规定自2006年1月1日起，在欧盟国家销售的所有电子电气设备，不能含有多溴联苯及多溴二苯醚。 为了应对欧盟的RoHS和WEEE两个禁令，我国加大了对环保阻燃剂的开发和国外技术的引进，涌现出一批生产和销售环保阻燃剂的厂家，但是大多数生产环保阻燃剂的技术，都是国外引进的，而且也是一些很普通的技术，并需要付大笔的技术授权费用，真正的高端阻燃剂的生产技术，我们并没有掌握，而国内自主研发的阻燃剂，产业化的并不是很多，而且性能一般，从而并没有真正打破国外对阻燃剂市场的垄断，严重的影响了我国许多行业的发展和经济的增长，因此对于高性能环保阻燃剂的研发和产业化显得十分迫切。 根据以上的综述分析，膨胀型阻燃剂具有很多优点，相对于其它类型的阻燃剂，膨胀型阻燃剂无疑是目前最佳而且高效的无卤、环境友好型阻燃剂，也是今后聚丙烯阻燃的一个发展方向，而且更适合于对环境保护的发展趋势。膨胀阻燃聚丙烯的研究，是一个很重要的研究课题，对加速膨胀阻燃剂的实际应用，加快无卤化进程有着重要的意义。但膨胀阻燃剂的缺点也很明显，即阻燃效率不高，添加量较大，自身热稳定性差，耐水性差等。本实验室经过多年的研究，目前已成功合成出一种三嗪类大分子成炭发泡剂(CFA)，经过初步研究，发现由其复配的膨胀阻燃剂具有很好的阻燃能力并且具有良好的热稳定性，佳木斯沃尔德电缆有限公司已进行工业化生产。 本实验室前人合成并已实现产业化的成炭剂CFA具有无卤高效的优点，但其与聚合物的相容性较差且耐水性能不佳，大大限制了聚合物的应用范围。本作品着眼于解决产业化过程中实际遇到的问题，通过改变原有CFA的结构，使合成产物的吸湿性降低，从而提高了添加该成炭剂的聚合物的耐水性。同时，改进后的结构能够提高该成炭剂与非极性的聚丙烯的相容性，在加工过程中可以更好地分散在聚丙烯中。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 由于对材料的抑烟减毒要求日益严格，许多传统阻燃剂面临困境，而膨胀阻燃剂具有绿色环保、高效、低烟低毒、添加量低及对聚合物机械性能影响较小等优点，目前是阻燃领域研究的热点。 虽然膨胀阻燃剂具有以上许多优点，但目前研发出的无卤膨胀阻燃剂极性大，吸湿性强，加工过程中与聚合物的相容性较差，导致材料快速挤出时表面光滑度差。基于这些原因，限制了聚丙烯的应用。 本发明合成具有创新结构的三嗪系大分子成炭剂，通过向三嗪环上引入疏水基团，使合成产物的吸湿性降低，提高了添加该三嗪系大分子成炭剂的聚合物的耐水性。同时，引入的新基团为非极性基团，能够提高该三嗪系大分子成炭剂与聚丙烯的相容性，因此在加工过程中可以更好地分散在聚合物中，扩展了聚丙烯的应用范围。 本作品的创新点：1、合成出结构新颖的三嗪大分子，合成工艺简单连续。2、给出一种膨胀阻燃剂的最佳协效复配比例，找出了符合本膨胀体系的协效效果优秀的协效剂并确定其添加量，可使0.8mm厚的膨胀阻燃聚丙烯样条垂直燃烧达到UL-94-V0级。3、合成的新型三嗪大分子结构中含有疏水基团，从而提高了阻燃聚丙烯材料的耐水性，大大扩展了膨胀阻燃聚丙烯的应用领域。 技术关键在于合成出结构新颖的三嗪大分子以及合成工艺；寻找出适合的协效效果优秀的膨胀阻燃协效剂并得出含有该三嗪系成炭剂的膨胀阻燃剂最佳协效配比，最终得到环境友好、高效的阻燃聚合物材料。主要技术指标为：氮含量、热分解温度、垂直燃烧、氧指数、耐水性和力学性能。
科学性、先进性
