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学术论文-阻燃塑料用聚磷酸铵粉体的改性处理

发布日期:2012年4月10日

阻燃塑料用聚磷酸铵的改性处理

道奇威(成都)科技有限公司  章斌  610015

 

1、前言

聚磷酸铵又称多聚磷酸铵或缩聚磷酸铵,英文名为ammonium polyphosphate,因此简称为APP聚磷酸铵属于无分支的长链聚合物,分子结构通式为(NH4)n+2PnO3。聚磷酸铵是一种含NP的聚磷酸盐,按其聚合度可分为低聚、中聚以及高聚3种,按其结构可以分为结晶形和无定形,结晶态聚磷酸铵为长链状水不溶性盐。

聚磷酸铵为白色结晶或无定形微细粉末。聚磷酸铵无毒无味,不产生腐蚀气体,吸湿性小,热稳定性高,是一种性能优良的非卤阻燃剂1965美国孟山都公司首先开发成功。从20世纪70年代初,本、前西德、前苏联等开始大量生产,我国从20世纪80年代开始研制该类产品,主要用途为阻燃剂,以替代传统的 含卤阻燃剂。

聚磷酸铵的含磷量高达30%32%,含氮为14%16%。这类阻燃剂最突出的特征是燃烧时的生烟量极低,不产生卤化氢。用作阻燃剂用途的聚磷酸铵属于结晶态APP,是一种不溶于水的长链状聚磷酸铵盐。APP含磷量大、含氮量高,磷氮体系产生协同效应,阻燃性好。应用过程中具有不挥发性,不产生腐蚀性气体,效果持久,安全性能好等优点。聚磷酸铵具有较强的吸湿性,容易团聚。而要发挥聚磷酸铵的优异阻燃性能,良好的分散性是前提,即聚磷酸铵必须均匀而稳定的存在于应用体系中。聚磷酸铵主要的应用领域有:塑料、防火涂料、聚氨酯泡沫、灭火剂等,其中阻燃塑料的潜在用量最大。因此本文将着重介绍阻燃塑料用聚磷酸铵的表面改性处理

2、阻燃塑料用聚磷酸铵的表面改性处理要求

阻燃塑料用途的聚磷酸铵主要强调两个应用指标:高粘分散性和易加工性。

2.1、高粘分散性:

为了提高塑料型材的强度并降低成本,增加塑料的阻燃性能,阻燃塑料配方中的无机填料添加量越来越大,树脂的比例越来越小,各组份间的相容性和润滑性就越发困难,容易导致塑料的混合粉料在高温混炼阶段的粘度太大,无法彻底塑化,即无法均匀分散。聚磷酸铵粉体分散性主要受分子间作用力,极性吸附,颗粒细度等因素影响。用于塑料的聚磷酸铵粉体,聚磷酸铵粉体的粒径一般为10微米左右。这种细小颗粒具有较大的比表面积和吉布斯自由能,处于热力学不稳定的状态。当把聚磷酸铵粉体加入到树脂体系中时,由于临近粒子间的极性吸附和范德华力的作用,粒子有相互靠近,降低总比表面积和表面自由能的趋势,从而使聚磷酸铵粉体颗粒一般以团聚体形态存在。对于未进行表面有机改性处理的聚磷酸铵粉体,在与树脂一起混炼时 ,聚磷酸铵粉体很难分散,即使在高温高速捏合时能分散开,一旦捏合终止,它又会慢慢变成多聚体。为了提高聚磷酸铵粉体的分散稳定性,必须消除或削弱其表面极性和降低其表面自由能。建议采用具有较低自由能和易于扩展润湿的非离子性有机硅处理剂进行表面改性处理。这类有机硅处理剂一般含有长链脂肪链,可提高聚磷酸铵粉体与树脂的相容性,降低聚磷酸铵粉体的表面张力以提高相容性;同时它还可以屏蔽聚磷酸铵粉体表面的极性基团(如羟基),在聚磷酸铵粉体表面生成位阻官能团,阻止聚磷酸铵粉体颗粒相互靠近,增加团聚的难度,从而达到稳定分散的目的,防止粉体返粗。另外,有机硅表面处理剂一般还具有很好的助磨功能,可以有效降低聚磷酸铵粉体颗粒的粒径和提高粒径的分布均匀性,从而进一步提高聚磷酸铵粉体在树脂中的分散性。

2.2、易加工性:

阻燃塑料生产企业对聚磷酸铵粉体的加工指标主要有两个:熔融指数和干粉流动性。熔融指数主要由聚磷酸铵粉体的润湿润滑性能和吸油量决定。润滑性越好,则聚磷酸铵粉体与树脂的复合体的流动性就好,熔融指数就高,加工就更方便。吸油量越低,润湿等量聚磷酸铵粉体的树脂就少,塑料体系的粘度就低,易于混炼均匀。优异的干粉流动性主要是为了便于使用,减少浪费。要提高熔融指数,就必须对其进行表面有机改性处理,以提高其润湿润滑性能,并进一步降低吸油量。改性聚硅氧烷具有很好的润湿润滑性能,可以显著提高熔融指数,同时,改性聚硅氧烷还可以在聚磷酸铵粉体表面形成一层疏水的,非极性有机硅膜层,可以防止聚磷酸铵粉体颗粒因极性吸附或因吸潮而造成的团聚,从而提高其干粉流动性。

3、阻燃塑料用聚磷酸的改性处理的方法

 3.1、粉体改性剂的介绍

根据阻燃塑料用聚磷酸铵粉体的特殊要求,特别是耐温性问题的突出性。相对于普通用途的聚磷酸铵粉体的有机处理来讲,阻燃塑料用途的聚磷酸铵粉体的有机处理必须重点考虑处理剂的耐温性能。建议选择改性聚硅氧烷作为聚磷酸铵粉体的表面改性剂,如道奇威公司的PT-108粉体改性剂。

下表是PT-108粉体改性剂热重损失分析表:

表面改性剂指标

初始(%

1501h

2001h

2500.5h

3000.5h

不挥发物

100%

100%

100%

100%

99.0%

颜色

无色透明

无色透明

无色透明

无色透明

无色透明

从表中可以看出,PT-108粉体改性剂在300度以内,重量基本上无变化, 而且颜色基本无变化,一直为无色透明状。

   PT-108粉体改性剂是特殊聚硅氧烷和改性聚硅氧烷的复配物,可以在聚磷酸铵粉体表面形成一层非极性的,具有极佳的润湿性能和润滑性能的有机硅膜层。实际应用证明该膜层具有以下优点:

·    帮助聚磷酸铵粉体颗粒在粉碎时向球形结构转化,提高聚磷酸铵粉体在阻燃塑料中的分散性能。

·    降低吸油量,增强润滑性,显著提高熔融指数。

·         提高干粉流动性,易于添加,减少残留。

PT-108主要产品指标

参数

单位

数值

外观

 

无色透明液体

有效含量

%

100%

比重

g/ml

0.97

 

3.2、粉体改性剂应用方法

   PT-108粉体改性剂的添加比例为0.5-1.5%PT-108粉体改性剂在粉碎设备(如雷蒙磨、球磨机、气流粉碎机)或喷雾干燥机的进料口计量滴加。

雷蒙磨、球磨机等粉碎设备的添加工位示意图:

 

 

 

     

 

 

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