韋寶權,洪曉東*,梁 兵
(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新123000;2.沈陽化工大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽110142)
無鹵膨脹復合阻燃低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯酯共混物的研究
韋寶權1,洪曉東1*,梁 兵2
(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新123000;2.沈陽化工大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽110142)
分別采用三聚氰胺氰尿酸鹽(MCA)、微膠囊紅磷(MCP)以及氫氧化鎂[Mg(OH)2]等與膨脹型阻燃劑PNP進行復配,研究了不同阻燃劑及其配比對低密度聚乙烯/乙烯-醋酸乙烯酯(PE-LD/EVA)共混物的阻燃和力學性能的影響。結果表明,在PE-LD/EVA為70/30的基體樹脂中,當復合阻燃劑的含量為35%時,PNP/MCA的最佳配比為3/2,阻燃材料的極限氧指數(shù)為30.8%;PNP/MCA/MCP的最佳比例為24/16/4,阻燃材料極限氧指數(shù)為32.3%;PNP/MCA/MCP/Mg(OH)2的最佳比例為24/16/4/22,阻燃材料的極限氧指數(shù)為30.9%,垂直燃燒達到UL 94V-0級,拉伸強度為11.1MPa,斷裂伸長率為80.6%。
低密度聚乙烯;乙烯-醋酸乙烯酯;膨脹型阻燃劑;無鹵阻燃;協(xié)同效應
目前,阻燃材料正在向著低煙、低毒或無毒、無鹵化、復合及協(xié)效等方向發(fā)展[1-2]。傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑在燃燒時發(fā)煙量大并產(chǎn)生有毒氣體,無機阻燃劑燃燒時雖然發(fā)煙量很低且不產(chǎn)生有毒氣體,但添加量較大,會影響制品的力學性能。膨脹型阻燃劑是一種新型阻燃劑,主要包括酸源、氣源和碳源3個組分,膨脹型阻燃材料燃燒過程中,因在材料表面生成一層蓬松、多孔的炭層而具有隔熱、隔氧、抑煙且無熔滴生成的特點,由此被認為是實現(xiàn)阻燃劑無鹵化的很有希望的途徑之一[3]。目前,在研究膨脹阻燃體系的過程中發(fā)現(xiàn)了一系列新型協(xié)效劑[4-5],如纖維素、聚酰胺以及金屬氧化物、沸石、鋁硅酸等,雖然其協(xié)效阻燃機理各不相同,但都能顯著提高材料的阻燃性能。國內外的一些學者做了大量提高膨脹型阻燃劑阻燃效率的研究,發(fā)現(xiàn)一些硅鋁酸鹽、固體酸、金屬氧化物等對膨脹阻燃體系都有一定的協(xié)效作用,在很大程度上提高了膨脹型阻燃劑的阻燃效率。閆愛華等[6]研究了可膨脹石墨與膨脹型阻燃劑協(xié)同阻燃線形低密度聚乙烯(PE-LLD)體系,結果表明,可膨脹石墨與膨脹型阻燃劑復配時體系的極限氧指數(shù)明顯提高,其熱穩(wěn)定性增強,熱降解速率降低,殘?zhí)柯侍岣?,可膨脹石墨與膨脹型阻燃劑具有很好的協(xié)同阻燃作用。蔡挺松等[7]的研究表明,在聚磷酸銨(APP)與季戊四醇(PER)復配阻燃聚丙烯(PP)體系中添加5%的納米氫氧化鋁時,阻燃體系的極限氧指數(shù)可增加6%。呂艷紅等[8]采用APP與PER復合膨脹型阻燃劑阻燃PP,研究了不同含硅物質如硅膠、硅酮以及硅晶纖維對膨脹阻燃PP性能的影響,結果表明,3種物質與膨脹型阻燃劑都存在一定的協(xié)同效應,其中硅膠與膨脹型阻燃劑的協(xié)同效應最好。
本文主要針對高效膨脹型阻燃劑PNP成本高且熱穩(wěn)定性較差等問題,選擇了MCA、MCP以及Mg(OH)2等阻燃劑進行復配,制備出復合膨脹阻燃體系,并用于阻燃PE-LD/EVA共混物,在提高材料的阻燃及力學性能的同時大大降低了成本。
PE-LD,18D,中國石油大慶石化公司;
