玻璃纖維/不飽和聚酯191復(fù)合材料阻燃性能的研究

張保衛(wèi)

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

玻璃纖維/不飽和聚酯191復(fù)合材料阻燃性能的研究

張保衛(wèi)

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

以不飽和聚酯191為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，加入相應(yīng)的阻燃劑，制得阻燃復(fù)合材料。研究了不同的玻璃纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和阻燃性能的影響，以及阻燃劑的不同種類(lèi)、含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和阻燃性能的影響。通過(guò)SEM分析了基體材料與拉伸斷面纖維的結(jié)構(gòu)和斷裂情況。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，復(fù)合材料力學(xué)性能隨著阻燃劑用量的增加而降低;拉伸強(qiáng)度隨著玻璃纖維加入量的增加而增加;沖擊強(qiáng)度在少量玻璃纖維加入時(shí)略有降低，后隨玻璃纖維加入量的增加而增加。當(dāng)阻燃劑含量為20份時(shí)，硼酸鋅、氫氧化鋁、三氯乙烯磷酸酯氧指數(shù)分別為30.0、28.5、25.0，三氯乙烯磷酸酯阻燃效果最好。

不飽和聚酯191;玻璃纖維;阻燃;復(fù)合材料;力學(xué)性能

引言

對(duì)于不飽和聚酯(UP)，大部分是由不飽和的二元酸同二元醇、飽和二元酸同不飽和二元醇縮聚而成的具備酯鍵與不飽和雙鍵的高分子化合物，簡(jiǎn)稱(chēng)UP［1］。玻璃纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)玻纖)是一種具有優(yōu)異性能的無(wú)機(jī)非金屬材料，在現(xiàn)代材料中有著非常重要的作用，高新技術(shù)中有著不可或缺的應(yīng)用領(lǐng)域。但其缺點(diǎn)是非常脆，耐磨性很差。以191#不飽和聚酯為基體材料，用玻璃纖維(GF)、絕緣配合劑制得玻璃纖維/不飽和聚酯191復(fù)合材料，對(duì)其拉伸性能、沖擊性能、阻燃性能進(jìn)行分析探討，并對(duì)玻璃纖維/不飽和聚酯191進(jìn)行表征，對(duì)界面的形成及作用機(jī)理進(jìn)行分析探討。通過(guò)合理配方設(shè)計(jì)，研究復(fù)合材料所具備的阻燃性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及試樣制備

191#不飽和聚酯，市售191#;阻燃劑，市售三氯乙烯磷酸酯(TCEP)、氫氧化鋁、硼酸鋅;玻璃纖維，鹽城市恒誠(chéng)玻纖有限公司;引發(fā)劑，市售甲乙酮;促進(jìn)劑，市售萘酸鈷。

將玻纖放入烘箱中進(jìn)行高溫處理，去除表面臘狀物，用KH550(市售)處理液浸漬玻纖。室溫下浸泡6 h后，用去離子水沖洗，當(dāng) pH值接近 4～6時(shí)，將其放入烘箱中，從室溫升至80℃恒溫干燥4 h［2］。烘干后，將玻璃纖維剪成長(zhǎng)度為2 mm～3 mm的短玻纖，最后裝袋備用。按照配方稱(chēng)取所需原料和試劑，按照191#不飽和聚酯→阻燃劑→玻纖→引發(fā)劑→促進(jìn)劑的加料順序加料。每加一種藥品要攪拌均勻(至少1 min)，再加下一種藥品。加料完成后靜置每次3 min，進(jìn)行刮氣泡，每2 min刮1次氣泡，刮2次～3次后進(jìn)行澆注樣條。澆注樣條之后，再每隔2 min刮氣泡并且補(bǔ)料，重復(fù)操作2次～3次，放置在常溫下固化(一般靜置24 h)，然后在60℃下進(jìn)行4 h的后處理［3］。

1.2 共混物的測(cè)試與表征

力學(xué)性能測(cè)試:沖擊強(qiáng)度按GB 1043－79進(jìn)行;拉伸強(qiáng)度按 GB 1040－79進(jìn)行;彎曲強(qiáng)度按 GB 9341－88進(jìn)行，測(cè)試儀器為臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器的TCS－2000型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)。

阻燃性能測(cè)試:采用極限氧指數(shù)法測(cè)定復(fù)合材料的阻燃性能。OI是在測(cè)定阻燃性能中最常用指標(biāo)。空氣中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.9%。在通常情況下，OI小于21的材料在空氣中容易被點(diǎn)燃，被稱(chēng)為易燃材料;OI在22～27的材料則屬于難燃材料; OI大于27的材料被稱(chēng)為高難燃材料［4］。

