氫氧化鎂阻燃聚丙烯/蒙脫土復合材料的性能研究

李 青，顏 丹，申益蘭，張 浪，陸超燕（中國高嶺土有限公司，江蘇 蘇州 215151）

氫氧化鎂阻燃聚丙烯/蒙脫土復合材料的性能研究

李 青，顏 丹，申益蘭，張 浪，陸超燕
（中國高嶺土有限公司，江蘇 蘇州 215151）

【摘 要】將氫氧化鎂和有機蒙脫土按不同的份數添加到聚丙烯中，制備成標準樣條測試其力學性能和阻燃性能。結果表明，氫氧化鎂的加入能提高復合材料的阻燃性能和彎曲模量，但其沖擊性能和拉伸性能明顯降低。加入蒙脫土復配氫氧化鎂阻燃劑，復合材料的拉伸性能和氧指數能得到進一步提高，但沖擊性能和彎曲模量則會下降，而材料的垂直燃燒等級也沒有提高。當有機蒙脫土含量4%，氫氧化鎂含量50%時，復合材料氧指數為26%，垂直燃燒達到UL94 V-2級，缺口沖擊強度為5.84kJ/m2，拉伸強度為24.12MPa，彎曲模量為2 342MPa。

【關鍵詞】氫氧化鎂；蒙脫土；聚丙烯；力學性能；阻燃性能

1　引言

塑料燃燒造成的事故已經日益成為一個重大社會問題，未經阻燃處理的塑料產品在使用中受到極大的限制，塑料的阻燃改性日益受到人們的重視[1]。氫氧化鎂(MH)是一種常用的無機阻燃劑。它與同類無機阻燃劑相比，在使高分子材料獲得優(yōu)良的阻燃效果之外，還能夠抑制煙霧和鹵化氫等有毒氣體的生成，具有更好的抑煙效果，即氫氧化鎂除具有阻燃、消煙和填充三重功能，同時賦予材料無毒性、無腐蝕性。但其阻燃效率較低，通常添加量很大，這樣會使材料的力學性能和加工性能受到很大影響[2-3]。近些年來國內外研究者將常規(guī)的阻燃系統(tǒng)與納米級層狀硅酸鹽結合使用，即用常規(guī)阻燃劑與納米有機蒙脫土(OMMT)和聚合物組成二元或三元納米復合材料[4]，發(fā)現僅用少量納米層狀蒙脫土加入到聚合物中即可降低聚合物的可燃性[5]，從而減小常規(guī)阻燃劑的用量，以便能在提高材料的阻燃性的同時，改善材料的物理機械性能，即克服單一常規(guī)阻燃系統(tǒng)帶來的惡化基材料物理機械性能的弊端。

本文研究了氫氧化鎂阻燃劑和有機蒙脫土對聚丙烯(PP)基復合材料阻燃性能(如LOI、UL 94)的影響，并通過掃描電鏡分析復合材料燃燒后的炭層。同時，通過標準力學性能測試對MH/PP/OMMT復合材料進行研究，從而找到綜合性能較佳的配比。

2　試驗部分

2.1 主要原料

本試驗原料為：浙江安吉有機蒙脫土(OMMT)；燕山石化聚丙烯(PP)K8303；華都科技有限公司馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)；鄭州富龍新材料科技有限公司氫氧化鎂阻燃劑(MH)；其他試劑市售。

2.2 主要設備

同向雙螺桿共混擠出機SHJ-26，南京誠盟化工機械有限公司；塑料造粒機LQ系列，江蘇泰州鑫力橡塑機械有限公司；四缸全液壓螺桿注塑機JPH50，廣東泓利機器有限公司；SHR-高速混合機，張家港市輕工機械廠；恒溫干燥箱101-3，滬南電爐烘箱廠；懸臂梁沖擊實驗機，承德試驗機廠；電子拉力機HDW-20，深圳市凱強利機械有限公司；氧指數測定儀，濟南天辰試驗機制造有限公司；激光粒度測試儀Jl-1155型，成都精新粉體測試設備有限公司；掃描電子顯微鏡Quanator-200，荷蘭。

2.3 MH/PP/OMMT的制樣

按一定的質量比稱量MH、PP、PP-g-MAH、OMMT和硬脂酸鈣。先將MH、OMMT和硬脂酸鈣加入SHR-10A型高速混合機中，70℃下預混10min，隨后加入PP和PP-g-MAH繼續(xù)混合10min后出料，冷卻備用。MH、PP、PP-g-MAH、OMMT和硬脂酸鈣的具體質量配比如表1所示。

表1　復合材料成分配比(%)

