作为五大通用塑料之一，聚丙烯在交通运输、建筑、电工器材、航空航天等领域有着极为广泛的应用。然而，随着下游应用的发展，很多场景对聚丙烯提出了阻燃的需求。长期以来，聚丙烯的阻燃改性一直是业界关注的重点。
此前，聚丙烯要实现阻燃，通常只能由下游改性厂进行二次加工改性。由中石化(北京)化工研究院有限公司(以下简称北化院)自主开发的V-2级阻燃聚丙烯树脂实现了突破：从树脂粉体造粒阶段加入高效阻燃剂，一次加工生成V-2级阻燃聚丙烯。该产品因此获评中国石油和化学工业联合会2023年度化工新材料创新产品。
近日，《中国化工报》记者采访了V-2级阻燃聚丙烯树脂项目团队的4位成员。
实现在线阻燃改性——填补石化装置生产阻燃聚丙烯空白
聚丙烯树脂的极限氧指数为17%至18%，一经点燃迅速燃烧至完全，并产生大量带焰熔滴，导致火焰的二次传播，具有较高的火灾风险，对生命财产造成威胁。因此，近年来阻燃聚丙烯市场持续扩大。
“我国阻燃聚丙烯市场规模已超过150万吨/年，现有生成方式是下游改性厂对聚丙烯树脂二次加工改性，原料的生产与阻燃剂的添加相互独立。该方式存在阻燃剂在聚丙烯基体中分散效果不佳、阻燃效率降低、产品综合性能易衰减等问题。”北化院塑料加工研究所李杰教授告诉记者，项目组采用在线改性，将阻燃改性引入石化生产线，在树脂粉体造粒阶段加入阻燃剂，在石化厂直接生成V-2级阻燃聚丙烯产品，具有阻燃效率高、减少树脂性能损失、节约成本等优势。
“我们通过中试和工业实验，在传统配方基础上不断优化，克服阻燃效率低、装备适配性差等难点，得到了适用于石化生产装置的V-2级阻燃聚丙烯用复合阻燃助剂包，填补了石化装置生产阻燃聚丙烯的空白。”项目组王宇韬博士介绍说。
据了解，聚丙烯阻燃改性后，按照UL94标准测试样品的垂直燃烧性能，阻燃等级分为HB、V-2、V-1、V-0，阻燃效果依次递增。通用聚丙烯树脂达到的阻燃等级一般为HB级或更低，达到V-2级则意味着阻燃性能有了明显提升。实验结果显示，与HB级材料相比，V-2级材料在火焰移开后能在更短时间内自行熄灭，减少了火灾蔓延的风险。这不仅提高了材料的安全性，也扩大了聚丙烯树脂在对阻燃性能有更高要求领域的应用范围，如电子电气、建筑材料、汽车工业等领域。
优化阻燃体系——平衡阻燃性能和力学性能
“加入阻燃剂后，如果分散性不好、与聚丙烯基材的相容性不好，会让基材本身的性能发生衰减。也就是说，加入阻燃剂提高聚丙烯阻燃性能的同时，可能会影响材料的力学性能和耐候性能。如何调和这一矛盾成为关键。”王宇韬表示，筛选合适的阻燃体系并确定其最佳配比，是V-2级阻燃聚丙烯树脂研发的难点所在。此外，研发中还需确保阻燃剂均匀分散在聚丙烯中，让两者相辅相成、和谐相容，避免因团聚而降低阻燃效果。
为此，项目团队通过原位附载和表面改性形成高效阻燃分散体系，提升阻燃剂在树脂基体中的分散性。
“传统二次改性过程中，如果阻燃剂在聚丙烯基材里分散得不好，做出的制品会出现表面瑕疵，如膜材料上的白点、马桶盖上的熔接痕。”项目组成员王兴国博士介绍说，“我们采用了高效的分散体系，生产出的阻燃聚丙烯后续再做片材、膜等材料时，产品的外观性能较后改性产品有了提升，制品的合格率也相应提高。”
“二次改性加工会带来性能上的衰减与下降。此外，下游改性厂二次改性添加的阻燃剂较多。而我们在阻燃剂的选择和配方设计上进行优化，通过添加较少的阻燃剂，就能实现同样的阻燃功能。这样免去了二次改性的加工成本，又减少了阻燃剂添加量，阻燃聚丙烯产品的成本就降低了，使用起来也更加便捷。”李杰表示。
此外，随着环保法规日益严格，开发无毒、低烟、无卤的环保型阻燃剂成为必然趋势。王兴国介绍说，他们的产品在具备阻燃效果的同时，还满足环保要求，减少了对环境和人体健康的影响。
不同领域定制化——通过功能化提高聚丙烯附加值
利用该技术， 2023年广州石化生产了牌号为PPH-M12-HR的阻燃均聚聚丙烯产品65吨，已尝试应用于卫浴产品。
据了解，目前V-2级阻燃聚丙烯树脂的注塑级产品可用于开关、卫浴等方面；片材挤出级产品可用于土工格栅，以及电子电气的封装膜等领域。“不同下游领域对原料树脂的性能要求不一样，为此，我们针对不同的应用领域选用不同的基础树脂，然后确定阻燃配方，再解决工业化连续生产的问题，实现了不同领域的产品定制化。”项目组李书亮博士说。
李杰认为，当前聚丙烯通用料供需失衡，开发功能性聚烯烃树脂成为产业发展的重要方向。
“V-2级在整个阻燃级别里不算高，我们在综合考虑后才决定以V-2为切入点来做这个产品。未来我们将不断优化，从纵向维度把阻燃做深，把产品的阻燃效率做高。”王宇韬表示，他们还计划在广度上增加其他功能，比如抗菌、抗静电、高抗冲等。
