北京
来源：市场资讯
（来源：聚烯烃人）
聚乙烯综合性能优异，应用广泛，但作为高碳氢聚合物易燃，燃烧放热生烟且熔融滴落，限制其在高阻燃要求场景使用，需改善阻燃性能。现有阻燃改性常需大添加量，会损害材料力学性能，还存在阻燃剂与基体相容性、分散性差，易发生相分离等问题，研发低添加量、高效且与聚乙烯基体相容性良好的阻燃剂是研究重点。植酸（PA）为天然高磷环保物质，分子结构利于成炭并释放不燃气体，阻燃潜力突出。本研究选用PA为磷源、三苯硅醇（TPS）为硅源制备新型含磷硅阻燃剂PA‑TPS，将其应用于LDPE的阻燃，以期在保证LDPE具有较好力学性能的同时，赋予其优异的阻燃性能。
LDPE复合材料的制备
在170 ℃下采用双螺杆挤出机，按表1配比对LDPE与PA‑TPS熔融共混；所得粒料于170 ℃、110 MPa注塑压力下成型为测试样条。
表1 LDPE复合材料的样品组成
阻燃性能分析
LOI和UL94分析
由表2可知，纯LDPE阻燃性差，LOI仅18.0%，UL94等级为NR，首次点火后燃烧剧烈且会产生引燃脱脂棉的熔融熔滴；加入PA‑TPS阻燃剂后LDPE复合材料阻燃效果提升：随PA‑TPS添加量增大，LOI逐步升高，燃烧时间缩短、熔滴被抑制；15%添加量时UL94等级达V‑1级，20%时实现V‑0最高阻燃等级，继续增至25%仅LOI小幅上涨，维持V‑0等级；PA‑TPS通过抑制熔滴、缩短燃烧时间、促进自熄改善LDPE阻燃性能。
表2 LDPE及其复合材料的LOI和UL94测试结果
锥形量热（CCT）分析
CCT测试结果（图1、表3）显示，相较于纯LDPE，PA‑TPS的引入可明显改善复合材料阻燃性能，20%添加量下峰值热释放速率（PHRR）、总热释放量（THR）、平均有效燃烧热（MEHC）分别下降52.2%、49.0%、41.5%，有效抑制燃烧能量释放，峰值烟雾释放速率（PSPR）与总烟雾释放量（TSR）分别降低了 7.1%、4.4%，烟雾毒性风险有所下降，同时CO、CO2释放速率也显著降低；但因阻燃剂热分解温度低于基体，早期挥发物、酸性产物催化基体裂解以及惰性气体稀释氧气，且前期致密炭层尚未充分形成会造成初期生烟增多，10%低添加量时无法构建连续致密炭层，气相阻燃与凝聚相成炭的协同平衡被打破，进一步加剧烟雾生成。
图1 LDPE及其复合材料的CCT曲线
表3 LDPE及其复合材料的CCT测试结果
热性能分析
由表4可知，PA‑TPS自身的初始分解温度（T5%）为324 ℃、残炭率为35.90%，将其引入LDPE后复合材料热分解行为明显改变：添加20%时，体系T5%由纯LDPE的399 ℃降至379 ℃，800 ℃残炭率由0.07%提升至15.80%，最大热分解温度（Tmax）为503 ℃；PA‑TPS可催化LDPE提前分解，在凝聚相构筑致密炭层，阻隔热量与气体交换，抑制可燃挥发物释放，实现阻燃抑烟。添加量增至25%，残炭率进一步升至23.50%，但T5%回升至394 ℃，推测是过量的PA-TPS分散不均造成催化效果下降。综合最大热分解速率与残炭率，20%添加量下复合材料成炭能力与热稳定性综合最优。
表4 LDPE及其复合材料的热失重测试结果
拉伸性能研究
由图2可知，随PA‑TPS添加量由0%增至25%，LDPE复合材料拉伸强度先升后降，最高达15.54 MPa，20%、25%添加量分别降至15.35 MPa、14.63 MPa。PA-TPS分子链中的硅磷结构起到交联点作用，约束基体分子链滑移，优化界面应力传递，构建致密网络，提升抗拉性能。断裂伸长率随PA‑TPS添加量增加持续降低，25%添加量时为450.11%，刚性提升的同时韧性受损，源于PA-TPS的结构阻碍LDPE分子链伸展，PA-TPS可能因局部分散不均匀形成团聚体造成应力集中。20%添加量下断裂伸长率为465.87%，相较LDPE减少了105.48个百分点，韧性保留率为81.5%，适合兼顾阻燃与适度柔性的使用场景。
图2 LDPE及其复合材料的拉伸性能
总结
在阻燃剂PA-TPS添加量为20%时，复合材料具有较好的拉伸性能和阻燃性能，LOI达到28.5%，垂直燃烧性能达到V-0级，残炭率达到15.80%，峰值热释放速率、总热释放量和有效燃烧热大幅降低，相较于纯LDPE而言，分别降低了52.2%、49.1%和41.5%，对燃烧过程中的能量释放起到了有效的抑制作用，峰值烟雾释放速率和总烟雾释放分别降低了7.1%和4.4%，降低了烟雾毒性风险，拉伸强度较 LDPE增加了9.1%，断裂伸长率减少了105.48 个百分点。
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