磷系阻燃剂阻燃PET的研究进展

磷系阻燃剂阻燃PET的研究进展

闫梦祥;张思源;王总帅;闰明涛

【摘要】综述了磷系阻燃剂阻燃聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的改性方法,其中主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、后处理法以及一些新技术.重点介绍了共聚阻燃改性中以2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)为代表的磷系阻燃剂以及共混阻燃改性中所用的各种阻燃剂,并指出了PET阻燃的研究方向.目前,PET的阻燃主要向着低毒、低烟、无卤化方向发展,而且开发新型或复配无卤阻燃剂已经成为PET阻燃的必然趋势.%This paper overviewed flame-retardant modification methods for polyesters,which focused on the copolymerization,blending and post-processing methods for flame-retardant modification,and also introduced some new modification technologies.Furthermore,2-

carboxyethyl(phenylphosphinic) acid (CEPPA) as a representative phosphorus-containing flame retardant used for polyesters was introduced in detail,and future development direction of flameretardant polyesters was proposed.It should be pointed out that low toxicity,low smoke and halogen-free flame retardants for polyesters are the current direction in development,but the development of new types of halogen-free flame retardants will be a future trend.

【期刊名称】《中国塑料》

【年(卷),期】2017(031)010

【总页数】5页(P1-5)

【关键词】聚对苯二甲酸乙二醇酯;磷系阻燃剂;研究进展;发展趋势

【作者】闫梦祥;张思源;王总帅;闰明涛

【作者单位】河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;河北大学化学与环

境科学学院,河北保定071002;河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;河

北大学化学与环境科学学院,河北保定071002

【正文语种】中文

【中图分类】TQ323.4+1

PET是各种合成纤维中发展最快、产量最高、应用面最广的一种合成纤维[1]，是

三大合成纤维中工艺最简单的一种，其纤维纺织品大量用于衣料、窗帘、幕布、床上用品、室内装饰及各种特殊材料。它具有结实耐用、弹性好、不易变形、耐腐蚀、绝缘、挺括、易洗快干等特点，但是PET的极限氧指数为20 %～22 %[2]，属于

易燃纤维。由PET纺织品引发的火灾频有发生，造成重大的人身伤亡和经济损失。因此提高PET纺织物的阻燃性成为PET研究的重要领域。

1.1 阻燃PET的改性方法

阻燃PET的改性方法主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性、后处理法和一些新技术。其中，共聚阻燃改性是在聚酯的合成阶段将阻燃单体与聚酯组分进行缩聚而合成的阻燃聚酯，进而纺织成阻燃纤维。由于阻燃单体固定在聚酯大分子链上，在使用过程中不会发生溶解或渗析现象，因而这种阻燃PET具有相对的永久性，毒性

较低[3]。共混阻燃改性是在纺丝过程中进行改性，即在纺丝成形之前，将一定量

的阻燃剂添加到聚合物熔体中，经混合加工使阻燃剂均匀地分散在聚合物中，或以普通聚酯与含有阻燃成分的聚酯进行复合纺丝[2]。后处理法主要有涂层法、喷雾法、浸渍烘燥法、浸轧焙烘法等，使阻燃剂固着在织物上，获得阻燃效果。新技术

有复合纺丝改性和接枝改性法等[4]。

1.1.1 共聚阻燃改性

黄璐等[5]在PET中引入阻燃剂[(6 - 氧代 - 6H - 二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环 - 6 - 基)甲基]丁二酸(DDP)，采用共聚法得到含磷阻燃PET，将其与纳米二氧化硅(SiO2)共混，得到SiO2含量为2 %～8 %的含磷硅阻燃PET，并对其结构与性能

进行了研究。结果发现，随着DDP含量的增加，PET的起始分解温度下降，含磷硅阻燃PET在800 ℃氮气氛围下质量保持率可达13.6 %；随着DDP含量的增加，含磷阻燃剂PET的极限氧指数增大，当DDP摩尔分数为5 %时，极限氧指数达到了30.2 %，加入质量分数为8 %的SiO2后，含磷硅阻燃PET的极限氧指数为31.5 %，垂直阻燃性能达UL 94 V-0级；SiO2的加入能提高含磷硅阻燃PET的

抗熔滴效果，使阻燃后的炭层石墨化程度提高。

马萌等[6]在PET的酯化过程中添加含磷共聚型阻燃剂CEPPA(其中磷质量分数相

对PET为0.6 %)和硼酸锌(ZB)(相对PET质量分数为0.05 %～0.2 %)分别作为主

阻燃剂和助阻燃剂制备复合阻燃PET。单独添加ZB使制备的阻燃PET，极限氧指数提高到27 %，残炭量提高，抑烟效果比较明显，抗熔滴性能得到改善；共同添加ZB和CEPPA所制得的复合阻燃PET的热降解残炭率为14.4 %，极限氧指数

