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聚磷酸铵阻燃剂生产工艺及其关键性状特点

2021-07-02 已有53人浏览 皖燃科技

聚磷酸铵在阻燃方面应用取得的实际成效已逐渐得到人们的认可。高收率、高纯度以及高聚合度的聚磷酸铵合成将进一步扩大其应用的范围。和西方发达国家相比,我国聚磷酸铵的工业化生产仍旧处于落后的水平,生产质量不尽如意;从而阻碍了聚磷酸铵的发展与应用,降低了其经济效益与社会效益。其中,生产工艺落实是出现这种局面的主要原因之一。基于此,本文笔者结合实际工作经验,就聚磷酸铵阻燃剂当前先进的生产工艺及其关键性状特点展开详细分析与论述,并阐述了聚磷酸铵阻燃剂的改性方法,望借此为实际工作提供参考的依据,从而充分发挥聚磷酸铵的阻燃功能。

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随着社会经济的快速发展,高分子材料在人们日常生活的不同方面以及国民经济的相关部门中得到越来越广泛的应用,但大多数高分子材料都属于易燃材料;因此,存在较大的安全隐患。尤其是部分体育馆、医院、大型商场等公共场所的装修采用大量易燃聚合物材料,这就使得阻燃剂的作用越来越突出。作为磷系无卤阻燃剂之一,聚磷酸铵阻燃剂凭借其高热稳定性、阻燃过程中使用量少、不影响原物质的力学性能、和有机物的相容性较好以及吸热分解后不会产生有害气体等特征,逐渐取代传统的氢氧化镁与氢氧化铝等卤系阻燃剂。基于此,全面深入研究聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺,能够为提高其阻燃效果奠定良好的基础,具有重要的现实意义。


1聚磷酸铵阻燃剂的关键性状与阻燃机理阐述


聚磷酸铵是一种磷氮系特效膨胀型无机阻燃剂,英文简称为APP;这种阻燃剂的关键性状为无毒抑烟、阻性性能持久、可以和其他物质形成良好的配合、产品基本为中性、具有较高的热稳定性能、关键性阻燃元素含量高等等。随着全球阻燃剂趋于无卤化方向发展,一聚磷酸铵为关键原料的膨胀型阻燃剂逐渐成为人们研究的重点方向。从外观上来看,聚磷酸铵表现为白色粉末状,包括水溶性与水难溶性两大类;其中聚合度处于10到20之间的我们称之为水溶性聚磷酸铵,亦被称之为短链聚磷酸铵;而聚合度超过20的我们称之为水难溶性聚磷酸铵,亦被称之为长链聚磷酸铵。同时,聚磷酸铵的阻燃机理也可被分为两大类,其一为气相机理,其二为凝相机理。其中凝相机理通常是指在阻燃过程中覆盖在燃烧物的外表面,经过化学反应生成具备较强脱水性且相互关联的玻璃态过磷酸,这种物质的挥发温度必须超过550℃,能够让含氧有机物快速脱水并碳化,生成的碳化物主要以具备三维空间的致密性结构为主,从而实现阻断燃烧的目的。而气相机理则通常是指聚磷酸铵阻燃剂在高温条件下分解成氨气以及二氧化碳,从而把燃烧体笼罩在其内,从而发挥出隔绝的作用,使燃烧体在无氧的条件下逐渐熄灭,完成阻断燃烧的任务。


2聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺分析


聚磷酸铵阻燃剂经过多年的研究,其目前的生产工艺有很多,概括来看包括氨气与磷酸二氢铵缩合法、氨气与正磷酸铵高温中合法、磷酸铵与五氧化二磷化合法、三氧化二磷与氨水高温气相反应法、聚磷酸氨化法、尿素与磷酸二氢铵缩合法以及尿素与磷酸缩合法等等。而目前常见的聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺有磷酸铵与五氧化二磷化合法、尿素与磷酸二氢铵缩合法以及尿素与磷酸缩合法这三种;因此,本文注重介绍了此三类聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺,具体内容如下:


2.1尿素与磷酸缩合法


把一定质量配比的尿素与磷酸混合放置到反应釜中,使混合物充分融合并分解,接着放入到沸腾床实施沸腾聚合,待混合物发泡完全之后,对排氨量进行适当调节,确保沸腾床中的氨气压力保持在合理的范围之内。随着温度的不断升高,混合物会发生聚合固话,继续控制反应的压力与温度,一定时间后待混合物完全冷却后出料。在整个反应过程中,尿素不仅是氨的主要来源,而且也挥着缩聚剂的作用,能够确保混合物在气相中保持充沛的氨浓度,从而保证聚磷酸铵能够顺利通过脱水缩聚制备而成。实际生产过程中,影响成品质量的主要因素包括:氨气分压、料层高度、缩合时间与温度以及原料配比。因此,为了确保缩合反应充分,应当适当提高聚合度以及含氮量。其中,尿素发挥着至关重要的作用,尿素量过少,则会导致含氮量低、聚合度不达标、缩合不完全;而如果尿素量过多,则会导致氨的损失大幅增加,同时不易固话;加热时间通常由温度绝度。尿素与磷酸缩合法制备聚磷酸铵的生产工艺主要优势在于风险系数小、成本低、工艺的相关参数能够很好控制且操作简单。因此,这种聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺在当前大多数中小企业中应用十分广泛。


