阻燃剂通常可分为卤系阻燃剂与无卤阻燃剂。卤系阻燃剂是最早应用于塑料工业中的阻燃剂,因为其良好的特性而被广泛使用。但是,含溴、氯的阻燃剂在燃烧的过程中容易释放出有毒以及具有腐蚀性的气体,对人类的健康和环境造成了严重影响,因此无卤阻燃成为研究的必然选择。无卤阻燃剂受热分解时产生低毒、低烟的气体,而且阻燃效果又好,所以在环保的要求上这类阻燃剂备受青睐。通常无卤阻燃剂可分为DOPO衍生物、膨胀型无卤阻燃剂、氮系阻燃剂、磷系阻燃剂等。其中磷系阻燃剂中具有阻燃和增塑双重功效的有机磷阻燃剂,它可以使阻燃完全实现无卤化,改善塑料成型中的流动性能,抑制燃烧后的残余物,产生的毒性气体和腐蚀性气体比卤素阻燃剂少,自然而然成为人们的又一个良好选择。关于磷系阻燃剂在聚合物燃烧过程中发挥阻燃的机理的研究有不少,但普遍认可的有3种。
(1)气相阻燃机理
含磷的阻燃剂在火焰中分解成小分子量组分,例如P, PO, PO 2 和 HPO 2 ,这些组分会与气相火焰区中的H·和OH·相互作用,从而减缓了燃烧链反应进度[3]。磷系阻燃剂在阻燃过程中可产生水蒸气,它可以降低聚合物的表面温度、稀释可燃物的浓度,从而发挥阻燃作用。
(2)凝聚相阻燃机理
在凝聚相中延缓或阻止可燃性固体产生可燃气体的分解反应或者凝聚相表面的燃烧反应[4]。磷系阻燃剂在固体中延缓或阻止聚合物的热分解,这种热分解会产生可燃性气体以及保持链式反应的自由基。加入磷系阻燃剂的聚合物在燃烧时会在其表面生成具有隔热、隔氧作用的多孔炭层,可阻止可燃气体进入燃烧气相,从而使得燃烧熄灭。
(3)协同阻燃机理
当磷系阻燃剂与另外一种阻燃剂使用时,其阻燃的效果要大于单一组分的阻燃效果之和,即为协同效应。目前被证实的具备协同效应的阻燃剂有很多,例如磷-磷协同、磷-卤协同等。
关于PC/PBT合金的阻燃研究报道相对较少,一般采用苯基磷酸酯、纳米层状硅酸盐硅氧烷等作为阻燃剂。周延辉等[5]采用间苯二酚-双(磷酸二苯酯)(RDP)和双酚A -双(磷酸二苯酯)(BDP)阻燃PC/PBT合金,考察了其对PC/PBT合金的阻燃性能、力学性能以及热释放行为的影响。研究结果表明,当RDP和BDP的用量为10%时,PC/PBT合金的UL94测试能达到 V-0 级,不过加入BDP的体系的力学性能优于加入RDP的体系。热释放行为的结果表明,RDP的阻燃作用是气相与凝聚相作用相互结合,而BDP主要为凝聚相阻燃作用,因为BDP可显著抑制PC/PBT合金的酯交换反应,从而使其产生较好的力学性能。雷彩虹[6]等研究了PC/PBT合金在升温和降温过程中的酯交换反应, 将有机硅磷酸酯和亚磷酸三苯酯(TPPi)对PC/PBT合金酯交换反应的抑制作用进行相互比较, 并研究了其热性能以及力学性能的影响。研究结果表明, 有机硅磷酸酯可以抑制PC/PBT合金的酯交换反应,并且还会提高PC/PBT共混体系的热稳定性。
本文选用磷酸三苯酯(TPP)作为PC/PBT的阻燃剂,采用极限氧指数(LOI)、UL-94垂直燃烧研究TPP对PC/PBT阻燃性能的影响。通过热失重分析阻燃PC/PBT合金的热降解过程,应用扫描电镜观察其燃烧炭层形貌,初步探讨了该阻燃PC/PBT合金体系的阻燃作用机理。