掃描電鏡觀察:為了更好地觀察材料的拉伸斷口以及微觀結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)先將測(cè)試后復(fù)合材料的斷面進(jìn)行噴金處理，再對(duì)復(fù)合材料的纖維、樹(shù)脂之間的結(jié)合情況進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1、圖2、圖3是GF添加量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度的影響曲線。由圖1可以看出，相比于純的不飽和聚酯(UP)191基體，加入GF能夠使其拉伸強(qiáng)度增大，當(dāng) GF添加量達(dá)到9份時(shí)，拉伸強(qiáng)度恰好達(dá)到最大值;但增大的范圍是有限的，當(dāng)GF添加量超過(guò)9份后，拉伸強(qiáng)度逐漸降低。由圖2可以看出，相比于純不飽和聚酯(UP) 191基體，斷裂伸長(zhǎng)率隨GF添加量的增多而下降。從圖3可以看出，相比于純不飽和聚酯(UP)191基體，隨著GF含量的增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)GF含量達(dá)到9份時(shí)，其沖擊強(qiáng)度將會(huì)升至最大;當(dāng)GF添加量超過(guò)9份后，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度開(kāi)始下降。

圖1 拉伸強(qiáng)度與GF含量的關(guān)系曲線

圖2 斷裂伸長(zhǎng)率與GF含量的關(guān)系曲線

這是因?yàn)?，GF是增強(qiáng)剛度與強(qiáng)度的組分，一般材料中GF的含量越高，材料結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度就會(huì)變得越來(lái)越大。隨著基體內(nèi)GF數(shù)量增加并均勻地分布在樹(shù)脂基體中，玻纖承受了主要的應(yīng)力作用，基體樹(shù)脂可以通過(guò)界面將所受的應(yīng)力傳遞給玻纖，復(fù)合材料的所有截面上都將會(huì)有更多數(shù)量的玻纖來(lái)承擔(dān)受力，必須要增加足夠強(qiáng)的載荷才能把這些GF拔出或使其撕裂。因此，隨著GF含量越來(lái)越多，復(fù)合材料的機(jī)械性能變得越來(lái)越大。

圖3 沖擊強(qiáng)度與GF含量的關(guān)系曲線

2.2 阻燃劑用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4、圖5和第12頁(yè)圖6為拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度與阻燃劑含量的關(guān)系曲線。由圖4可知，當(dāng)加入GF的量為5份時(shí)，拉伸強(qiáng)度因?yàn)樽枞紕┯昧康脑黾映尸F(xiàn)先上升后降低趨勢(shì)。阻燃劑的用量在10份左右的時(shí)候，復(fù)合材料的拉伸性能是最好的，比未加入阻燃劑的時(shí)候增加了近6成。

圖4 拉伸強(qiáng)度與阻燃劑含量的關(guān)系曲線

由圖5可知，隨著阻燃劑比例提升，斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先減小然后增大的趨勢(shì)。摻雜進(jìn)5份的阻燃劑比沒(méi)有摻雜任何阻燃劑的時(shí)候，斷裂伸長(zhǎng)率降低了2成多;摻雜20份的阻燃劑比未摻雜阻燃劑的時(shí)候增加了近3成。

圖5 斷裂伸長(zhǎng)率與阻燃劑含量的關(guān)系曲線

由圖6可知，沖擊強(qiáng)度因?yàn)樽枞紕┓輸?shù)增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。摻雜5份阻燃劑比沒(méi)有摻雜阻燃劑的時(shí)候，沖擊強(qiáng)度提高了28.6%;摻雜20份阻燃劑比沒(méi)摻雜阻燃劑的時(shí)候下降了39.3%。

圖6 沖擊強(qiáng)度與阻燃劑含量的關(guān)系曲線

2.3 阻燃性能分析

配方設(shè)計(jì):不飽和聚酯為100份，GF用量為3份，促進(jìn)劑用量3份，引發(fā)劑用量3份，余下見(jiàn)表1。氧指數(shù)與阻燃劑含量的關(guān)系曲線如圖7。

表1 阻燃劑配方設(shè)計(jì)

圖7 氧指數(shù)與不同阻燃劑含量的關(guān)系曲線

結(jié)合表1及圖7可以看出，因?yàn)樽枞紕┯昧康募哟?，?fù)合材料的阻燃性能有所提升。加入同等質(zhì)量份數(shù)的阻燃劑相比較，三氯乙烯磷酸酯的阻燃效果最好，Al(OH)3阻燃效果次之，Zn3(PO)2阻燃效果最差［5］。

當(dāng)三氯乙烯磷酸酯用量超過(guò)10份時(shí)，其機(jī)械性能略有下降;超過(guò)30份時(shí)，顯著下降;20份時(shí)阻燃效果最好，氧指數(shù)為30，達(dá)到難燃材料標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)氫氧化鋁用量超過(guò)30份時(shí)，阻燃效果明顯上升，但機(jī)械性能顯著下降;40份時(shí)阻燃效果最好，氧指數(shù)為29.5;當(dāng)氫氧化鋁用量超過(guò)15份時(shí)，阻燃效果明顯上升，但機(jī)械性能顯著下降;20份時(shí)阻燃效果最好，氧指數(shù)為28.5，達(dá)到難燃材料標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)硼酸鋅用量20份時(shí)，阻燃效果最好，氧指數(shù)為25，阻燃效果不理想。

