Polypropylen (PP)Als einer der fünf Allzweckkunststoffe findet er in verschiedenen Branchen breite Anwendung. Allerdings schränkt die brennbare Eigenschaft von PP seine Anwendung ein und behindert die weitere Entwicklung des Materials, weshalb man sich Sorgen über die flammhemmende Modifikation von PP macht.
Polymermaterialien sind Polymerverbindungen, die Elemente wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthalten, von denen die meisten brennbar sind. Die Verbrennung von Polymermaterialien ist eine Reihe physikalischer Veränderungen und chemischer Reaktionen des integrierten Prozesses, die besondere Phänomene wie Schmelzen und Erweichen sowie Volumenänderungen aufweisen. Der Verbrennungsprozess besteht aus drei Schritten:
Erstens erzeugt die thermische Zersetzungsreaktion kleine Gasmoleküle, dann erreicht das Gasgemisch die Verbrennungsbedingungen, um eine heftige chemische Reaktion auszulösen, und schließlich erzeugt die schnelle Verbrennung des brennbaren Gasgemisches eine große Wärmemenge und den Reaktionszyklus geht weiter.
Da PP nur einen Sauerstoffindex von 17.4 hat, ist es brennbar und erzeugt bei der Verbrennung große Mengen Wärme, die leicht zu Bränden führen und eine Gefahr für Leben und Eigentum darstellen können. Im Bereich der Elektronik und Elektrogeräte schränkt die Entflammbarkeit von PP seine breitere Anwendung ein, weshalb eine flammhemmende Behandlung von PP-Materialien erforderlich ist.
Flammschutzmechanismus
Der Flammschutzmechanismus umfasst hauptsächlich den Kettenreaktionsabbruchmechanismus, den Oberflächenisolationsmechanismus und den unterbrochenen Wärmeaustauschmechanismus. Der Kettenreaktionsbeendigungsmechanismus beendet die Verbrennungsreaktion durch den Verbrauch von HO-, das während des Verbrennungsprozesses entsteht, der Oberflächenisolationsmechanismus erzeugt feste Verbindungen, um den Luftkontakt zu blockieren, und der unterbrochene Wärmeaustauschmechanismus absorbiert die Verbrennungswärme, um eine Selbstlöschung zu erreichen.
Die Aktivkohle im Metallhydroxid-Flammschutzmittel kann sich effektiv mit Magnesiumhydroxid verbinden, um die Möglichkeit einer Agglomeration zu verringern, die Kompatibilität mit der PP-Matrix zu verbessern und die Flammhemmung des Materials zu erhöhen. Das Verhältnis und der Aktivierungsgrad des Flammschutzmittels wurden durch Testen der Änderung des Ölabsorptionswerts angepasst, und es wurde schließlich festgestellt, dass der Grenzsauerstoffindex einen Maximalwert von 28.9 % erreichte, wenn 25 Gew.-% mit Aktivkohle modifiziertes Magnesiumhydroxid-Flammschutzmittel zugesetzt wurden zu PP.
Metallhydroxid-Flammschutzmittel sind Additive zur Verbesserung der Flammhemmung von Polypropylen (PP)-Materialien. Um die mechanische Festigkeit des Materials weiter zu erhöhen, fügten die Forscher außerdem Polyolefinelastomer (POE) und Calciumcarbonat-Nanopartikel (CaCO3) hinzu. Die Ergebnisse zeigten, dass die modifizierten PP-Verbundwerkstoffe nicht nur hervorragende flammhemmende Eigenschaften besaßen, sondern auch eine hohe mechanische Festigkeit aufwiesen.
Bor-Flammschutzmittel
Bor-Flammschutzmittel spielen in PP/BN@MGO-Verbundwerkstoffen eine wichtige Rolle. Aufgrund der Kapselstruktur und der Alkylierungsmodifikation des BN@MGO-Flammschutzmittels kann das Kohlenstoffelement an der Oberfläche des Füllstoffs angereichert werden, was die Affinität zum PP-Körper erhöht und eine gleichmäßige Verteilung in der PP-Matrix ermöglicht.
