目前应用于汽车零部件的阻燃高分子材料主要以PP、PU、ABS及PC等材料为主,针对部分汽车零部件的特殊需求,同时开发了一系列高性能的阻燃高分子材料。环保、高效、具有优良机械加工性能和力学性能的阻燃高分子材料是汽车零部件用改性塑料的发展方向。
与传统燃油车相比,新能源车增加了电池组、充电站、充电枪等部件,单体新能源车电池组的工程塑料用量约为30kg,新能源车的塑料壳目前主要为改性PP、充电枪等部件。充电站由于高使用标准和苛刻的使用环境,对工程塑料的需求很大,一个充电站需要约6公斤的工程塑料,目前常见的主要是PBT、PA和PC等。
高分子材料应用于汽车零部件,必须保障材料的阻燃防火性能符合国家标准。由于大部分高分子材料阻燃性不够,应用于汽车零部件时,需要改良阻燃性,制备具有阻燃性的高分子材料,将其极限氧指数(LOI)提高到25.0%~35.0%,有效提高汽车的安全指数。
高分子材料的燃烧机理和阻燃机理
1、高分子材料的燃烧机理
温度、可燃物和氧气是火灾发生的三要素。
温度上升到一定值后,高分子材料通过热首先分解为高分子化合物,之后也继续分解为低分子化合物。这些低分子量化合物是挥发性可燃物质,在空气中积累到一定浓度后会发生燃烧现象,燃烧热的释放进一步促进了高分子材料的分解。高分子材料的燃烧分为热氧的分解和燃烧两个过程。
2、高分子材料的阻燃机理
高分子材料的燃烧机理表明,阻燃可以通过缓解或阻止一个或多个因素来实现。高分子材料的阻燃机理一般分为气相阻燃、凝聚相阻燃和换热中断阻燃三大类。
1)气相阻燃机理:阻燃剂热分解产生不燃性气体,系统内可燃性气体和氧气的浓度下降,火焰燃烧过程中止;阻燃高分子材料在燃烧时释放大量惰性气体,稀释O2终止燃烧过程,还可能释放大量高密度蒸汽窒息燃烧,终止燃烧过程。
2)凝聚相阻燃机理:阻燃剂的加入加速了高分子材料聚合物中化学键的断裂,通过阻燃剂的热解吸热过程降低可燃物的表面温度,缓解或中止燃烧;阻燃剂热分解过程中产生阻燃、隔热的多孔碳层复盖燃烧物表面,碳层保护可燃物内部的基体,阻隔可燃气体和热的扩散,缓和或中止了高分子材料的燃烧。
3)中断热交换的阻燃机理:是指使阻燃高分子材料燃烧产生的热的一部分移动,使可燃物的温度低于材料的热分解温度,无法维持挥发性物质的产生,通过燃烧结束而阻燃化。根据不同的阻燃机理,阻燃剂一般分为添加型阻燃剂和反应性阻燃剂两种。对高分子材料燃烧和阻燃理论的研究,可以为寻找新型高性能阻燃剂、确定合适的阻燃方法、提高阻燃水平提供理论依据,为汽车零部件用高分子材料提供更高效的阻燃解决方案。
阻燃高分子材料在汽车零部件上的应用
目前,在汽车重物、新能源车电池组等汽车零部件上,高分子材料的应用身影随处可见。高分子材料在车用零部件上的应用和提高汽车安全性的需求,促进了阻燃高分子材料的发展。目前应用的阻燃高分子材料主要以PP、PU、ABS和PC为主,也有根据汽车零部件的特殊需求使用复合材料(合金化)、PA、PBT和PMMA等材料。
1、阻燃PP
聚丙烯(PP)是车用塑料中用量最多的高分子材料,具有优良的耐化学药品性,且加工过程简单,成本低,适用于汽车仪表板、电池组外壳、车门护板、立柱、座椅护板、保险杠等未添加阻燃剂前的PP阻燃型较差,其极限氧指数(LOI)为17.8%,事故后易燃。目前,国内外汽车阻燃性PP研究主要以聚丙烯基体的改性为中心,同时通过添加低毒性、无卤素阻燃剂,开发出具有优异力学性能和阻燃效果的聚丙烯复合材料,满足汽车零部件的阻燃需求。
目前,适用于聚丙烯的阻燃剂主要是添加型阻燃剂,有卤素类阻燃剂(溴类阻燃剂或溴-锑共轭阻燃类)、无机填充型阻燃剂)、三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺酸铵、磷腈、磷酸烯随着MPP等常用的严格环保政策的实施和无卤化的普及,高分子材料用阻燃剂的无卤化已是大势所趋。
以聚丙烯为基体,长纤维为填充材料,加入磷酸氮类无卤膨胀型阻燃剂、三聚氰胺尿酸盐、聚膦酸三聚氰胺盐制备的长纤维增强无卤阻燃聚丙烯电池。制造过程中采用双母粒子制造法,分别制造长纤维长纤维母粒子和无卤素阻燃母粒子,两者均匀混合后,直接用注塑制造阻燃PP产品。二母粒子制造法可以避免长纤维母粒子制造过程中过度剪切引起的剪切区域温度上升导致的阻燃剂分解和短纤维长度导致的力学性能下降。聚丙烯纤维/木纤维/麻纤维三元复合材料是常见的汽车内饰材料。
在阻燃PP无卤改性技术中,IFR因其对PP加工流动性、低密度优势的影响最小且优异的阻燃效率以及用量少、低烟无毒等优点被认为是无卤阻燃PP中最有前景的发展方向之一。
阻燃PP在我国起步晚,但发展迅速。特别是近年来快速增长的新能源汽车行业直接推动了阻燃PP需求量的快速增长,国内许多高校、科研机构和企业都参与了车用零部件阻燃PP的开发。今后,车用阻燃PP的研究将重点放在效率和环境保护上,通过将无卤阻燃剂、膨胀型阻燃剂、磷腈系阻燃剂及复配型阻燃剂同时与其他助剂组合,开发性能优异的阻燃PP材料。
2、阻燃ABS
ABS是世界上使用量最大的家电用高分子材料,我国约80%的ABS消费量用于家电生产。ABS因具有较强的塑料表面涂装耐久性和防腐性,是适合汽车涂装的典型材料,也应用于汽车零部件的生产。ABS树脂只含有c、h、o三种元素,自身具有阻燃性,因此在高温阶段稳定性差,容易燃烧;点火过程中也会产生异味气体和黑烟粒子,将其直接用于车辆零部件有安全隐患。因此,在使用前必须对阻燃性、耐热性进行改性处理。
卤素阻燃剂阻燃效率较高,其中溴系阻燃效果优于氯系,环境压力较大,但溴系阻燃剂依赖异常突出的阻燃效果和廉价成本两大优点,相对于一些阻燃标准严格的领域和阻燃性材料,溴系阻燃剂最为突出约70%的电子产品为溴类阻燃剂,其中十溴二苯乙烷主要用于ABS的阻燃。但是,随着环保无卤素的普及,将无卤素、磷酸氮类阻燃剂用于ABS也备受