將混合料加入SHJ-26型雙螺桿擠出機中，熔融共混擠出，造粒烘干。最后經JPH50型注塑機注射成型，制得測試所需標準樣條。

3　試驗結果與討論

3.1 粒度分析

圖1為氫氧化鎂的粒徑分布曲線?？梢钥闯?，MH的粒度主要分布在0.6～6.2μm，分布較為均勻，平均粒徑小，這使其在填充過程中有利于減小對復合材料力學性能的影響，同時提高阻燃效果。

圖1　MH的粒徑分布

3.2 復合材料的力學性能

3.2.1 不同含量MH填充PP的力學性能

圖2～圖4分別是不同含量MH填充PP時，復合材料的缺口沖擊強度、拉伸強度和彎曲模量的變化曲線。

圖2　缺口沖擊強度與MH含量關系

圖3　拉伸強度與MH含量關系

圖4　彎曲模量與MH含量關系

從圖2可以看出，隨著MH含量的增加，MH/PP復合材料的缺口沖擊強度逐漸減小，當MH添加量為10%時，復合材料的缺口沖擊強度為11.21kJ/m2，比純PP降低了75%，這是因為MH與PP之間本身并不相容，而MH經表面有機改性后，雖然改善了與PP的相容性，但兩者之間的結合依然不是很好，所以在添加入MH后，復合材料的缺口沖擊強度有大幅度下降。繼續(xù)添加MH，復合材料缺口沖擊強度下降速度減慢，MH含量50%時，比純PP降低了80%。

從圖3可以看出，隨著MH含量的增加，MH/PP復合材料的拉伸強度逐漸減小，當MH添加量為10%時，復合材料的拉伸強度為25.49MPa，比純PP降低了約2%，繼續(xù)添加MH，材料拉伸強度下降速度加快；當MH含量為50%時，拉伸強度為22.24MPa，比純PP降低了約14%。

從圖4可以看出，隨著MH含量的增加，MH/PP復合材料的彎曲模量逐漸增加，當MH添加量為10%時，復合材料的彎曲模量為1 337MPa，比純PP增加了約34%，繼續(xù)添加MH，材料彎曲模量增加速度加快；當MH含量為50%時，彎曲模量為2 899MPa，比純PP增加了約190%。

3.2.2 OMMT與MH配合填充PP的力學性能

表2列出了OMMT與MH配合填充PP時的力學性能。從表中可以看出，加入4%OMMT后，MH/PP/ OMMT復合材料的缺口沖擊強度與MH/PP復合材料相比又有明顯下降。當MH含量分別為30%、40%、50%時，添加4%OMMT，復合材料缺口沖擊強度分別下降約10%、30%、34%。這可能是由于MH的添加量很大，影響了OMMT以嵌入的方式與聚合物基體結合，使OMMT以顆粒的形式存在于聚合物基體中，因此使材料的沖擊性能下降。

MH/PP/OMMT復合材料的拉伸強度與MH/PP復合材料相比有明顯提高。當MH含量分別為30%、40%、50%時，添加4%OMMT，復合材料拉伸強度分別提高約5%、10%、8%。這可能是由于有部分蒙脫土片層嵌入了聚合物基體中，與聚合物基體吸附形成有效界面，使復合材料拉伸強度有一定提高。

MH/PP/OMMT復合材料的彎曲模量與MH/PP復合材料相比有明顯下降。當MH含量分別為30%、40%、50%時，添加4%OMMT，復合材料彎曲模量分別下降約9%、25%、19%。

3.3 MH/PP/OMMT復合材料的氧指數

3.3.1 不同含量MH填充PP的氧指數

圖5為復合材料的氧指數隨MH含量的變化而變化的曲線。從圖中可以看出，隨著MH添加量的增加，體系的氧指數總體上呈上升趨勢，當MH添加量從0增加到50%時，材料的氧指數從17%上升到25%。MH/PP阻燃體系氧指數的提高主要是因為體系在燃燒過程中MH發(fā)生脫水反應會大量吸熱，而其分解產生的H2O能帶走大量熱量，同時能稀釋可燃氣體濃度，另一分解產物氧化鎂與燃燒形成的其他炭化物一起，在聚合物周圍形成惰性屏蔽層，能阻止聚合物進一步受火的侵襲，加強了氫氧化鎂的阻燃效果。因此MH含量越高，體系氧指數越大。

表2　OMMT與MH配合填充PP的力學性能

圖5　不同添加量的氫氧化鎂阻燃劑(MH)阻燃PP體系的氧指數變化

表3　OMMT與MH配合填充PP的氧指數(%)

表4　試樣的垂直燃燒性能

3.3.2 OMMT與MH配合填充PP的氧指數

表3為OMMT與MH配合填充PP時體系的氧指數。從表中可以看出，加入4%OMMT，體系氧指數能提高約1%，這是因為OMMT自身能釋放出層間結晶水，同時OMMT的層結構對阻隔空氣能起到一定的作用，因而增強了體系阻燃效果。而OMMT與MH也有可能具有一定的阻燃協(xié)效作用，這有待進一步的研究。