EVA,18-3,北京有機化工三廠;
PNP,JLS-PNP1,杭州捷爾思阻燃化工廠;
MCA,工業(yè)級,18μm,青島海大化工有限公司;
MCP,平均粒徑8μm,河北藁城市科利化工廠;
Mg(OH)2,環(huán)保型,10μm,遼寧海城市精華微粉廠。
雙螺桿擠出機,TSE-35A,南京瑞亞高聚物裝備有限公司;
注塑機,NG-120A,無錫格蘭機械有限公司;
氧指數(shù)測定儀,HC-2C,南京江寧分析儀器公司;
水平垂直燃燒測定儀,CZF-3,南京上元分析儀器有限公司;
電子萬能試驗機,RGM-3010,深圳瑞格爾測試儀器有限公司。
將稱量好的阻燃劑粉體顆粒放入高速混合機中,采用硅烷偶聯(lián)劑(1%)進行表面改性,然后用鼓風干燥箱干燥備用;將PE-LD、EVA樹脂和表面改性的無機阻燃劑按配比放入高速混合機中,PE-LD/EVA均為70/30,PNP單獨阻燃時添加量為30%,復配阻燃時阻燃劑總添加量為35%,其中PNP/MCA分別為1/2、1/1、3/2、2/1、5/2、3/1;PNP/MCA/MCP分別為24/16/2、24/16/4、24/16/6、24/16/8;PNP/MCA/MCP與Mg(OH)2的配比分別為5/1、2/1、1/1、1/2、1/5,混合均勻后放入雙螺桿擠出機中擠出造粒,雙螺桿擠出機一~六區(qū)的溫度分別為:170、175、185、195、190、175℃,機頭溫度為175℃,干燥后用注塑機制得試樣,用來進行力學性能測試和阻燃性能測試。
按照GB/T 1040—1992測試樣品的拉伸強度,拉伸速率為5mm/min;
按照GB/T 2406—1993測試樣品的極限氧指數(shù),樣條尺寸為125.0mm×6.5mm×3.0mm;
按照GB/T 2408—1996測試樣品的垂直燃燒等級,樣品尺寸為125.0mm×13.0mm×3.0mm。
由于PE-LD的阻燃性能很差并且是非極性材料,其與極性較強的無機類阻燃劑的溶度參數(shù)相差很大,一般需要對樹脂加以改性,本文選取EVA與PE-LD共混來提高PE-LD的極性和阻燃性能。前期實驗表明,PE-LD/EVA為70/30時,材料的極限氧指數(shù)為19.1%,拉伸強度為10.9MPa,斷裂伸長率為182.4%。因此,在以后的研究中,基體樹脂均采用PE-LD/EVA為70/30的共混物。
如表1所示,隨著PNP含量的增大,阻燃PE-LD/EVA材料的拉伸強度逐漸上升,斷裂伸長率逐漸下降,極限氧指數(shù)呈逐漸上升的趨勢。通過比較可以看出,當PNP含量為30%時,阻燃材料的極限氧指數(shù)達到30.7%,垂直燃燒能夠達到UL 94V-0級,拉伸強度為11.7MPa、斷裂伸長率為120.8%,在滿足阻燃要求的基礎上,30%的含量即可達到很好的阻燃效果并且對材料力學性能影響很小,證實該阻燃劑具有很高的阻燃效率,考慮到該阻燃劑價格昂貴,本文對該阻燃劑進行復配,力求降低成本的同時滿足阻燃性能。
表1 PNP含量對PE-LD/EVA共混物性能的影響Tab.1 Influence of PNP contents on the properties of PE-LD/EVA blends
選用含氮的MCA阻燃劑與PNP進行復配,目的是發(fā)揮MCA的協(xié)同作用并且能夠降低阻燃劑成本,固定PNP和MCA阻燃劑的總含量為35%,改變PNP/MCA的比例,測得阻燃材料的性能如表2所示。從表2可以看出,隨著PNP/MCA混合物中PNP含量的增大,材料的拉伸強度逐漸下降而斷裂伸長率逐漸上升,表明復合阻燃劑中PNP含量的增大會導致材料的拉伸強度有一定的下降;而對于阻燃性能,MCA所占的比例越大則阻燃效果越差,當PNP/MCA的比例達到3/2時,材料的極限氧指數(shù)為30.8%、垂直燃燒達到UL 94V-0級,拉伸強度為11.8MPa、斷裂伸長率為81.4%。由于MCA的加入可以大大降低阻燃劑的成本并且兼顧阻燃性能,所以PNP/MCA的最佳比例為3/2。
