石墨种类和粒径对高抗冲聚苯乙烯阻燃性能的影响及作用机制

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.005

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (3): 26-32.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.03.005

石墨种类和粒径对高抗冲聚苯乙烯阻燃性能的影响及作用机制

郭意明(), 董晓晨, 梁士通, 王森, 刘继纯()

河南科技大学化工与制药学院，河南洛阳 471023

收稿日期:2021-11-09 出版日期:2022-03-26 发布日期:2022-03-25
通讯作者: 刘继纯（1971—），男，教授，从事阻燃材料研究，liujc@iccas.ac.cn
E-mail:2623813249@qq.com;liujc@iccas.ac.cn
作者简介:郭意明(1995—)，女，在读硕士研究生，从事阻燃材料研究，2623813249@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金资助(U1704144)

Effects of graphite type and size on flame retardancy of high⁃impact polystyrene and it’s action mechanism

GUO Yiming(), DONG Xiaochen, LIANG Shitong, WANG Sen, LIU Jichun()

School of Chemical Engineering and Pharmaceutics，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，China

Received:2021-11-09 Online:2022-03-26 Published:2022-03-25
Contact: LIU Jichun E-mail:2623813249@qq.com;liujc@iccas.ac.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过熔融共混法将不同种类和粒径的石墨引入到高抗冲聚苯乙烯（PS?HI）基体中，考察了石墨种类和粒径大小对PS?HI阻燃性能的影响和作用机制。结果表明，天然鳞片石墨（NG）对PS?HI的阻燃作用很小，其粒径大小对阻燃性能的影响并不显著，即使用量达到50 %（质量分数，下同）也不能使PS?HI有较好的阻燃性能；与NG相比，可膨胀石墨（EG）的阻燃效率更高，可使PS?HI的阻燃性能大幅度提高，且EG粒径越大，阻燃效率越高，抑烟作用越明显；在PS?HI/EG体系中引入适量微胶囊红磷（MRP）可极大地提高EG的阻燃效率，降低阻燃剂用量，EG与MRP之间有非常明显的协同阻燃作用，而NG与MRP之间几乎无协同阻燃作用；EG的粒径为270 μm、PS?HI∶EG∶MRP质量比为80∶15∶5时20 %的阻燃剂就可使PS?HI具有优异的阻燃性能。

关键词: 石墨, 高抗冲聚苯乙烯, 粒径, 微胶囊红磷, 膨胀炭层, 阻燃机制

Abstract:

Graphites with different types and particle sizes were incorporated into high?impact polystyrene （PS?HI） matrix through melt compounding. The effects and flame?retarding mechanism of graphite type and particle size on the flame retardancy of PS?HI were investigated. The results indicated that the flame?retarding effect of natural graphite （NG） on PS?HI was not significant， and the particle size of NG presented a small impact on its flame?retardant performance. The PS?HI/NG composite still showed poor flame?retardant performance even if the loading of NG reaches 50 wt%. In contrast to NG， expandable graphite （EG） exhibited much higher flame retardant efficiency， resulting in a significant improvement in the flame?retardant performance of PS?HI. The larger the EG particle size is， the higher is the flame retardant efficiency and the more noticeable is the smoke?suppressing effect of EG. The introduction of suitable amount of microencapsulated red phosphorus （MRP） into the PS?HI/EG system could improve the flame retardant efficiency of EG and therefore reduced the loading of flame retardant considerably. When the EG particle size is 270 μm， the PS?HI system achieved excellent flame?retardant performance with the addition of 20 wt% flame retardant at a PS?HI/EG/MRP mass ratio of 80/15/5. The PS?HI/EG/MRP composites generated a continuous and compact intumescent char layer.

Key words: graphite, high?impact polystyrene, particle size, microencapsulated red phosphorus, intumescent char layer, flame?retardant mechanism

中图分类号:

TQ323.8

郭意明, 董晓晨, 梁士通, 王森, 刘继纯. 石墨种类和粒径对高抗冲聚苯乙烯阻燃性能的影响及作用机制[J]. 中国塑料, 2022, 36(3): 26-32.

GUO Yiming, DONG Xiaochen, LIANG Shitong, WANG Sen, LIU Jichun. Effects of graphite type and size on flame retardancy of high⁃impact polystyrene and it’s action mechanism[J]. China Plastics, 2022, 36(3): 26-32.

图/表 9

图1 不同PS?HI/石墨复合材料的LOI

Fig.1 LOI of different PS?HI/graphite composites

图2 石墨含量为30 %的不同复合材料的HRR和SPR曲线

Fig.2 HRR and SPR curves of different composites with graphite content of 30 %

样品名称	点燃时间/s	PHRR/ kW·m^-2	AHRR/ kW·m^-2	THR/ MJ·m^-2	平均有效燃烧热/ MJ·kg^-1	TSR/ m²·m^-2	FPI/ 10^⁃3s·m²·kW^⁃1	残炭率/%
PS⁃HI	63	738	280	119	34	5 112	85	1.9
PS⁃HI/EG50	45	131	95	77	35	578	344	45.0
PS⁃HI/EG150	50	230	105	76	35	1 222	217	41.1
PS⁃HI/NG50	50	436	118	94	32	3 786	115	30.6
PS⁃HI/NG150	57	378	123	97	32	4 103	151	30.8

表1 石墨含量为30 %时不同复合材料的锥形量热仪测试数据

Tab. 2 Some cone calorimeter data for different composites with graphite content of 30 %

图3 单个石墨颗粒在火焰中灼烧2 min后外观形貌的SEM照片

Fig.3 SEM images of single graphite particles after burned in flame for 2 min

样品名称	LOI/%	UL 94等级
PS⁃HI	18.1	NR
PS⁃HI/EG50	24.0	NR
PS⁃HI/NG50	20.2	NR
PS⁃HI/EG50/MRP	25.0	V⁃0
PS⁃HI/NG50/MRP	22.4	V⁃2

表2 阻燃剂含量为20 %时不同PS?HI复合材料的燃烧性能

Tab.2 Burning testing results of several different PS?HI composites with 20 % loading of flame retardant

图4 阻燃剂含量为20 %时不同复合材料的HRR和THR曲线

Fig.4 HRR and THR curves of different composites with 20 % flame retardant

图5 阻燃剂含量为20 %时不同复合材料锥形量热仪测试后燃烧残余物的数码照片

Fig.5 Digital photos of the burnt residue of different composites of 20 % flame retardant after cone calorimeter test

图6 阻燃剂含量为20 %时不同复合材料在锥形量热仪测试后残余物表面形貌的SEM照片

Fig.6 SEM images of residue surface morphology of different composites with 20 % flame retardant after cone calorimeter test

图7 含有可膨胀石墨的2种不同阻燃复合材料在锥形量热仪测试后表面膨胀炭层在空气中的TG和DTG曲线

Fig.7 TG and DTG curves of surface intumescent char in air for two different flame retardant composites with expandable graphite after cone calorimeter test

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石墨种类和粒径对高抗冲聚苯乙烯阻燃性能的影响及作用机制

Effects of graphite type and size on flame retardancy of high⁃impact polystyrene and it’s action mechanism

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