2.4 掃描電鏡SEM分析

圖8和圖9分別為GF含量0份和3份時(shí)的SEM圖。

對(duì)比圖8和圖9掃描電子顯微鏡的影像發(fā)現(xiàn)，不加GF的不飽和聚酯(UP)復(fù)合材料和加了GF的不飽和聚酯(UP)復(fù)合材料的斷裂面存在很大區(qū)別，加了GF的復(fù)合材料，通過(guò)拉伸過(guò)程要使材料斷裂，除了基體，還要使GF拔出和纖維斷裂，這也就是加了GF的不飽和聚酯(UP)復(fù)合材料的力學(xué)性能提高的原因。由圖9中a)圖和b)圖可以看出，不飽和聚酯(UP)復(fù)合材料斷裂的表面沒(méi)有GF被拔出，纖維斷面不平齊，有GF撕裂的痕跡，并且伴隨這些纖維的表面上粘連著基體材料，所以不飽和聚酯(UP)復(fù)合材料在撕裂時(shí)候的根本破壞形式為纖維的斷裂。由于不飽和聚酯(UP)具有非常好的黏合強(qiáng)度，與GF的相容性較好，能很好地與GF黏合，因此，不飽和聚酯復(fù)合材料在斷裂時(shí)，斷口處纖維斷裂存在，纖維表面具有黏附物。

圖8 玻璃纖維含量為0份掃描電鏡圖

圖9 玻璃纖維含量為3份掃描電鏡圖

由圖9可以看出，經(jīng)過(guò)硝酸處理的玻維與基體結(jié)合強(qiáng)度很高，玻纖在基體中沒(méi)有被抽出的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，KH550分子里含有2種不相同的活性基團(tuán)——氧基與氨基，用來(lái)偶聯(lián)無(wú)機(jī)填料和有機(jī)高分子，增強(qiáng)它們的黏結(jié)性。

3 結(jié)論

1)加入少量玻纖對(duì)復(fù)合材料的拉伸、沖擊性能有積極作用。當(dāng)玻纖添加量為9份時(shí)，復(fù)合材料各性能達(dá)到最佳狀態(tài);繼續(xù)增加玻纖含量時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度開(kāi)始下降。

2)加入少量阻燃劑對(duì)復(fù)合材料的拉伸、沖擊性能有積極作用。當(dāng)阻燃劑添加量超過(guò)10份后，導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸、沖擊性能逐漸變差。

3)隨著阻燃劑含量增加，復(fù)合材料的阻燃性能越來(lái)越好。但是，阻燃劑用量增大時(shí)，又導(dǎo)致復(fù)合材料的機(jī)械性能有所下降。加入等同質(zhì)量份數(shù)的阻燃劑相比較，三氯乙烯磷酸酯的阻燃效果最好，氫氧化鋁阻燃效果次之，硼酸鋅阻燃效果最差，氧指數(shù)分別為30.0、28.5、25.0。純的不飽和聚酯191制品氧指數(shù)低于18，屬于易燃類(lèi)型的材料。當(dāng)復(fù)合材料中加入20份的三氯乙烯磷酸酯時(shí)，其氧指數(shù)為30，達(dá)到難燃等級(jí)，說(shuō)明三氯乙烯磷酸酯對(duì)不飽和聚酯191阻燃性能的提升效果最明顯。

［1］杜慧玲，齊錦剛，龐洪濤.表面處理對(duì)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸材料界面性能的影響［J］.材料保護(hù)，2003，36(2): 16－18.

［2］沈璽，高雅男，徐政.硅烷偶聯(lián)劑的研究與應(yīng)用［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展，2006，26(1):14－17.

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［5］王貴一.橡膠燃燒性能測(cè)試［J］.特種橡膠制品，1997，18(4):57.

Research on the flame retardant property of composite materials of glass fiber and unsaturated polyester 191

ZHANG Baowei

(Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi 030008，China)

The flame retardant composites were produced with the unsaturated polyester 191 as the matrix material and glass fiber as the strengthening material，by adding corresponding flame retardant.The effects of different content of glass fiber on mechanical properties and flame retardant properties were studied and the mechanical properties and flame retardant properties effected by the different kinds and content of flame retardant were also studied.According to SEM，this paper analyzed the state of tensile fracture fiber and the construction and fracture of matrix material fiber.The result showed that in a certain scope，with the increasing amount of flame retardant，the mechanical property of composite polyester would decrease.With the increasing amount of glass fiber，the tensile strength would increase.The impact strength would decrease，when a bit of glass fiber was added.Then it increased with adding the amount of glass fiber.When the amount of flame retardant was twenty portions，the index of the zinc borate，the aluminum hydroxide and the trichloroethylene phosphate were 30.0，28.5 and 25.0 respectively，which would achieve the best effect of flame retardant of trichloroethylenephosphate.

unsaturated polyester 191;glass fiber;flame retardant;composite materials;mechanical property

TQ314;TQ171.77

A

1004－7050(2016)06－0010－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.03

2016－08－11

張保衛(wèi)，男，1965年出生，1986年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事橡塑并用及阻燃劑的研究。