进一步提高到29 %，燃烧残炭表面致密，综合阻燃性能更好。

王鹏等[7]将磷系阻燃剂CEPPA、三聚氰胺尿酸盐(MCA)复配成膨胀型阻燃体系，在PET的酯化过程中加入到反应体系内，制备了一系列不同磷氮比的阻燃抗熔滴PET；结果发现，磷系阻燃剂的加入可以显著提高PET的阻燃性能，同时加入MCA后，改性PET的成炭性能和抗熔滴性能明显得到改善，相对于纯PET，其极限氧指数提高到29 %，垂直燃烧性能达到V-0级。

黄意龙等[8]采用磷系阻燃剂CEPPA作为第三单体，通过聚合反应制备了含磷的阻燃共聚酯。与PET相比，阻燃共聚酯的玻璃化转变温度(Tg)和熔点(Tm)下降，结

晶度减小。随阻燃剂含量的增加，材料的极限氧指数值增加，当阻燃共聚酯的磷含量达到9.08 mg/g时，极限氧指数达到33 %以上。

魏雪梅等[9]用磷系阻燃剂CEPPA与乙二醇(EG)合成2 - 羧乙基苯基次膦酸乙二酯(CEPPA-EG)，再加入到对苯二甲酸乙二醇酯的缩聚体系中合成含磷阻燃聚酯。随着阻燃剂添加量的增多，阻燃聚酯的Tg和Tm下降，而结晶温度(Tc)则呈上升趋势，同时阻燃聚酯高温处理后成炭情况良好，相对未添加阻燃剂的纯聚酯，阻燃剂质量分数大于1.1 %时，极限氧指数达到34 %，阻燃效果得到较好的改善。

Lin等[10]合成出新型阻燃剂1 - (4 - 乙酰氧基苯)-1-(4羧基苯基)-1-(6 - 氧代 -

6H - 二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环 - 6 - 基)乙烷。阻燃剂和PET通过酸解和缩聚合成次磷酸共聚酯。通过X射线衍射和差示扫描量热分析(DSC)分析可以看出，随着阻燃剂含量的增加，共聚酯的结晶能力递减。通过动态热力学分析(DMA)和热力

学分析(TMA)表明，随着阻燃剂含量增加，Tg增加。UL 94试验表明，随着阻燃

剂含量的增加，PET的阻燃性能增强。并且当磷含量低至1.43 %时，共聚酯阻燃

等级可以达到UL 94 V-0级。

Liu[11]以CEPPA和纳米ZnCO3用原位聚合法合成新型含磷共聚酯纳米复合材料。这种含磷共聚酯复合材料具有较高的极限氧指数(约32 %)，且UL 94测试为V-0级。这表明纳米ZnCO3和CEPPA大大提高了PET的阻燃性能。静态力学性能测试结果表明，复合材料的断裂强度、模量和屈服应力随纳米ZnCO3的含量增加而增加；当3 %的纳米ZnCO3加入到PET中时，这种含磷共聚酯的断裂强度高于

纯PET。动态力学分析表明，与纯PET相比，这种PET复合材料的储能模量和损

耗模量明显增加。

1.1.2 共混阻燃改性

牛梅等[12]采用原位聚合法自制的核 - 壳型碳微球(CMSs)/PET微胶囊(PCMSs)作为阻燃剂，采用熔融纺丝法制备PET/PCMSs功能纤维。当阻燃剂PCMSs的质量

分数为0.6 %时，PCMSs在PET纤维基体中的分散性和相容性良好，此时纤维表面较为光滑，同时具有良好的吸湿性能和阻燃性能，其极限氧指数达29.7 %。

王忠卫等[13]以2 - (二苯基膦酰) - 1,4 - 苯二酚(DPO-HQ)和苯基磷酸二氯酯(MPCP)为原料，合成新型磷系阻燃剂聚苯氧基膦酸[2-(二苯基膦酰)-1,4 - 苯二酚]酯(PDPMP)，以PDPMP为阻燃剂制备阻燃PET(FR-PET)，此阻燃PET当磷含量仅为0.41 %时，其极限氧指数达到了28.25 %，显示出优异的阻燃性能。热重分析表明阻燃剂的加入使得PET初始热稳定性降低，但残炭量明显提高。阻燃PET 在燃烧过程中生成了耐热性较好的炭层，有助于减缓或者终止聚酯的燃烧，起到凝聚相阻燃的作用。