Unterdessen weist das modifiziert behandelte BN@MGO einen Zickzack-Pfadeffekt und eine hohe thermische Stabilität auf, was zu einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher Flammhemmung führt. Diese Eigenschaften ermöglichen PP/BN@MGO-Verbundwerkstoffen ein breites Anwendungsspektrum in den Bereichen effiziente Wärmeableitung, elektronische Geräte, Haushaltsgeräte und Wärmemanagement.
Wenn außerdem das Bor-Flammschutzmittel APP/MCA-K-ZB in einer Menge von 25 Gew.-% hinzugefügt wurde (Massenverhältnis APP/MCA-K-ZB von 3/1), konnte der PP-Verbundwerkstoff die V-0-Einstufung in UL erreichen. 94-Test, während der begrenzende Sauerstoffindex bis zu 32.7 % betrug. Thermogravimetrische Analyse (TGA) und Rasterelektronenmikroskopie (REM)-Testergebnisse zeigen, dass die Zugabe von APP/MCA-K-ZB eine dichte Graphit-Kohlenstoffschicht bilden kann, die die darunter liegende PP-Matrix effektiv vor weiterer Verbrennung schützt und die Wärmedämmung des Materials verbessert Stabilität und Kohlenstoffbildungsfähigkeit.
Flammschutzmittel aus Silikon
HNTs-Si in Silikon-Flammschutzmitteln können die ursprüngliche röhrenförmige Struktur beibehalten und sich mit der thermisch abgebauten PP-Kette verdrehen, um eine dichte Kohlenstoffschicht zu bilden, die die Wärme-, Stoff- und Rauchübertragung während der PP-Verbrennung wirksam hemmt. Polysiloxan kann die Polarität der Oberfläche von HNTs-Si reduzieren, wodurch die Kompatibilität mit dem PP-Substrat erhöht wird und der Rissüberbrückungseffekt wiederum die Duktilität von PP-Verbundwerkstoffen verbessert.
Darüber hinaus können unter den Flammschutzmitteln auf Silikatbasis Nano-Sb2O3 und OMMT nach der Modifizierung eine dichte Kohlenstoffschicht bilden, die die thermische Stabilität und Flammschutzwirkung von Verbundwerkstoffen auf PP-Basis wirksam verbessert. Die heterogene Keimbildung von OMMT und Nano-Sb2O3 in der PP-Matrix kann die Kristallinität und Zugfestigkeit der Materialien verbessern.
Phosphorhaltige Flammschutzmittel
Sorbitol und Ammoniumpolyphosphat in Phosphor-Flammschutzmitteln können eine karbonisierte Schicht bilden, um die Wärmeausbreitung zu verzögern und die Flammhemmung des Materials zu verbessern. Die kombinierte Wirkung von SPDEB und Ammoniumpolyphosphat kann die Flammhemmung von PP-Materialien wirksam verbessern und die Emission brennbarer Gase reduzieren.
Flammschutzmittel auf Stickstoffbasis
MPP und AP in stickstoffbasierten Flammschutzmitteln können nicht brennbare Gase und phosphorhaltige Substanzen freisetzen, die brennbaren Gase in der Luft verdünnen und als Gasschutz wirken, wodurch die Verbrennung verringert wird. Supramolekulare Selbstorganisationsmethoden können nichtkovalente Bindungen nutzen, um Verbindungen mit spezifischen Strukturen zu synthetisieren, die Verteilung von Flammschutzmitteln in Materialien zu verbessern und die Flammhemmung zu erhöhen.
