阻燃材料
關注創(chuàng)建者：duiba7127 創(chuàng)建時間：2018-11-19
阻燃材料的實例教程
摘要：傳統(tǒng)電纜所用的阻燃材料廣泛使用含鹵的聚合物或添加含鹵有機阻燃的聚合物，雖然其有著較好的阻燃效果，但當其發(fā)生與火直接接觸時，會出現(xiàn)大量有害氣體和鹵化氫氣體，從而導致二次污染災害。因此，為提高阻燃電纜的安全性，既要保證電纜的阻燃性同時要避免煙霧等有害氣體的產(chǎn)生量。本文將通過幾項分析結果對無鹵阻燃電纜材料燃燒以及阻燃特性進行分析。
關鍵詞：無鹵阻燃；電纜材料；阻燃特性
一、無鹵阻燃劑基本特性
由于傳統(tǒng)的含鹵阻燃劑在與火直接接觸時容易造成二次污染，因此近年來無鹵阻燃劑成為電纜材料的主要使用材料，主要在于無鹵阻燃劑具有低煙、低毒、環(huán)保的特點，同時能夠有較好的阻燃效果評價材料的阻燃效果主要考察材料的氧指數(shù)和垂直燃燒性能。但研究顯示，高氧指數(shù)的阻燃電纜材料并不一定具有較好的垂直燃燒性能，相反，垂直燃燒性能較好的阻燃電纜也會存在較低氧指數(shù)。因此，氧指數(shù)和垂直燃燒性能之間不存在較強的相關性。
二、無鹵阻燃電纜材料燃燒
（一） 力學性能
用于電纜的無鹵阻燃材料應具備優(yōu)良的力學性能，按照GB鄺32129一2015M的規(guī)定，電線電纜用低煙無鹵阻燃電纜料的拉伸強度應不小于10.0MPa,斷裂伸長率應不小于160％。硬度太低會導致材料彈性缺失，并且不利于加工；硬度太高使線纜感覺僵硬。彈性體特有的彈性手感，同等硬度與PVC材料相比，手感柔軟度有偏差。
（二） 錐形量熱分析
錐形量熱儀試驗是模擬與火災中的情況一致，對材料與真實燃燒環(huán)境相似，通過測驗能夠得到相關材料動態(tài)燃燒的各項信息，主要包含熱、煙、毒氣等具體數(shù)據(jù)信息。其是以耗氧量為原理的材料燃燒性能測定儀。
展開 汽車工業(yè)的高速發(fā)展帶來的最關鍵趨勢之一就是輕量化，如今各種改性塑料、復合材料以及輕質合金材料運用日趨成熟，無論是在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機周邊，還是新能源汽車的動力電池上，都能看到各種塑料的身影。
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汽車零部件用阻燃塑料未來發(fā)展方向
這些材料在阻燃這個安全問題上的表現(xiàn)其實并不盡如人意。所以阻燃及其相關產(chǎn)業(yè)在近年來的討論度也喧囂塵上。
今天我們就來看看，從汽車零部件的角度出發(fā)，阻燃材料未來都有哪些發(fā)展方向，以及各種阻燃材料都有哪些應用。
開門見山，我們先說結論。
目前，用于汽車零部件的常見阻燃材料類型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它們組成的各種改性材料和復合材料。
相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車新增了電池組模塊、充電樁及充電等部件，單臺新能源車電池組模塊工程塑料的使用量約30kg，新能源車塑料殼體目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高溫塑料。
充電樁由于較高的使用標準和嚴苛的使用環(huán)境對工程塑料需求較大，每個充電樁約需6kg工程塑料，目前常見的主要有PBT、PA和PC等。
汽車保有量的提升，讓汽車自燃起火事故也層出不窮。所以當材料應用于汽車部件時，必須考慮材料的阻燃防火性能是否能夠達到國家標準。
一般來說，制備阻燃塑料時大多會將其極限氧指數(shù)LOI提升到25-35%左右，才能有效提升汽車整體安全指數(shù)。
展開 阻燃PP材料由于其密度輕盈、耐候性優(yōu)異及綜合價格低廉，受到越來越多廠商的青睞，在很多應用場合已成功取代阻燃PS、阻燃ABS等。在阻燃PP材料興起的背后，有個困擾的問題可能經(jīng)常會遇到，那就是阻燃材料的析出性問題，在無鹵阻燃材料中顯得更為明顯。
阻燃劑析出不僅經(jīng)常在注塑過程中產(chǎn)生模垢、粉末狀結塊、粘模等影響正常生產(chǎn)，在制件成品中也經(jīng)常發(fā)生析出，產(chǎn)生白色霧狀物質影響產(chǎn)品外觀及導致阻燃性下降等。
在解決阻燃劑析出問題前，我們先探討影響析出問題的兩個重要因素：
1、阻燃劑與PP基材樹脂的相容性
阻燃劑在PP樹脂中一般呈兩種狀態(tài)：以類似填料形式填充樹脂中，另一類則以融化狀態(tài)均勻分散在樹脂中。由于PP為非極性材料，極性阻燃劑與PP便會存在界面相容性問題。界面相容性越差，其越容易產(chǎn)生析出性問題。