白玲[14]以聚对苯二甲酸1.3丙二醇酯(PTT)、回收PET瓶片为基材树脂，通过添加玻纤、阻燃剂、增韧剂等制备出无卤阻燃增强PTT/回收PET瓶片复合材料。在复合材料中，随着回收PET瓶片含量的增加，复合材料的拉伸强度先增加，当质量分数达到20 %后略有降低，复合材料的缺口冲击强度则随着回收PET瓶片含量的增加逐步降低；无卤红磷阻燃剂质量分数为15 %时，复合材料的阻燃性能达到UL 94 V-0，复合材料具有良好的成型加工性和综合性能。

王良等[15]以磷系阻燃剂CEPPA和氢氧化钠为原料，合成2 - 丙酸钠苯基次膦酸钠(CEPP-Na)，并与PET共混制得阻燃聚酯。CEPP-Na与PET基体相容性良好，当CEPP-Na的质量分数为15 %时，阻燃聚酯的极限氧指数为28.5 %，且UL 94达到V-0级。

方孝芬等[16]采用对苯二甲酸(PTA)、乙二醇(EG)并添加第三单体(SIPE)、第四单体(PEG)和第五单体(亲水性)进行共聚反应制备高亲水聚酯切片。通过亲水聚酯切片和含共聚阻燃剂(CEPPA)的阻燃母粒共混熔融纺丝的方法制备具有阻燃功能和高亲水功能的聚酯纤维，并对其阻燃性能和亲水性能进行测试。结果表明，经改性后的聚酯切片热稳定性与PET相比变化不大，极限氧指数大于30 %，得到的亲水阻

燃聚酯的亲水性，热稳定性及阻燃性能良好。

潘倩倩等[17]研究了含聚[9,10 - 二氢 - 9 - 氧杂 - 10 - (2,5 - 二羟基苯基)磷杂菲

基 - 10 - 氧化物]苯基硫代膦酸酯(PDPTP)添加剂的PET复合体系的阻燃性能。结果显示，加入质量分数为10 %的PDPTP后，点燃时间从47 s延长到63 s，PET 的最大热释放速率急剧地降低了57 %，比消光面积降低31.26 %，显示了其优异的阻燃与抑烟性。

邓义等[18]对一种含硫聚膦酸盐 - 聚硫代苯基膦酸(9,10 - 二氢 - 9 - 氧杂 - 10 -

膦酰杂菲)苯撑酯(PDPTP)在PET中的阻燃机理进行了研究。采用裂解色谱 - 质谱

分析(PY-GC-MS)、热重 - 红外分析和X射线光电子能谱(XPS)等方法对

PET/PDPTP复合材料的热解产物进行分析。结果表明，PDPTP的存在有利于炭

层的形成，延迟了炭层的分解。对其阻燃性能测试，当PDPTP含量为10 %时，

其改性的PET材料的极限氧指数可达47 %；当PDPTP含量为5 %时，材料的垂直燃烧性能可达UL 94 V-0级。

Kilinc等[19]为了增加PET的阻燃性，使用不同的阻燃剂如磷酸三苯酯、三苯基氧化膦、硼酸锌、硼磷酸盐(BP)改性。复合材料使用双螺杆挤出机制备，并随后注射成型以用作表征。通过极限氧指数试验测定的复合材料的阻燃性能。在燃烧过程中的冒烟情况通过百分比透光率来评估。PET复合材料的热稳定性和拉伸性能分别通过热重分析和拉伸试验与纯PET进行比较。当在PET里加入5 %BP和5 %磷酸

三苯酯时，和纯PET相比，其极限氧指数从21 %提高到36 %。根据烟浓度分析，BP是一种抑烟剂。相对于纯PET，阻燃PET复合材料拉伸性能得到了增强。

Li[20]用环磷腈的对烯丙基醚酚衍生物(PACP)作为熔融共混改性PET的阻燃性能

的填料。探讨了阻燃剂的作用机理，研究了阻燃剂含量对其力学性能的影响。结果显示，当5 %浓度的PACP(磷含量为0.37 %)时，能明显提高PET/PACP的阻燃

性能。且对PET的力学性能影响不大。PET/PACP的高阻燃性能是由于凝聚相阻

燃剂和气相阻燃剂的共同作用。

Thumsorn[21]以回收PET(RPET)和5 %～10 %的滑石粉和玻璃珠以及加入2 %

的聚磷酸铵(APP)，用双螺杆挤出机注射成型。研究填料含量和APP对RPET复合材料阻燃性能的影响。滑石粉和玻璃微珠以及添加APP显著提高了RPET复合材

料的拉伸强度和弯曲模量。扫描电子显微镜照片表现出滑石粉的分布良好，而玻璃珠则聚集在RPET的母体上。RPET复合材料阻燃性能达到UL 94 V-2阻燃等级。可以指出，由于添加的滑石粉和玻璃珠与APP的协同作用，复合材料没有滴落效果。从热重分析看出，大的残炭量和低的活化能表明RPET的阻燃性能得到增强。

