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耐灼热丝高温引燃塑料改性技术的研究进展

作者: 发布于:2017-08-16 点击量:

  通过符合标准的燃烧试验机在多年的测试中发现,现代的电子和电器设备有40%以上重量的部件由易燃的塑胶绝缘材料组成,电子和电器设备会因过热、漏电、短路、火花和老化等引燃这些材料而造成火灾,对人们生命和财产安全造成巨大威胁。为此,世界各国先后出台了法规对电子和电器设备上使用的塑胶绝缘材料的阻燃性能、耐热性能和电气性能等作了苛刻的规定。多年来电子和电器设备产业一直执行美国UL94标准来评价电子和电器用塑料因被动着火的阻燃安全,但 近电子和电器设备内部塑料部件在使用过程中因接触不良、过载、短路而过热主动着火导致的火灾却频繁发生,欧盟国际电工协会(IEC)开始要求业界同时还执行更为严格的IEC60695灼热丝阻燃测试评价标准,IEC组织在IEC60335家用及类似电器安全标准中提出长期无人值守电器所使用塑料件的阻燃性能必须满足UL94V-0级和750℃灼热丝接触材料30s内不起火或燃烧时间小于5s,即灼热丝引燃温度(GWIT)大于750℃。对于连接器、接触开关、电机和断路器壳体等特定部件则还要求GWIT温度850℃和灼热丝可燃指数(GWFI)950℃。目前业内公认 为有效的溴锑阻燃体系虽然可以使塑料部件满足UL94V-0级(0.8mm~3.2mm)的阻燃评级,却会降低材料本身的GWIT值和GWFI值。我国是家电大国和用材大国,开发同时可被动阻燃和主动阻燃的高性能塑料成为我国电器产业、高分子产业急待解决的重大课题和研究热点。业界经过长期的摸索发现,在溴锑阻燃体系基础上通过与其他阻燃剂复配,可以实现提升GWIT和GWFI的目的。

  1)与金属氢氧化物复配

  氢氧化铝和氢氧化镁兼具填充、阻燃和抑烟三重功能,且不挥发、无毒、腐蚀小、价格低,是典型的无公害阻燃剂,但只有添加较高用量才能获得适中的阻燃性,高添加量又会影响基材的加工性能和力学性能。单独使用金属氢氧化物显然不能使材料获得高的GWIT和GWFI,但近年来有研究者发现它们对提升溴锑阻燃塑料的GWIT和GWFI有很好的协效作用。技术人员将氢氧化铝和氢氧化镁的1:1混合物加入到含十溴二苯乙烷、三聚氰胺与磷酸三苯酯的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)中,使得产品的阻燃性能和强度都显著提高,GWIT更达到了850℃。技术人员将无机阻燃剂氢氧化铝或者氢氧化镁添加到聚丙烯材料也使聚丙烯具有750℃不起燃、高强度、低成本的特点。技术人员研究了含十溴二苯乙烷、三氧化二锑的玻璃纤维增强PBT/聚酰胺(PA)合金,当加入少量的金属氢氧化物后,合金性能同时达到UL94V-0级别和灼热丝750℃、2s不起燃的测试要求,并且具有很好的力学性能,满足长期使用家电安全标准。

  2)与磷—氮化合物复配

  磷—氮阻燃剂由碳源成碳剂、酸源脱水剂和气源发泡剂三大部分组成,是一类环保的膨胀型阻燃剂,含有这类阻燃剂的塑料受热时表面会生成一层均匀的弹性泡沫层,能起到隔热、隔氧和抑烟的作用,并且防止熔滴产生。 近有研究者也发现,当磷—氮阻燃剂阻燃的塑料表面接触高温的灼热丝时也会产生弹性泡沫层,使塑料内部免受灼热丝进一步的高温破坏,从而实现提升GWIT和GWFI的目的。上海千实精密机电科技有限公司通过在溴锑阻燃剂中复配添加磷-氮化合物来改性PBT/PTT复合材料,复合材料能够达到灼热丝温度GWIT≥850℃和阻燃UL94-V0级,符合VDE要求,同时完全满足注塑工艺要求。该公司以类似的策略改性的阻燃PA66复合材料的GWIT超过870℃且韧性高,且材料力学性能、电性能等综合性能良好。

  同样地,该公司改性的聚丙烯复合材料、PPO/PA合金的GWIT也得到了很大的提高。技术人员通过这种方式可以增强尼龙的阻燃性能,同时提高其GWIT和相比漏电起痕指数(CTI),满足澳洲标准。许志鹏选择这种复配阻燃剂,采用凝聚相阻燃为主,中断热交换为辅的原理 终同时实现高CTI与高GWIT两项性能,满足电子、电器行业对产品安全性的要求。

  3)与无机隔热剂复配

  提升塑料的GWIT和GWFI的一个关键是使与灼热丝接触的塑料表面迅速转化成阻隔热量和氧气交换的保护层,对易燃的塑料起包覆和保护作用,延缓甚至阻止其被高温源引燃。能起这种热氧阻隔作用的也可以是一些无机化合物,包括碳酸钙、云母粉、滑石粉、高岭土、蒙脱土、磷酸锆、玻璃鳞片或低熔点玻璃粉。技术人员在聚酯材料中添加无机隔热剂得到了高GWIT的阻燃聚酯,在阻燃等级达到UL94 V-0等级的同时,在0.75~3.0mm厚度范围的GWIT性能比传统阻燃树脂提高50℃以上。技术人员通过添加无机隔热剂的方法改善的高灼热丝温度阻燃聚酰胺复合材料,具有大于500V的相对漏电起痕指数,GWIF为960℃,完全满足澳洲标准。

  4)与有机硅化合物复配

  近年来,有机硅化合物的阻燃功能越来越受到人们的关注,如聚硅烷、聚硅氧烷、聚有机硅倍半硅氧烷等,它们除了能赋予基材优异的阻燃性能之外,还能改善基材的加工性能、机械性能、耐热性能等,且环境友好、阻燃材料的循环使用效果较好。 近有研究者也发现,有机硅化合物还可以提升塑料的GWIT和GWFI等级。技术人员通过共混的方式将几种简单的有机硅化合物阻燃剂进行复配,克服现有的技术缺陷,使得尼龙在保持优良力学性能的前提下,同时满足了850℃的高GWIT标准。

  燃烧试验机案例分析结果

  为验证上述模型有效性,通过电线电缆燃烧试验机进行试验,仿真软件Paramics进行检验,应用行人仿真模块模拟路段行人过街对路段车流的干扰,验证步骤及结果对比如下:

  1)建立微观仿真模型;

  2)模型相关参数调整;

  3)信号参数及流量值设定;

  4)模型运行结果比对,比对情况见图2。

图2.jpg

  通过上图对比分析可以看出,模型值与理论值比较接近,且变化趋势基本一致,因此模型可行。

  综合分析国内外信号交叉口排队长度计算模型,提出有效红灯的概念,细化了交通波动理论的应用时段,提高了理论应用的 度。并且通过Paramics仿真模型从理论上初步验证了模型的合理性。

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