Intumeszierendes Flammschutzmittel
NiCo2O4 ist ein intumeszierendes Flammschutzmittel mit den Vorteilen einer kontrollierbaren Morphologie, einer großen spezifischen Oberfläche, mehreren aktiven Stellen sowie einfachen und vielfältigen Herstellungsmethoden. Als Verbindung auf Nickelbasis weist es eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Kohlenstoffkatalyse auf, die sowohl die Verbrennungsprodukte reduziert als auch die Flammhemmung des Materials verbessert.
Diese Überlegenheit beruht hauptsächlich auf der Rolle der darin enthaltenen Ni+-Ionen, die die thermische Zersetzung von Polyethylenacrylat (PER) beschleunigen, die Verkohlung von Ammoniumpolyphosphat verstärken und die Bildung einer expandierten Verkohlungsschicht in Polypropylen (PP)/intumeszierendem Flammschutzmittel fördern können System. Unterdessen sind die Bimetalloxide bei hohen Temperaturen stabil und verfügen über eine starke katalytische Fähigkeit, was dazu beiträgt, dass der PP/expandierte flammhemmende Verbundwerkstoff eine dichte und gleichmäßige Verkohlungsschicht bildet und die thermische Stabilität der Verkohlungsschicht und der Verkohlungsrückstände verbessert.
Darüber hinaus weist die blütenartige NiCo2O4-Struktur viele Falten auf der Oberfläche und eine große und raue Kontaktfläche mit dem Polymer auf, was die Bindung verbessert. Diese blütenartige Struktur verfügt über eine hohe Stabilität, die dazu beiträgt, Schäden während der Verarbeitung zu vermeiden und die Integrität der Struktur zu bewahren. Während des Verbrennungsprozesses können die holzkohlebildenden Substanzen zwischen der blütenartigen Struktur fixiert werden, was die Stabilität der Holzkohleschicht verbessert und effektiv die Rolle einer Barriere übernimmt, um die Flammhemmung und den Schutz des Substrats zu erreichen.
Neben NiCo2O4 gibt es noch eine Reihe weiterer Schlüsselkomponenten, die für die flammhemmende Wirkung eine wichtige Rolle spielen. Das mit SiO2-Gel behandelte OS-MCAPP fungiert sowohl als Gas- als auch als Säurequelle und hilft PP dabei, eine schützende Kohleschicht zu bilden, die die PP-Matrix vor weiterer Zersetzung schützt. PEIC spielt als hervorragende Kohlequelle eine Schlüsselrolle bei der Bildung hochwertiger expandierter Kohle und erleichtert die Herstellung flammhemmender Verbundwerkstoffe.
PPA-C reagiert während der Verbrennung mit PER unter Bildung von POC- und PC-Bindungen, die zur Bildung einer praktisch fehlerfreien Verkohlungsschicht beitragen. Darüber hinaus kann PPA-C dazu führen, dass sich PP früher thermisch zersetzt und bei höheren Temperaturen mehr Verkohlungsrückstände entstehen. Es besteht eine gute Synergie zwischen PPA-C und PER, und die Flammhemmung des PPA-C/PER-Systems ist der des herkömmlichen APP/PER-Systems überlegen. Wenn der Gehalt an PPA-C/PER (3:1) 18 Gew.-% erreicht, erreicht das PP/intumeszierende flammhemmende Verbundmaterial laut UL-0-Test die Bewertung V-94 und der endgültige Sauerstoffindex kann 28.8 % erreichen.
Flammhemmende PP-Materialien für Verpackungsanwendungen
PP-Kunststoff zeichnet sich durch eine geringe Dichte, gute Transparenz, ungiftig und geruchlos, eine einfache Verarbeitung und Formung, einen niedrigen Preis und andere Eigenschaften aus, was ihm ein enormes Anwendungspotenzial im Verpackungsbereich verleiht. Allerdings haben die Mängel des PP-Kunststoffs wie Entflammbarkeit und schlechte Hochtemperaturbeständigkeit seine Entwicklung im Verpackungsbereich eingeschränkt. Daher haben sich in den letzten Jahren viele Wissenschaftler der Untersuchung von PP-Verpackungsmaterialien mit hohen Flammschutzeigenschaften gewidmet.
