磷铝分子筛对膨胀阻燃聚丙烯复合材料阻燃与热稳定性能影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.12.010

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (12): 65-70.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.12.010

磷铝分子筛对膨胀阻燃聚丙烯复合材料阻燃与热稳定性能影响

龚绍峰(), 滕霞, 唐武飞()

湖南省生物质资源综合开发利用工程技术研究中心，化学与生物工程学院，湖南科技学院，湖南永州 425199

收稿日期:2022-08-30 出版日期:2022-12-26 发布日期:2022-12-20
通讯作者: 唐武飞（1987-），男，博士，高级工程师，buctfiresafetytwf@163.com
E-mail:simon.gong@huse.edu.cn;buctfiresafetytwf@163.com
作者简介:龚绍峰（1981-）,男，博士，讲师，simon.gong@huse.edu.cn

Effect of AlPO⁃based zeolites on flame⁃retardancy and thermal stability of polypropylene composites

GONG Shaofeng(), TENG Xia, TANG Wufei()

Hunan Engineering Technology Research Center for Comprehensive Development and Utilization of Biomass Resources，College of Chemistry and Bioengineering，Hunan University of Science and Engineering，Yongzhou 425199，China

Received:2022-08-30 Online:2022-12-26 Published:2022-12-20
Contact: TANG Wufei E-mail:simon.gong@huse.edu.cn;buctfiresafetytwf@163.com

摘要/Abstract

摘要：

通过水热合成法制备了系列不同结构类型的磷铝分子筛（AlPO⁃n，n=5， 11， 17， 34），并通过熔融挤出共混，将系列AlPO⁃n分子筛应用到膨胀阻燃聚丙烯（PP/IFR）复合材料中，致力改善其阻燃和热稳定性能。利用极限氧指数仪、水平垂直燃烧仪、锥形量热仪和万能试验机分别测试材料的阻燃性能和力学性能。结果表明，AlPO⁃n分子筛可改善PP/IFR复合材料的相关性能，其中AlPO⁃17（1 %，质量分数，下同）相对其他类型磷铝分子筛能明显改善PP/IFR复合材料的阻燃和热稳定性能，复合材料的极限氧指数和600 ℃的残炭率相对于PP分别提高至34.8 %和14.3 %。

关键词: 磷铝分子筛, 聚丙烯, 阻燃, 热稳定性

Abstract:

AlPO⁃based zeolites （AlPO⁃n， n=5， 11， 17， and 34） were prepared through hydrothermal synthesis. The obtained products were incorporated into polypropylene （PP） to prepare the intumescent flame⁃retardant composites for enhancing its flame retardancy and thermal stability. The flammability and mechanical properties of the composites were evaluated through limiting oxygen index， vertical burning test， cone calorimetry， and tensile test. The results indicated that the PP composite containing 1 wt % AlPO⁃17 achieved a significantly enhancement in LOI and char residue， which increased by 34.8 % and 14.3 %， respectively， compared to pure PP.

Key words: AlPO?based zeolites, polypropylene, flame retardancy, thermal stability

中图分类号:

TQ 325.1⁺4

龚绍峰, 滕霞, 唐武飞. 磷铝分子筛对膨胀阻燃聚丙烯复合材料阻燃与热稳定性能影响[J]. 中国塑料, 2022, 36(12): 65-70.

GONG Shaofeng, TENG Xia, TANG Wufei. Effect of AlPO⁃based zeolites on flame⁃retardancy and thermal stability of polypropylene composites[J]. China Plastics, 2022, 36(12): 65-70.

图/表 15

样品	磷源	铝源	模板剂	晶化温度/℃	晶化时间/h
AlPO⁃5	磷酸	异丙醇铝	三乙胺	180	24
AlPO⁃11	磷酸	异丙醇铝	二正丙胺	180	48
AlPO⁃17	磷酸	异丙醇铝	环己胺	200	96
AlPO⁃34	磷酸	氢氧化铝	吗啉	195	120