1.1.3 后处理法

张春花等[22]以磷酸、季戊四醇和二乙醇胺合成阻燃剂，并对PET织物进行阻燃

整理。发现当阻燃剂质量浓度为250 g/L，烘焙条件为180 ℃焙烘120 s时，自

制阻燃剂对PET具有很好的阻燃效果，能起到抗熔滴作用，整理PET织物的续燃

时间为0 s，阴燃时间为0 s，达到GB/T 50222—2001的B1级标准。

陈冠宇等[23]用一种新型含磷腈环和磷酸酯的阻燃剂制备阻燃涂层PET织物，研

究其对PET织物的阻燃性能。通过极限氧指数和垂直燃烧性能研究其在PET织物

上的阻燃效果。结果表明：当阻燃剂用量仅为5 %时，极限氧指数可达28.0 %，

属于难燃等级，可以达到B1级别，且具有良好的抗熔滴性。

李芬等[24]以N,N - 双(2 - 羟甲基)氨基乙基磷酸二甲酯与甲苯二异氰酸酯反应合

成出磷 - 氮阻燃水性聚氨酯，应用于PET织物上，制备出阻燃PET。与未阻燃整

理的PET织物相比，阻燃整理的PET织物的极限氧指数提高了5.7 %，垂直燃烧

性能达到GB/T 5455—1997 B1级，燃烧后布面干净，并具有良好的耐水洗性能。PET织物燃烧后表面形成致密、光滑、无空洞的炭层，炭层中磷含量远远超过阻燃织物中原始含量，磷富集于炭层表面。阻燃整理织物的热失重曲线上快速热解阶段缩短，最大分解速率减小了32.7 %。

丁佩佩等[25]采用自制的膨胀型阻燃剂IFR-1对PET织物进行阻燃整理，探讨了

阻燃剂用量、烘焙时间对阻燃效果的影响，确定了最佳阻燃整理工艺。结果发现，膨胀型阻燃剂对PET有很好的阻燃效果，并能起到抗熔滴作用，极限氧指数值为28.5 %，阴燃、续燃时间均为0 s，在空气氛围下残炭量达9.52 %，均远大于纯PET，阻燃剂自身有很好的成炭性，也促进了PET的成炭，阻燃PET的起始分解

温度低于纯PET，同时拓宽了PET的分解温度范围。

李祥等[26]以双三羟甲基丙烷、三氯氧磷和乙醇胺为原料，合成多功能整理剂双三羟甲基丙烷磷酸酯乙醇胺盐，并用于PET织物后整理。发现整理剂质量浓度为

200 g/L、焙烘温度为160 ℃、焙烘时间为180 s时，整理后织物的阻燃效果显著，抗静电性能良好。

臧文慧等[27]采用丙烯酰胺(AM) - 乙烯基三甲基硅烷(VTMS)水相共聚包裹聚磷酸铵(APP)的方法制备一种新型阻燃水溶胶体系，并用浸轧的方法将该阻燃体系附着到PET织物表面。当AM添加量为10 %(质量分数，下同)、VTMS添加量为1 %、APP添加量为25 %时，所得阻燃水溶胶体系均匀稳定，可固化成胶，且当烘焙温度为150 ℃时，所得改性后PET织物具有较好的阻燃性能和耐水洗性，且力学性能受到的影响较小。

从长远来看，阻燃PET的发展应该向着无毒、环保、高效的方向发展。目前所使

用的阻燃剂多为磷氮系阻燃剂，此类阻燃剂在阻燃过程中不仅能降低材料的热释放速率，提高阻燃效果，还克服了卤系阻燃剂燃烧时易释放出刺激性和腐蚀性气体以及大量有毒烟气的缺点，是目前阻燃剂发展的主要趋势[28]。虽然磷系阻燃剂在使用过程中不会产生有毒物质，但是阻燃剂生产和中间体有一定的毒性。因此磷系阻燃剂也有一些问题急需解决。应继续加强阻燃PET的研究，开发出更好的改性方

法以及更优良的阻燃剂体系。

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