PPにおけるリン系難燃剤の応用

リン系難燃剤は、高効率で信頼性が高く、広く使用されている難燃剤の一種であり、研究者から大きな注目を集めています。その合成と応用において、目覚ましい成果が達成されています。

1. PPにおけるリン系難燃剤の応用

ポリプロピレン（PP）の物理的特性は、その工業用途において重要な役割を果たします。しかしながら、その酸素指数（LOI）はわずか17.5%程度と低く、非常に可燃性が高く、燃焼速度が速いという欠点があります。工業用途におけるPP材料の価値は、難燃性と物理的特性の両方に左右されます。近年、難燃性PP材料においては、マイクロカプセル化と表面改質が主流となっています。

例1：シランカップリング剤（KH-550）とシリコーン樹脂エタノール溶液で改質したポリリン酸アンモニウム（APP）をPP材料に塗布した。改質APPの質量分率が22％に達すると、材料のLOIは30.5％に増加し、機械特性も要求を満たし、未改質APPで難燃化したPP材料よりも優れた性能を示した。

実施例2：APPをメラミン（MEL）、ヒドロキシシリコーンオイル、ホルムアルデヒド樹脂からなるシェルにin-situ重合法で封入した。このマイクロカプセルをペンタエリスリトールと混合し、PP材料に塗布して難燃性を得た。この材料は優れた難燃性を示し、LOIは32%、垂直燃焼試験はUL94 V-0であった。熱水浸漬処理後も、複合材料は良好な難燃性と機械特性を維持した。

実施例3：APPを水酸化アルミニウム（ATH）でコーティングして改質し、ジペンタエリスリトールと質量比2.5:1で混合してPP材料に使用した。難燃剤の総質量分率が25%のとき、LOIは31.8%に達し、難燃性等級はV-0を達成し、ピーク発熱速度は大幅に低下した。

2. PSにおけるリン系難燃剤の応用

ポリスチレン（PS）は非常に可燃性が高く、発火源を取り除いても燃え続けます。高い発熱量と急速な延焼といった問題に対処するため、ハロゲンフリーのリン系難燃剤はPSの難燃性において重要な役割を果たします。PSの一般的な難燃化方法には、コーティング、含浸、ブラッシング、重合段階による難燃化などがあります。

実施例1：N-β-(アミノエチル)-γ-アミノプロピルトリメトキシシランとリン酸を用いてゾルゲル法でリン含有難燃性発泡性PS用接着剤を合成した。塗布法を用いて難燃性PSフォームを作製した。温度が700℃を超えると、接着剤で処理したPSフォームは49%を超える炭化層を形成した。

世界中の研究者が、ビニル化合物またはアクリル化合物にリン含有難燃構造を導入し、これをスチレンと共重合させることで、新規なリン含有スチレン共重合体を製造しています。研究によると、リン含有スチレン共重合体は、純粋なPSと比較して、LOI（残留物積）と炭化残渣が大幅に改善されており、優れた熱安定性と難燃性を示しています。

例2：ビニル末端リン酸オリゴマーハイブリッドマクロモノマー（VOPP）をPS主鎖にグラフト共重合させた。このグラフト共重合体は固相メカニズムにより難燃性を示した。VOPP含有量の増加に伴い、LOI（熱負荷係数）は上昇し、ピーク発熱速度と総発熱量は減少し、溶融滴下は消失し、顕著な難燃効果が示された。

さらに、無機リン系難燃剤は、グラファイト系または窒素系難燃剤と化学的に結合させることで、PSの難燃性を高めることができます。また、コーティング法やブラシ塗布法を用いてリン系難燃剤をPSに塗布することで、材料のLOI（残留物濃度）と炭化残留物を大幅に改善することができます。

3. PAにおけるリン系難燃剤の応用

ポリアミド（PA）は非常に可燃性が高く、燃焼時に多量の煙を発生します。PAは電子部品や機器に広く使用されているため、火災のリスクは特に深刻です。主鎖にアミド構造を持つため、PAは様々な方法で難燃化することができ、添加剤型難燃剤と反応型難燃剤の両方が非常に効果的です。難燃性PAの中で、アルキルホスフィン酸塩が最も広く使用されています。

例1：PA6マトリックスにアルミニウムイソブチルホスフィン酸塩（A-MBPa）を添加して複合材料を調製した。難燃性試験において、A-MBPaはPA6よりも先に分解し、PA6を保護する緻密で安定した炭化層を形成した。この材料はLOI 26.4%、難燃性評価V-0を達成した。

例2：ヘキサメチレンジアミンとアジピン酸の重合中に、難燃剤ビス（2-カルボキシエチル）メチルホスフィンオキシド（CEMPO）を3重量%添加し、難燃性PA66を製造しました。研究の結果、難燃性PA66は従来のPA66と比較して優れた難燃性を示し、LOIが大幅に向上しました。炭化層の分析により、難燃性PA66の緻密な炭化表面には様々なサイズの細孔が含まれており、これが熱とガスの移動を遮断し、顕著な難燃性能を発揮していることが明らかになりました。

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