表2 PNP/MCA的配比對PE-LD/EVA共混物性能的影響Tab.2 Influence of weight ratios of PNP/MCA on the properties of PE-LD/EVA blends
采用PNP/MCA的最佳比例3/2,力求提高阻燃效率的同時降低成本,本文在固定PNP、MCA配比的基礎上加入MCP,在控制阻燃劑總含量為35%的前提下改變MCP的含量,測得材料的性能如表3所示。從表3可以看出,MCP的加入明顯改善了材料的阻燃性能,隨著MCP含量的增大,材料的極限氧指數(shù)迅速上升,當PNP/MCA/MCP比例為24/16/4,即MCP占復合阻燃劑的9%時,材料的阻燃性能達到UL 94V-0級,可見MCP對PNP/MCA膨脹阻燃體系的協(xié)同作用非常明顯,可以顯著提高阻燃效率。綜合考慮力學性能和阻燃性能,得出最佳復合體系為PNP/MCA/MCP=24/16/4,此時材料的極限氧指數(shù)為32.3%、垂直燃燒達到UL 94V-0級,拉伸強度為12.0MPa、斷裂伸長率為81.9%。由于MCP的加入會影響到材料的顏色,因此在設計紅色或深色產(chǎn)品時可以考慮采用本組最佳配方,可以在保證材料力學性能下降不大的情況下顯著提高產(chǎn)品的阻燃性能。
表3 PNP/MCA/MCP的配比對PE-LD/EVA共混物性能的影響Tab.3 Influence of weight ratios of PNP/MCA/MCP on the properties of PE-LD/EVA blends
為了進一步降低阻燃劑成本,選用了價廉的無機阻燃劑Mg(OH)2進行復配。固定樹脂PE-LD/EVA的配比為70/30,按照PNP/MCA/MCP比例為24/16/4配制成復合阻燃劑作為一個組分稱之為膨脹體系,固定膨脹體系與Mg(OH)2的總含量為35%,改變膨脹體系與Mg(OH)2的配比制備復合阻燃材料,測得其性能如表4所示。從表4可以看出,材料的阻燃性能隨著Mg(OH)2含量的增大而迅速下降,表明無機阻燃劑的加入會導致該阻燃體系的阻燃效率大大降低,綜合考慮阻燃劑的成本和性能,得出膨脹體系/Mg(OH)2的最佳比例為2/1,即PNP/MCA/MCP/Mg(OH)2復合阻燃體系的最佳配比為24/16/4/22,此時材料的極限氧指數(shù)為30.9%,垂直燃燒達到UL 94V-0級,拉伸強度為11.1MPa、斷裂伸長率為80.6%。結果表明,通過本組復合體系配方的研究,在35%的含量時完全能夠滿足材料的阻燃性能,充分體現(xiàn)了Mg(OH)2阻燃劑良好的阻燃協(xié)同效應,占總阻燃劑含量的1/3的Mg(OH)2大大降低了阻燃劑的成本。
表4 膨脹體系/Mg(OH)2的配比對PE-LD/EVA共混物性能的影響Tab.4 Influence of weight ratios of intumescent system/Mg(OH)2on the properties of PE-LD/EVA blends
綜上所述,新型膨脹阻燃劑PNP具有無鹵、低毒、高效等特性,其阻燃機理較為復雜,吸熱冷卻、稀釋、形成隔熱層和終止自由基鏈反應等途徑在阻燃過程中都能得到體現(xiàn)。在復合阻燃體系中MCA、MCP和Mg(OH)2均起到了顯著的阻燃協(xié)同效應,當溫度升高到240℃時體系的MCP被氧化成非可燃性液態(tài)膜,進而脫水生成聚偏磷酸,聚偏磷酸是很強的脫水劑,在高溫下使聚合物表面形成炭化層,起到阻燃作用;當溫度升到340℃時,Mg(OH)2受熱分解吸收大量的熱量,阻止燃燒物繼續(xù)受熱,并且分解產(chǎn)生大量水蒸氣,稀釋可燃性氣體,也起到阻燃作用,分解后生產(chǎn)的金屬氧化物熔點高,熱穩(wěn)定好,覆蓋于燃燒物表面阻擋熱傳導和熱輻射。同時,在350℃左右,MCA升華吸熱可分解生成三聚氰胺和氰尿酸,除了發(fā)揮三聚氰胺的阻燃作用外,氰尿酸的存在也可以降低材料的熱穩(wěn)定性,進一步催化聚合物降解為低聚物,從而降低熔體黏度,迅速產(chǎn)生熔滴,更有效地帶走熱量,起到阻燃作用。由此可見,本文制備的PNP/MCA/MCP/Mg(OH)2多組分復合阻燃劑大大降低了成本,具有非??捎^的應用前景,尤其適合制備阻燃電纜料。