Autobatteriegehäuse
Batterien sind eine der Schlüsselkomponenten von Fahrzeugen mit neuer Energie, daher ist ein Batteriegehäuse, das die Batterie sicher schützt, von entscheidender Bedeutung. Bei herkömmlichen Batterieverpackungen werden hauptsächlich Metallmaterialien und SMC-Materialien (Sheet Moulding Compound) verwendet. Die Komplexität und Dichte des Formprozesses dieser Materialien wirkt sich jedoch auf die Leichtbauweise von Fahrzeugen mit neuer Energie aus. Daher wird auf PP-Materialien mit geringer Dichte und guter Schlagzähigkeit geachtet.
Es wurde ein PP-Material mit flammhemmenden Eigenschaften verwendet, das aus einer PP-Harzmatrix, einem Ammoniumpolyphosphat/Triazin-Komplexsystem als Flammschutzmittel, einem Ethylen-Octen-Copolymer, einem Elastomer auf Propylenbasis und einem EPDM-Klebstoff als Zähigkeitsmittel hergestellt wurde Batteriegehäuse für neue Energieautos. Dieses PP-Material behält eine geringe Dichte bei und verfügt über gute Flammschutzeigenschaften und Schlagzähigkeit sowie gute Dichtungs- und Wasserabdichtungseigenschaften.
Komponentenverpackung
PP/MHSH/Al2O3/NP-Verbundwerkstoffe wurden durch Schmelzmischverfahren hergestellt, indem alkalische Magnesiumsulfat-Whisker (MHSH) und Aluminiumoxid (Al2O3) mit dem Vernetzungsmittel KH-550 modifiziert und ein Stickstoff-Phosphor-Komplex-Flammschutzmittel und eine PP-Matrix hinzugefügt wurden zu Filmen weiterverarbeitet.
Das Stickstoff-Phosphor-Komplex-Flammschutzmittel fördert nicht nur die Bildung einer expandierten Kohlenstoffschicht in der PP-Matrix bei hoher Temperatur, sondern reagiert auch mit MHSH unter Bildung von Magnesiumphosphatsalz, das die Festigkeit der expandierten Kohlenstoffschicht verbessert. Die Zugabe von Al2O3 verbessert die Wärmeleitfähigkeit des Materials, so dass die innere Wärme schnell an die Oberfläche übertragen wird, was der Wärmeableitung dient und die Hitzebeständigkeit verbessert. Darüber hinaus wirkten MHSH und Al2O3 als starre Füllstoffe, um die mechanischen Eigenschaften der PP/MHSH/Al2O3/NP-Verbundfolie zu verbessern. Daher weist die PP/MHSH/Al2O3/NP-Verbundfolie hervorragende flammhemmende Eigenschaften und eine hohe mechanische Festigkeit auf.
Lebensmittelbehälter
PP-Verbundwerkstoffe mit hohen Flammschutzeigenschaften wurden durch Schmelzmischen von IFR bestehend aus Ammoniumpolyphosphat, Triazin-Kohlenstoffbildner und Coeffektor mit sauber behandelten Lunchboxen aus recyceltem Polypropylen hergestellt, was das Potenzial des Recyclings von PP-Lunchboxen demonstriert.
Probleme mit der Flammhemmung von PP
Obwohl sich immer mehr Menschen mit flammhemmenden PP-Verbundwerkstoffen befassen, gibt es derzeit einige Probleme:
1. flammhemmendes Additiv, schlechte Kompatibilität mit der Matrix, Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials;
2. Effiziente Flammschutzmittel enthalten meist Halogene und erfüllen nicht die Umweltanforderungen;
3. Flammschutzmittel sind teuer und erhöhen die Produktionskosten.
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