一种评价阻燃性中阻隔效应的新方法

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简介:  一般而言,阻燃聚合物的燃烧涉及几种阻燃模式:如抑制火焰、气相或凝聚相的稀释、释放出吸热性的水分子冷却凝聚相的温度、阻隔效应等。对于给定的材料,评价每一种阻燃模式的效果对正确理解其燃烧性能是十分重要 ...
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  一般而言,阻燃聚合物的燃烧涉及几种阻燃模式:如抑制火焰、气相或凝聚相的稀释、释放出吸热性的水分子冷却凝聚相的温度、阻隔效应等。对于给定的材料,评价每一种阻燃模式的效果对正确理解其燃烧性能是十分重要的。在这篇文章中我们提出了一种简单的,经验性的评价阻隔效应的新方法,该方法能将阻隔效应与其他效应区别开来。这种方法是基于锥型量热仪和PCFC小型量热仪所得到的热释放速率数值的比较,由Lyon和Walters最近开发的。我们的方法考虑了在锥型量热仪中起作用而在PCFC小型量热仪中不起作用的一些阻燃效应。比如,尺寸为10*10*0.4 cm3的样品其阻隔效应在锥型量热仪中就能起作用,而在PCFC小型量热仪中,由于样品质量在1-2mg,阻隔效应就不起作用。
  相较而言,自由基捕捉和吸热效应等延缓材料热降解的阻燃效应在两种仪器中都能起作用。在锥型量热测试中,由于阻燃剂的加入所导致的热释放速率峰值pHRR(或HRC/sumHRC)的降低值就应该比在PCFC小型量热仪中所得到的降低值更高(或至少相等)。我们做如下定义:R1,为在同一功率下,阻燃样品在PCFC小型量热仪测试中得到热释放峰值(HRC)与未阻燃样品得到的峰值的比值;相应的,R2为在同一功率下,阻燃样品在锥型量热仪中得到的热释放速率峰值(pHRR)与未阻燃样品得到的峰值的比值。将R1(Y轴)R2(X轴)作图,就可以得到阻燃剂的相应阻燃模式的有用信息。Figure 1是我们实验室对超过50种阻燃样品测试得到的结果。测试用高分子材料为PMMA、EVA、PA6、PA12/SEBS和不饱和聚酯。所用阻燃剂或纳米粒子为ATH、MDH、Al(OH)3、Al2O3、TiO2、纳米硅粒子、蒙脱土、聚磷酸铵、三聚氰胺磷酸盐、硼酸锌、碳纳米管中的两种或三种。
  从实验结果数据和图表我们发现,大部分点都落在了Y=X这条线之上。这条线对应的是两种测试手段所得到的pHRR相等时的线。从而我们可以更加确定我们的假设:即pHRR在锥型量热仪测试中其降低值比在PCFC小型量热仪测试中更高。仅有几个点在Y=X线之下,这可能是由一些不确定的数据造成的。现在我们可以对一些聚合物-添加剂体系作更详细的研究。在这里,以EVA-MDH体系为例。在EVA中,MDH是种常用高添加量(60 wt%)的添加剂。在此添加量下,MDH不仅可以在凝聚相中起到稀释填料的作用(即可燃的高分子相对减少),也可以作为隔热层,阻隔可燃气体的扩散和热的传导。将Evatane 2830和MDH Magnifin H10经过双螺杆挤出及注塑成型得到尺寸为10*10*0.4 cm3的样品用于锥型量热测试(功率为50kW/m2)。同时对上述样品进行PCFC小型量热测试。Figure 2为R1- R2的趋势线。在PCFC测试中,EVA显示有两个释热峰值,对于计算R1更为方便。从图中可以发现,随着MDH添加量的增加,曲线渐渐地移向Y=X这条线。当MDH添加量较低时,释热峰值的降低值在两种测试方法中基本相等。另外,sumHRC的降低值与MDH的添加量相当。因此,我们可以得到如下结论:MDH在这里只是起到稀释填料的作用。在高添加量下,在锥型量热测试中,释热峰值pHRR的降低值比sumHRC的降低值更重要:可以假设阻隔效应起到作用,而且该效应越来越明显。这种方法还可以分别计算稀释效应和阻隔效应对pHRR的影响。在PCFC测试中,sumHRC的降低值可以完全归因于MDH的稀释效应。在锥型量热测试中的进一步降低则可以归因于阻隔效应。以EVA-MDH 40-60样品为例,在PCFC测试中sumHRC的降低了55%,而在cone测试中降低了74%。因此,稀释效应部分就等于(55/74)*100 = 74 %,而阻隔效应部分则为[(74-55)/74]*100 = 26 %。其他的阻燃效应也可以根据上述方法计算得到。特别是由于材料的辐射系数限制了材料吸收热量的大小,故其在锥型量热测试中对材料的燃烧性质有很大的作用。当材料的表面辐射系数改变,材料的点燃时间和pHRR都可以相应地改变。相反,在PCFC测试中材料的表面辐射系数就不能起到任何作用。因此,对于给定的材料,这种方法可以用来确定表面辐射系数对pHRR减少起到何种作用。

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