- 本作品着眼于解决生产实际中遇到的问题，新结构的成炭剂耐水性提高，同时能够提高与非极性聚合物的相容性，在加工过程中可以更好地分散在聚丙烯中。 本作品合成三嗪系成炭剂并复配成膨胀阻燃剂，相对传统的卤系阻燃剂具有绿色环保的突出优点；相对无机阻燃剂具有添加量低、与基材相容性好并对材料力学性能影响小的优势；相对现有膨胀阻燃剂，仅仅添加18~20份阻燃剂在聚丙烯中，就能通过UL-94-V0级，氧指数35%以上，且经过耐水性实验，该材料仍然能通过UL-94-V0级，在这么低的添加量下，如此高效的阻燃性能，高的耐水性，是其他膨胀阻燃剂所不具有的。 目前要使1.6mm厚样条达到UL-94-V0的高阻燃级别，国际上一般需要在材料中加入20%～28%的阻燃剂，国内的添加比例一般在26%～30%。本发明的膨胀阻燃剂添加18%～20%，就可以达到V0级，大大提高了阻燃剂的效率。 将本作品的膨胀阻燃剂添加到聚丙烯中，可使0.8mm厚样条垂直燃烧达V0级，氧指数在36%以上。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年本学校第十二届“挑战杯”课外学术作品竞赛二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利技术
作品可展示的形式
- 图片，录像，实物、产品，样品，现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 将本产品与聚磷酸铵、协效剂和加工助剂按一定比例复配成膨胀阻燃剂，添加到聚丙烯中，添加量在18%～20%时就可达到UL-94V-0级。 本作品属高新技术、替代国外产品的高科技含量产品。用于应用最广、产量最大的两大通用塑料——聚乙烯和聚丙烯的阻燃。环保膨胀阻燃材料主要应用于建筑材料、电线电缆、塑料化工厂及电子元器、家电制造业、家具制造业、汽车制造业等领域。目前我国阻燃剂市场供不应求，市场供应缺口达10万吨之多，而环保高效型阻燃剂产品尤其欠缺。可以看出，无卤膨胀阻燃材料具有良好的发展形势，将会成为阻燃材料市场的主导者。 运用创新技术提高体育场馆座椅、电器产品的阻燃能力，同时确保阻燃剂在火灾发生时安全又环保，对人体不造成任何伤害。将此阻燃剂加入到电器产品、大型娱乐和体育场馆座椅、包装材料、环保发泡材料、电缆护套、涂料、特种橡胶等塑料制品后，可大大提高制品的阻燃级别。 本产品目前已成功完成工厂中试，可进行大量生产。据企业预测，该成果至少会带来几亿元的产值。
同类课题研究水平概述
- 膨胀型阻燃剂包括单组份膨胀型阻燃剂和混合膨胀型阻燃剂。 单组份膨胀型阻燃剂集酸源、炭源和气源于同一分子内，研究尚处于起步阶段，其中比较成熟和已经工业生产的有以下几种，为美国Greak lake公司开发的CN-329 (用作聚丙烯的阻燃)，美国Monsanto公司销售的XPM-1000 。 混合膨胀型阻燃剂是由个别的酸源、炭源及气源组成的混合物。现在美、意等国的一些混合膨胀型阻燃剂己经商品化，其中有代表性的当推Hoechest Celanese公司的Exolit IFR-10、 Exolit IFR-11及Montedison公司的Spinflam MF82，此两者均适用于阻燃PE及PP，当用量为25%～30%时，阻燃材料氧指数可达30%，阻燃级别达UL94V-0级，生烟量与未阻燃材料相仿。近几年，有不少改进的新品种出现，如Hostaflam AP-750, Melapur PA-90及Melapur P46。 近年来，国内外对膨胀阻燃剂（IFR）的研究很活跃，膨胀型阻燃体系及阻燃机理的研究取得了较大的进展。由于在传统的以聚磷酸胺（APP）为基础的IFR体系中，成炭剂季戊四醇具有易迁移以及在加工中会与APP反应生成磷酸酯等的缺点，因此目前IFR的开发主要集中在新型成炭剂的研制上。 目前要达到UL-94V-0级的高阻燃级别，国际上一般需要在材料中加入20%～28%的阻燃剂，国内的添加比例一般在26%～30%。