表1 AlPO⁃n合成原料及晶化条件

Tab.1 Synthesis materials and crystallization conditions of AlPO⁃n

样品	n_Al/mol	n_P/mol	n_R/mol	n $H 2 O$ /mol
AlPO⁃5	2	2	2.0	50
AlPO⁃11	2	2	1.0	50
AlPO⁃17	2	2	1.0	60
AlPO⁃34	1	1	1.25	50

表2 AlPO⁃n合成配比

Tab.2 The ratio of preparation for AlPO⁃n

样品编号	PP/%	IFR/%	AlPO⁃5/ %	AlPO⁃11/%	AlPO⁃17/%	AlPO⁃34/%
1^#	100	0	0	0	0	0
2^#	75	25（APP∶PER=2∶1）	0	0	0	0
3^#	75	25（APP∶PER=3∶1）	0	0	0	0
4^#	75	25（APP∶PER=4∶1）	0	0	0	0
5^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	1	0	0	0
6^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	1	0	0
7^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	0	1	0
8^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	0	0	1

表3 PP/IFR/AlPO⁃n复合材料体系配比

Tab.3 The formulation of PP/IFR composites containing AlPO⁃n

图1 不同孔径结构AlPO⁃n的XRD曲线

Fig.1 XRD patterns of AlPO⁃n with different pore size

图2 不同孔径结构AlPO⁃n的FTIR谱图

Fig.2 FTIR of AlPO⁃n with different pore size

AlPO⁃n类型	AlPO⁃5	AlPO⁃11	AlPO⁃17	AlPO⁃34
S_BET/m²·g^-1	274	210	642	341

表4 AlPO⁃n的SBET

Tab.4 SBET value of AlPO⁃n

样品	PP/%	IFR/%	AlPO⁃5/%	AlPO⁃11/%	AlPO⁃17/%	AlPO⁃34/%	LOI/%	UL 94
1^#	100	0	0	0	0	0	17.9±0.2	NR
2^#	75	25（APP∶PER=2∶1）	0	0	0	0	29.5±0.2	V⁃2
3^#	75	25（APP∶PER=3∶1）	0	0	0	0	30.8±0.2	V⁃2
4^#	75	25（APP∶PER=4∶1）	0	0	0	0	28.8±0.2	V⁃2
5^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	1	0	0	0	32.6±0.2	V⁃0
6^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	1	0	0	33.1±0.2	V⁃0
7^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	0	1	0	34.2±0.2	V⁃0
8^#	75	24（APP∶PER=3∶1）	0	0	0	1	33.4±0.2	V⁃0

表5 PP复合材料的LOI和UL 94测试

Tab.5 LOI and UL 94 tests of PP composites

图3 PP及其复合材料的HRR测试结果

Fig.3 HRR results of PP and its composites

图4 PP/IFR/AlPO⁃n复合材料LOI测试后残炭的FTIR曲线

Fig.4 FTIR of char residues of PP/IFR/AlPO⁃n composites after LOI tests

图5 PP/IFR/AlPO⁃n复合材料LOI测试后残炭的数码照片

Fig.5 Photos of char residues of PP/IFR/AlPO⁃n composites after LOI tests

图6 PP、PP/IFR、PP/IFR/AlPO⁃17在不同温度下煅烧前后的数码照片

Fig.6 Photos of PP， PP/IFR and PP/IFR/ AlPO⁃17 systems before and after being heated at different temperature

图7 不同温度段的凝聚相FTIR谱图

Fig.7 FTIR spectra of condensed phases of PP/IFR and PP/IFR/AlPO⁃17 systems obtained after being heated at different temperature

图8 PP及其复合材料的TGA（氮气氛围）曲线

Fig.8 TGA curves of PP and its composites （in N2）

样品	T_5%	T_10%	T_50%	600 ℃残炭率（W_600℃）/%
PP	380	400	420	0
PP/IFR	290	360	440	6.8
PP/IFR/AlPO⁃17	330	390	450	14.3

表6 PP及其复合材料TGA的主要数据

Tab.6 TGA main data of PP and its composites

样品	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%
PP	35.2	19.1
PP/IFR （75/25）	23.5	14.3
PP/IFR/AlPO⁃17 （75/24/1）	25.1	15.2

表7 PP及其复合材料的拉伸强度与断裂伸长率

Tab.7 Tensile strength and elongation at break of PP and its composites

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