3.4 MH/PP/OMMT復合材料的垂直燃燒性能

表4列出了不同含量OMMT和MH的復合材料的垂直燃燒性能。從表中可以看出，MH的加入對提高材料垂直燃燒性能的效果不佳，當MH添加量達到50%時，才能通過UL94 V-2級；而加入有機蒙脫土并不足以提高復合材料的垂直燃燒級別。

3.5 炭層結構分析

圖6是MH/PP/OMMT復合材料燃燒后炭層的掃描電鏡圖(SEM)?？梢钥闯觯琈H/PP/OMMT復合材料燃燒后氫氧化鎂分解形成的氧化鎂和其他炭化物團聚在一起，覆蓋在了材料燃燒表面。但其炭層致密度明顯不高，燃燒表面有很多孔隙。這可以說明在氫氧化鎂阻燃體系中，并不完全依靠在燃燒表面覆蓋炭層而達到阻燃效果。

圖6　MH/PP/OMMT復合材料炭層掃描電鏡圖(SEM)

4　結論

(1) 通過力學性能測試發(fā)現，隨著氫氧化鎂阻燃劑(MH)含量的增加，MH/PP復合材料的缺口沖擊強度和拉伸強度逐漸減小，彎曲模量逐漸增加。當MH含量為10%～50%時，MH/PP復合材料的缺口沖擊強度較純PP的減幅為75%～80%，拉伸強度的減幅為2%～14%，彎曲模量的增幅為34%～190%。MH含量50%時，其具體值分別為8.84kJ/m2，22.24MPa 和2 899MPa。當再添加有機蒙脫土時，復合材料的拉伸強度有所提高，而缺口沖擊強度和彎曲模量則有所下降。

(2) 通過對復合材料氧指數(LOI)的測試，發(fā)現隨著氫氧化鎂阻燃劑(MH)含量的增加，MH/PP復合材料的氧指數逐漸增加。而MH的阻燃效率較低，當MH添加量為50%時，LOI為25%。當再添加入4% OMMT時，LOI增加1%。

(3) 通過對復合材料垂直燃燒(UL94)的測試，發(fā)現添加氫氧化鎂阻燃劑(MH)對提高材料垂直燃燒性能效果不佳，當MH含量達到50%時，復合材料的燃燒性能才達到UL94 V-2級。另外，加入有機蒙脫土對復合材料的垂直燃燒性能影響不大，不能提高復合材料的垂直燃燒等級。

(4) 通過掃描電鏡(SEM)對復合材料燃燒后的炭層的觀察，發(fā)現MH/PP/OMMT復合材料的燃燒炭層量較少，并不能完全覆蓋燃燒表面。說明在氫氧化鎂阻燃體系中，并不完全依靠在燃燒表面覆蓋炭層而達到阻燃效果。

【參考文獻】

[1]張軍,錢曉琳.EVA改性聚乙烯無鹵阻燃泡沫塑料的研究[J].彈性體,2001,11(3):6-11.

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[3]高宗永.塑料無鹵化阻燃技術研究[J].精細石油化工進展,2003, 4(3):34-37.

[4]葛世成.塑料阻燃實用技術(第一版)[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2004.

[5]KIM Jinhwan, LEE Kyongho, LEE Kunwoo, et al. Studies on the thermal stabilization enhancement of ABS: synergistic effect of triphenyl phosphate nanocomposite,epoxy resin, and silane coupling agent mixtures[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 79: 201-207.

Prepration and Properties of Mg(OH)2Flame-retardant PP/Montmorillonite Composites

LI Qing, YAN Dan, SHEN Yi-lan, ZHANG Lang, LU Chao-yan
(China Kaolin Clay Co., Ltd., Suzhou 215151, China)

Abstract:Standard sample of the composites was prepared from polypropylene swing in with different content of Mg(OH)2and organic montmorillonite (OMMT). The mechanical properties and flame-retardant properties of the composites were measured. Results show that the addition of Mg(OH)2can enhance the composite material's flame-retardant properties and flexural modulus, but its impact properties and tensile properties is markedly lower. Montmorillonite compounds with Mg(OH)2will further enhance the composite's LOI and tensile properties, however, the impact properties and flexural modulus will fall, and UL94 grading is not improved. When OMMT content is 4%, Mg(OH)2content is 50%, the composite's LOI is 26%, vertical combustion achieve UL94 V-2 level, notched impact strength is 5.84 kJ/m2, tensile strength is 24.12MPa, flexural modulus is 2 342MPa.

Key Words:Mg(OH)2; montmorillonite; polypropylene; mechanical properties; flame-retardant properties

【收稿日期】2015-03-20

【文章編號】1007-9386(2015)04-0020-04

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TB332