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不同阻燃体系在使用不同燃烧测试方法总的差异现象解析

发布时间:2019-05-28 05-28 08:57 作者:阻燃剂材料

不同体系在UL垂直燃烧测试常见的现象


  一般会发现,添加相同分数的氮磷膨胀型阻燃剂在聚乙烯和聚丙烯中,UL94的级别为会存在明显差异,阻燃聚丙烯更容易达到 UL94 V0,而阻燃聚乙烯可能仅仅才为 UL94 V2,只有加入更多的阻燃剂,阻燃聚乙烯才能够达到 UL94 V0。 出现上述情况是由于聚乙烯和聚丙烯的降解机制所引起的,聚乙烯大约在 335~450℃之间分解,其燃烧热值为 45.9MJ/kg;而聚丙烯分子结构中与叔碳原子相连的 H 活泼性大,与聚乙烯相比,降低了其热稳定性,热分解过程中,聚丙烯的分子量降低首先出现在 227~247℃之间,在 302℃以上时,分解变得显著,其燃烧热值为 44.0MJ/kg。氮磷系膨胀型阻燃剂大约在 250℃左右开始发挥效果,其与聚丙烯的匹配效果更好;而在聚乙烯中,在聚乙烯降解前,已经消耗更多的阻燃剂;同时聚乙烯的燃烧热也是大于聚丙烯的,从而最终导致上述区别。


阻燃制品通过UL 94V-0 标准并不能代表阻燃剂能够满足最终的阻燃要求。这除了燃烧法测试不全面有关,更重要的是该方法测试条件过于简单,应用考察单一  一般来说,我们测试制品的阻燃可以通过 UL 94V-0,并不能说这个阻燃制品一定具备阻燃效果。根据 UL746C 标准, 制品通过 70℃×168h 浸水后阻燃依然保持 UL94 V0 的标准, 才具有真正的阻燃意义。如果制品不能够通过 UL746C 标准,则表明制品内的阻燃剂可能存在析出以及不耐水,不能够满足长期使用的要求。    

经常看到有人直接用打火机测试挤出的样条来判断材料的阻燃性,其存在一定的合理性,也存在一定的局限性,为什么? 直接用打火机对制品进行阻燃测试,对于卤素体系,比较容易判断,因为其体系的机制决定了产品的密实程度对于阻燃效果影响不大;同样氢氧化物体系也是这样;但是对于氮磷系成炭阻燃体系,由于依靠成炭机制,产品的密实程度对阻燃影响比较大,如刚挤出的条子,其密实程度有限,内部可能存在一些气泡,对于成炭有副作用,而经过注塑后的制品其密实度大大加强,成炭效果也更加的迅速。   



不同体系在灼热丝测试中的异常现象


不同的环境下是否要求不同程度的灼热丝标准?  普通情况下的灼热丝标准如前所述。   

目前,电器对阻燃方面的要求越来越高,IEC60335 灼热丝(即无人看管电器标准)要求是灼热丝温度 750℃,2S 熄灭。

许多阻燃剂不能够稳定地做到上述阻燃,特别是传统溴系阻燃体系,由于作用机理是气相法,阻燃体系终止自由基的效率往往与种类、用量和分散挂钩,阻燃结果波动变化大,不易通过高的灼热丝温度。


但是氮磷系膨胀型阻燃剂往往能够很轻松的通过上述测试,由于其作用机理是形成连续的多孔碳层,正是依靠密闭的碳层,高效将火焰隔氧熄灭。可通过高的灼热丝温度,且延续时间往往较低,满足无人看管电器标准要求。而磷系阻燃剂由于作用机理是凝固相机理,在热丝与样件表面易形成致密的碳层和耐燃层,也有利于隔绝热氧熄灭,通过较高的灼热丝温度测试。



不同体系在UL94V-0与灼热丝的测试的异常现象的解析


在溴系阻燃 PP(十溴阻燃或八溴)中,在UL 94 垂直燃烧测试中能够满足标准,达到离火即熄的水平;即使添加过量的阻燃剂,灼热丝依然不能够达到标准;而氮磷系列膨胀型阻燃剂添加量越多,其灼热丝和UL94 V0 测试的阻燃效果都是越好;


上述情况的出现是由于阻燃剂的阻燃机理不同造成的。  溴系阻燃PP是气相法阻燃机理,通过溴系阻燃剂产生活性基团灭自由基,以及熔滴带走热量的机制实现阻燃,因此体系要达到一定温度,使阻燃剂分解,才能顺利滴落把热量带走或产生足够活性基团去灭自由基,所以体现在 850℃灼热丝比 750℃灼热丝反而更好通过;同样由于滴落因素的存在,所以通过测试的偶然性也要大很多


 采用膨胀型成碳阻燃剂却没有上述异常现象,因为阻燃体系是成碳的原理,灼热丝插入制品后,灼热丝周围成碳,阻燃剂的添加量越多,其成碳效果越好,可以达到完全没有延燃时间。所以其灼热丝测试效果与UL94 V0燃烧测试方向是一致的,不存在异常。



不同阻燃体系在氧指数和燃烧法方面的异常现象解析


氢氧化物用于 PE 能够拥有非常高的氧指数(一般都38以上) ,但是其比较难通过 UL 94 V0 或者 VW-1。氮磷系列膨胀型阻燃剂用于 PE 氧指数不算太高(一般仅仅32 左右) ,但是其较易通过 UL94 V0 或者VW-1。这种现象现象的存在,常常使一些习惯于参考LOI指标的研发人员感到很困惑。其实,这种异常现象的存在,这一方面是由于氢氧化物和氮磷系膨胀型阻燃剂阻燃机理造成的,另外一方面是由于燃烧检测方法的不同所造成的。 


氢氧化物由于依靠释放结晶水吸热阻燃,其能够降低体系的温度,从而抑制燃烧过程,但是如果氢氧化物的量不够的话,不能够熄灭火焰,所以其正好符合氧指数的测试标准,降低温度的过程,延迟了燃烧的进行,导致其有较高的氧指数,但是由于其不能完全熄灭火焰,导致其不能满足 UL94 垂直燃烧的要求。


氮磷系膨胀阻燃剂完全依靠成炭达到阻燃的目的,如果不能够完全结炭覆盖塑料表面,火焰传递速度不会变慢,所以其氧指数相对要低些,但是,一旦碳层形成,火焰就会立刻熄灭,表现 出 UL94 V0轻松达到。  


了解产品的实际使用环境,了解产品阻燃的检测方法和标准,并配合了解材料的燃烧特点及阻燃剂的阻燃机制,可以帮助我们更方便的制造出符合实际要求的阻燃高聚物。


 特别是对于习惯于依赖一种测试方法来判定产品的阻燃效能的人们而言,充分了解上述不同阻燃体系和不同测试方法的异常问题,对正确判定配方设计是否达到用户要求有很大的帮助。



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