2、溫度對阻燃劑析出影響
PP為半結晶性物質、具有較低的玻璃化轉變溫度，當環(huán)境溫度高于其玻璃化轉變溫度時，隨著溫度的升高，無定形鏈段熱運動將會加快，使得與PP樹脂相容性較差的小分子阻燃劑能夠比較容易的克服阻力遷移到表面。
這也是制件存放一段時間后表面有時也會出現(xiàn)析出現(xiàn)象的原因，而高溫注塑過程是析出最明顯的過程，其析出常反映在模具上產(chǎn)生模垢等，注塑溫度越高析出越厲害。阻燃劑遷移速率與溫度的關系大致可用圖四表示，在阻燃劑分解溫度范圍內，其析出速率隨著溫度的升高而明顯加快。在恒定溫度下，析出同樣與時間存在一定關聯(lián)。
在了解產(chǎn)生析出原因后，對阻燃析出問題改進便可事半功倍。主要有兩種方法：
1.引入強極性基團（如胺基、羧基、環(huán)氧基團等），增強阻燃劑與PP界面作用，可有效減輕阻燃劑析出問題。
展開 通常添加型阻燃劑會對聚合物基體的機械性能造成明顯損害。特別是彈性體材料，阻燃劑的加入通常造成伸長率成倍下降。因此在彈性體阻燃中，需要針對性開發(fā)高效且與基體界面相容性好的阻燃體系。
次磷酸鋁(AHP)在相對較低的添加量下使TPU達到較高阻燃等級，且對彈性影響相對較小，但是對TPU在燃燒過程中造成的煙毒性控制仍然需要提升。
由有機橋聯(lián)分子(配體)與金屬離子/金屬簇結合形成的多孔配位納米尺度分子通常成為金屬-有機骨架材料(MOFs)，因其在吸附、分離、傳感及離子導電等方面表現(xiàn)出來的鮮明性能特點，吸引了各個領域的學者深入研究。許多學者發(fā)現(xiàn)MOFs高效吸收燃燒過程中產(chǎn)生的煙霧及有毒氣體，在較低的添加量下大幅度降低了煙氣釋放總量。中空管狀結構的納米管狀埃洛石(SEP)也有煙霧吸附作用。
PART.01
試驗方案
為提高TPU的阻燃性能北京化工大學的谷曉昱和張勝老師課題組成員，將SEP和一種典型的金屬有機框架結構分子ZIF-8有機結合，得到一種新型結構的零維/一維雜化納米粒子ZIF-8@SEP，作為AHP的協(xié)效劑加入到TPU中。
PART.02
試驗設備
國高材分析測試中心配備的塑料阻燃機理研究檢測設備：
水平垂直燃燒試驗儀
氧指數(shù)測定儀
錐形量熱儀
掃描電鏡
激光共聚焦顯微拉曼光譜儀
TGA-FTIR-GC-MS聯(lián)用系統(tǒng)
PART.03
試驗結果
3.1 TPU復合材料的阻燃性能
TPU的LOI僅為21.9%，在空氣條件中極易被點燃。
展開 當您為電氣敏感應用或安全關鍵應用進行設計時，了解材料接觸到火焰時的表現(xiàn)至關重要。UL 94 阻燃等級是評估聚合物和泡棉阻燃性能的公認基準，但瀏覽各種測試、分類和認證數(shù)據(jù)可能并非易事。
什么是UL94？
UL 94 是由美國安全檢測實驗室Underwriters Laboratories (UL) 制定的阻燃等級標準，用于對塑料和聚合物材料的阻燃性進行分類。雖然該標準最初是針對硬質塑料而制定的，但它現(xiàn)在廣泛用于彈性體、多孔泡棉和海綿，包括墊圈和密封應用中使用的許多材料。
UL 94 測試有助于工程師評估材料的著火特性、燃燒速度和自熄性能——這些都是在防火安全和可靠性非常重要的應用中的關鍵因素。
UL94與其它阻燃標準對比
UL94阻燃等級劃分
★UL94 是目前國際上應用最廣泛的塑料材料阻燃性能評價標準，共有12 種等級：HB、V-0、V-1、V-2、5VA、5VB、VTM-0、VTM-1、VTM-2、HBF、HF-1、HF-2。其中VTM-0、VTM-1、VTM-2適用于塑料薄膜，HBF、HF1、HF2適用于發(fā)泡材料。
★中國采用的與之對等的阻燃等級標準是GBT2408《塑料燃燒性能的測試水平法和垂直法》。
★塑料阻燃等級由HB向V-0逐級遞增：HB<V-2<V-1<V-0<5VB<5VA。
★實驗樣條為國標的標準上指定的長130±3mm，寬13.0±0.3mm，厚3.0±0.2mm。
1. HB是UL 94標準中最低的阻燃等級。
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附
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圖5.錐形量熱測試結果：（a）HRR；（b）THR；（c）SPR；（d）TSR；（e）PP、PG、PGL5、PGL10和PGL15氣凝膠的TSP曲線；（f）不同含量PVA基復合材料的阻燃效率。
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