(1)MCA與膨脹型阻燃劑PNP有良好的協(xié)同效應,對于配比為70/30的PE-LD/EVA材料,PNP和MCA的最佳比例為3/2,且阻燃劑填充總量為35%時,材料的極限氧指數(shù)為30.8%、垂直燃燒達到UL 94V-0級;
(2)MCP與PNP/MCA阻燃體系具有很好的協(xié)同效應,當PNP/MCA/MCP配比為24/16/4且阻燃劑填充總量為35%時,阻燃PE-LD/EVA材料的極限氧指數(shù)為32.3%,垂直燃燒達到UL 94V-0級;
(3)當復合阻燃體系PNP/MCA/MCP/Mg(OH)2的配比為24/16/4/22且阻燃劑填充總量為35%時,阻燃PE-LD/EVA材料的極限氧指數(shù)為30.9%,垂直燃燒達到UL 94V-0級,大幅降低了阻燃劑的成本。
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Study on Non-h(huán)alogen Intumescent Complex Flame Retardant for PE-LD/EVA Blends
WEI Baoquan1,HONG Xiaodong1*,LIANG Bing2
(1.College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,F(xiàn)uxin 123000,China;2.College of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China)
Melamine cyanurate(MCA),microcapsule red phosphorus(MCP),and magnesium hydroxide[Mg(OH)2]were compounded with an intumescent flame retardant PNP to prepare a multi-component flame retardant.The performance of the flame retardants in low-density polyethylene/ethylene-vinyl acetate(PE-LD/EVA)blends was studied.When the matrix resins of PE-LD/EVA was 70/30,the content of complex flame retardants was 35%,the weight ratio of PNP/MCA was 3/2,the limited oxygen index reached 30.8%.When weight ratios of PNP/MCA/MCP=24/16/4was used,the limited oxygen index was 32.3%.A limited oxygen index of 30.9%was observed at weight ratios of PNP/MCA/MCP/Mg(OH)2=24/16/4/22,the vertical combustion level reached UL 94V-0,and the tensile strength was 11.1MPa,the elongation at break was 80.6%.
low-density polyethylene;ethylene-vinyl acetate;intumescent flame retardant;nonhalogen flame retardancy;synergistic effect
TQ325.1+2
B
1001-9278(2012)04-0031-04
2011-11-30
*聯(lián)系人,hxd9917@163.com
(本文編輯:劉 學)