Preparation of piperazine phosphate⁃melamine phosphate flame retardant and its flame⁃retardant effect on polypropylene

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.08.015

Abstract

Abstract:

A piperazine⁃melamine phosphate intumescent flame retardant （PMP） was synthesized via thermal condensation of piperazine diphosphate and melamine phosphate， and subsequently incorporated into polypropylene （PP） to prepare flame⁃retardant composites. The structure of PMP was confirmed by nuclear magnetic resonance （NMR） and Fourier⁃transform infrared spectroscopy （FTIR）， with characteristic peaks at -10.45 （end⁃group P）， -23.67 （middle P） in NMR， and 867.15 cm^-¹ （P—O—P） in FTIR， indicating successful polymerization. Thermogravimetric analysis revealed excellent thermal stability， with PMP and flame⁃retardant PP exhibiting T_{1 %} at 249.8 °C and 304.6 °C， T₅% at 297.3 °C and 388.8 °C， and residual weights at 800 °C of 44.84 % and 11.95 %， respectively. The flame⁃retardant performance of PP was improved with increasing piperazine diphosphate content， yielding higher limiting oxygen index （LOI）， elongation at break， impact strength， and melt flow rate， but reduced tensile strength， flexural strength， and modulus. Higher PMP loading enhanced flame retardancy and LOI of PP but decreased its tensile strength， elongation， impact strength， and melt flow index， while increasing flexural strength， modulus， and density. Balancing flame retardancy， mechanical properties， and cost， the optimal PMP composition was 50 %~70 % piperazine diphosphate， with a recommended PP incorporation rate of 23 %~25 %.

Key words: intumescent flame retardant, piperazine phosphate, melamine phosphate, flame retardant polypropylene, copolymer?type flame retardant

CLC Number:

TQ325.1⁺4

Zhou Lei. Preparation of piperazine phosphate⁃melamine phosphate flame retardant and its flame⁃retardant effect on polypropylene[J]. China Plastics, 2025, 39(8): 94-99.