2.2尿素与磷酸二氢铵缩合法


把尿素与磷酸二氢铵按照1:2的物质的量比进行充分混合,并将混合物放置在温度保持在220℃的箱式聚合炉中进行缩合反应,反应时间保持在一小时作用,冷却完全之后经过粉碎得到聚磷酸铵阻燃剂成品。就当前实际状况而言,采取此种生产工艺制备聚磷酸铵阻燃剂的时候需要加入如液体石蜡等溶剂。因为液体介质的存在导致两种原料能够分散均匀,所以能够确保完全反应,生成的氨气也不会快速“逃出”反应区,从而保证整个反应过程都保持良好的氨环境。但也存在明显的缺点,主要是聚合温度受限,同时在反应结束后,还需要对液体石蜡进行清除,间接增加了生产工序,提高了成本投入。


2.3五氧化二磷与磷酸铵聚合法


这种生产工艺能够采用五氧化二磷与磷酸二氢铵、磷酸氢二铵或者正磷酸铵进行聚合反应,在适宜的氨环境中,保持反应温度在280℃到300℃之间,反应时间维持在1.5小时到2小时之间。这种生产工艺制备而成的聚磷酸铵产品属于II型聚磷酸铵产品,主要特征为聚合度高、分解温度高、不易溶于水。且因为缩合剂以五氧化二磷为主,所以操作与生产工艺简单,废气排量少、成品质量高。此过程需要注意的是,五氧化二磷的使用因其具备较高的反应活性以及吸湿性,会对操作人员带来的一定的风险,所以必须做好相应的保护措施。除此之外,此生产工艺对设备要求较高,因此生产成本高。


3聚磷酸铵的改性


受生产条件的限制,聚磷酸铵的生产也受到的限制,如果设备和生产工艺落后,APP聚合度只能达到几十,为了发挥聚磷酸铵的阻燃作用,需要对其颗粒进行表面改性。改性方法如下。


3.1表面活性剂改性


在使用阴离子表面活性剂处理之后,水溶性的APP的吸水性能会得到大大降低,阴离子表面活性剂可以选择碳原子数是14到18的脂肪酸、三价金属盐、二价金属盐以及混合物。铝盐可以作为三价金属盐,钙盐、锌盐和美盐可以作为二价金属盐的选择。处理APP表面时需要使用到溶液。溶液的选择为不影响APP质量但是可溶解其表面活性剂的溶剂,如三氯甲烷、氯甲烷和二氯甲烷,还可以选择氯苯、甲苯和二甲苯。


除上面介绍的使用阴离子表面活性剂,还可以使用非离子和阳离子表面活性剂实现对APP进行改性。如碳原子数为14到18的脂肪醇、乙烯氧化物等。


3.2偶联剂改性


使用偶联剂可以有效提高APP阻燃效果。偶联剂作为有机化合物,具有两亲结构,将性质相差较大的材料进行连接,将复合材料的性能提高。偶联剂有铝酸脂偶联剂、钛酸偶联剂和硅烷偶联剂。应用作为广泛的是硅烷偶联剂。将其加入APP中,可以有效提高其阻燃性,还可以改善其吸水率、耐热性和吸湿性。


3.3三聚氰胺改性


今年来研究的热点问题之一就是使用三聚氰胺实现APP改性,常见的使用方法是将定量的聚磷酸铵和三聚氰胺混合,保证APP表面被三聚氰胺包裹,但这种方法会使得产品粉碎后,无法保证APP颗粒包覆的均匀程度,使得产品吸湿性存在问题。另一种方法是将尿素、磷酸铵和三聚氰胺加热进行混合,但这种方法也会杀跌产品吸湿性得不到保证。目前,最常用的方法是将APP表面包覆,再使用交联剂将三聚氰胺和APP颗粒连接,从而改善其吸水性。交联剂可以现则甲酰基、异氰酸基等。


4结束语


综上所述,聚磷酸铵是一种无机无卤阻燃剂,凭借其较高热稳定性、磷氮含量多、成品为中性且能够和其余阻燃剂混合使用、危害小、价格低等优势在当前防火工作中得到广泛应用。因此,提高聚磷酸铵阻燃剂的生产工艺,并掌握其关键性状特点,以此为基础,针对性在实际应用过程中存在的不足,实施针对性的改性措施,进一步提高聚磷酸铵阻燃剂的阻燃效果,充分发挥其阻燃的作用,维护社会的和平。