Figures/Tables 14

References 15

[1]	莫凌，邢巧，林彰文，等. 鸟类对卤系阻燃剂的累积及生物放大研究进展［J］. 生态环境学报， 2015， 24 （10）： 1 745⁃1 756.
	MO L， XING Q， LIN Z W，et al. Recent research advances on the bioaccumulation and biomagnification potentials of halogenated flame retardants in birds： a review［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2015， 24 （10）： 1 745⁃1 756.
[2]	路风辉，冯岸红，陈满英，等. 珠三角表层沉积物的有机碳及其与卤系阻燃剂的关系［J］. 地球与环境， 2015， 43 （01）： 49⁃54.
	LU F H， FENG A H， CHEN M Y，et al. Total organic carbons and their correlations with halogenated flame retardants in surface sediments from the pearl river delta， China［J］. Earth and Environment， 2015， 43 （01）： 49⁃54.
[3]	汤维，钱立军，邱勇，等. 聚丙烯材料无卤阻燃改性研究进展［J］. 中国塑料， 2021， 35 （01）： 136⁃149.
	TANG W， QiAN L J， QIU Y，et al. Research progress in halogen⁃free flame retardant technology for polypropylene［J］.China Plastics，2021， 35 （01）： 136⁃149.
[4]	曾书航，裴丰，郭忠，等. 氢氧化镁阻燃剂的制备及其在塑料领域中的应用研究进展［J］. 塑料科技， 2023， 51 （06）： 107⁃111.
	ZENG SH H， PEI F， GUO Z，et al. Research progress on preparation of magnesium hydroxide flame retardant and its application in plastic field［J］. Plasties Science and Technology， 2023， 51 （06）： 107⁃111.
[5]	王菁，陈蕾，李圣军，等. 化学型膨胀阻燃剂的研究进展［J］. 工程塑料应用， 2022， 50 （11）： 157⁃162.
	WANG J， CHEN L， LI S J，et al.Research progress of chemical intumescent fame retardants［J］.Engineering Plastics Application，2022，50（11）：157⁃162.
[6]	冯明珠，张泽，万里，等. 新型氮磷硅阻燃剂的合成及其在聚丙烯中的应用［J］. 中国塑料， 2023， 37 （07）： 80⁃86.
	FENG M ZH， ZHANG Z， WANG L，et al. Synthesis and application of novel nitrogen and phosphorus flame retardants for polypropylene［J］. China Plastics， 2023， 37 （07）： 80⁃86.
[7]	乔金莲. 新型成炭剂的合成及其在阻燃聚丙烯材料中的应用研究［J］. 塑料科技， 2021， 49 （10）： 46⁃50.
	QIAO J L.Study on synthesis of new charring agent and its application in flame retardant polypropylene material［J］. Plasties Science and Technology， 2021， 49 （10）： 46⁃50.
[8]	陈勇，刘旭峰，文水平，等. 聚磷酸铵阻燃剂改性及应用研究进展［J］. 塑料工业， 2024， 52 （06）： 26⁃35 .
	CHEN Y， LIU X F， WEN SH P，et al.research progress of modifications and applications of ammonium polyphosphate flame retardants［J］.China Plastics Industry，2024，52 （6）：26⁃35.
[9]	鲁哲宏，李豪，任艳蓉，等. ADP协效APP/PER阻燃PP的制备及性能［J］. 工程塑料应用， 2019， 47 （01）： 138⁃142.
	LU ZH H， LI H， REN Y R，et al.Preparation and properties of ADP synergistic APP/PER flame retardant PP［J］.Engineering Plastics Application， 2019， 47 （01）： 138⁃142
[10]	李湘. 高岭土对APP/PER/PP复合材料性能的影响［J］. 塑料， 2024， 53 （01）： 48⁃51.
	LI X. Effect of Kaolin on properties of APP/PER/PP composite［J］. Plastics，2024， 53 （01）： 48⁃51.
[11]	陆忠海，杨晓龙，龙德晓，等. 焦磷酸哌嗪复配阻燃剂在聚丙烯中阻燃性能的研究［J］. 塑料科技， 2024， 52 （05）： 52⁃57.
	LU ZH H， YANG X L， LONG D H，et al.study on flame retardancy of piperazine pyrophosphate compound flame retardant in polypropylene［J］.Plastics Science and Technology，2024，52 （5）：52⁃57.
[12]	潘飞，鲍庆煌，马殿普，等. PAPP⁃MPP⁃PER复配型阻燃剂对PP力学及阻燃性能的影响［J］. 化工新型材料， 2023， 51 （08）： 172⁃177.
	PAN F， Bao Qing H， MA D P，et al.Effect of PAPP⁃MPP⁃PER compounded flame retardant on the mechanical and flame⁃retardant properties of PP［J］.New Chemical Materials， 2023， 51 （08）： 172⁃177.
[13]	肖雄，胡爽，董玲玲. 聚焦磷酸哌嗪对聚丙烯材料燃烧性能的影响及其阻燃机理研究［J］. 塑料科技， 2020， 48 （02）： 120⁃126.
	XIAO X， HU SH， DONG L L.Effect of piperazine polypyrophosphate （PAPP） on the combustion performance of polypropylene material and its flame retardant mechanism research［J］. Plasties Scienee and Technology， 2020， 48 （02）： 120⁃126.
[14]	钟志强，胡志，梅青. 三聚氰胺聚磷酸盐的合成及其阻燃聚丙烯的性能［J］. 工程塑料应用， 2018， 46 （03）： 122⁃127.
	ZHONG Z Z， HU ZHI， MEI Q.Synthesis of melamine polyphosphate and properties of flame retardant polypropylene［J］.Engineering Plastics Application，2018， 46 （03）： 122⁃127.
[15]	赵震，郭建树，王盛海，等. 焦磷酸哌嗪的合成及表征［J］. 化工科技， 2022， 30 （05）： 18⁃21.
	ZHAO ZH， GUO J SH， WANG SH H，et al.Synthesis and characterization of piperazine pyrophosphate［J］.Science＆Technology Chemical Industry，2022，30 （5）：18⁃21.

阻燃剂编号	二磷酸哌嗪	三聚氰胺磷酸盐
1^#	20	80
2^#	30	70
3^#	40	60
4^#	50	50
5^#	60	40
6^#	70	30
7^#	80	20

阻燃剂编号	二磷酸哌嗪	三聚氰胺磷酸盐
1^#	20	80
2^#	30	70
3^#	40	60
4^#	50	50
5^#	60	40
6^#	70	30
7^#	80	20

序号	PP	阻燃剂种类	阻燃剂含量	抗滴落剂	抗168	抗1010	白油
1	73.95	1^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
2	73.95	2^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
3	73.95	3^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
4	73.95	4^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
5	73.95	5^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
6	73.95	6^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
7	73.95	7^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
8	77.95	5^#	21	0.5	0.2	0.3	0.05
9	75.95	5^#	23	0.5	0.2	0.3	0.05
10	71.95	5^#	27	0.5	0.2	0.3	0.05
11	71.95	5^#	29	0.5	0.2	0.3	0.05

序号	PP	阻燃剂种类	阻燃剂含量	抗滴落剂	抗168	抗1010	白油
1	73.95	1^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
2	73.95	2^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
3	73.95	3^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
4	73.95	4^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
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7	73.95	7^#	25	0.5	0.2	0.3	0.05
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11	71.95	5^#	29	0.5	0.2	0.3	0.05

二磷酸哌嗪含量/%	T₁最大燃烧时间/s	T₂最大燃烧时间/s	是否蔓延至夹具	是否滴落引燃棉花	阻燃级别
20	不熄灭	不熄灭	是	是	失效
30	不熄灭	不熄灭	是	是	失效
40	2.57	不熄灭	是	是	失效
50	1.25	3.12	否	否	V⁃0
60	1.06	2.53	否	否	V⁃0
70	0.87	2.63	否	否	V⁃0
80	0.96	3.04	否	否	V⁃0