海泡石與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料的阻燃抑煙機(jī)理*

馮斯宇，袁利萍，胡云楚，黃自知，譚林朋，袁光明

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

海泡石與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料的阻燃抑煙機(jī)理*

馮斯宇1，袁利萍2，胡云楚1，黃自知1，譚林朋2，袁光明2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004)

將海泡石(SEP)和聚磷酸銨(APP)同時(shí)加到聚氯乙烯(PVC)／竹粉復(fù)合材料中，考察SEP和APP對(duì)復(fù)合材料的協(xié)效阻燃抑煙作用及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在錐形量熱實(shí)驗(yàn)中，熱釋放速率峰值相對(duì)減少42.8%，平均熱釋放速率和總熱釋放量相對(duì)減少29.5%和25.7%，總煙釋放量相對(duì)降低了12.2%，一氧化碳平均產(chǎn)率相對(duì)降低了42.0%；掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，APP具有催化成炭并形成膨脹泡沫炭層的作用，而SEP具有吸附聚集誘導(dǎo)成炭的作用；APP的阻燃機(jī)理主要屬于氣相阻燃機(jī)理，SEP的阻燃機(jī)理主要屬于凝聚相阻燃機(jī)理；彎曲性能測(cè)試結(jié)果表明，SEP與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有協(xié)同顆粒增強(qiáng)作用；拉伸性能測(cè)試結(jié)果表明，SEP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料的塑性變形能力的損害比APP小。因此，SEP與APP聯(lián)用能夠?qū)VC／竹粉復(fù)合材料進(jìn)行有效的阻燃抑煙，同時(shí)也能增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。

海泡石；聚磷酸銨；聚氯乙烯；竹粉；復(fù)合材料；阻燃；抑煙

木塑復(fù)合材料通常是以木粉、竹粉、秸稈、稻殼等植物纖維為主要原料，加入適當(dāng)?shù)臒崴苄运芰虾吞砑觿?jīng)擠出、注塑、熱壓等成型制成的新型復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1–2]；但木塑復(fù)合材料中的主要原料植物纖維與塑料都是易燃材料，其燃燒過(guò)程中會(huì)生成大量有毒性和腐蝕性的煙氣，從而限制了木塑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍[3]。開(kāi)展木塑復(fù)合材料阻燃性能的研究具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。無(wú)機(jī)阻燃劑因無(wú)鹵、低煙、無(wú)毒等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于聚合物材料的阻燃。因此，認(rèn)識(shí)和了解木塑復(fù)合材料的燃燒和阻燃規(guī)律，對(duì)于木塑復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4–6]。李曉增等[7]采用無(wú)機(jī)阻燃劑A1(OH)3、硼酸鋅以及Sb2O3對(duì)聚氯乙烯(PVC)木塑復(fù)合材料進(jìn)行阻燃，但是無(wú)機(jī)阻燃劑的加入普遍降低了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。趙永生等[8]在對(duì)PVC木塑復(fù)合材料中的木粉進(jìn)行改性的基礎(chǔ)上，添加納米碳酸鈣，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能和阻燃性能。張敬禮等[9]用有機(jī)硅阻燃劑和聚磷酸銨(APP)協(xié)同阻燃聚乙烯(PE)木塑復(fù)合材料，取得的了較好效果。

海泡石(SEP)的化學(xué)式為Mg8Si12O30(OH)4-(H2O)4·8H2O[10]。是一種具有層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂硅酸鹽粘土礦物，收縮率低、可塑性好、比表面積大、吸附性能強(qiáng)，還具有隔熱、絕緣、抗腐蝕、抗輻射及熱穩(wěn)定等特性[11]。吳娜等[12]將改性SEP添加到APP和雙季戊四醇(DPER)膨脹阻燃聚丙烯(PP／IFR)體系中，改善了膨脹阻燃PP／IFR體系的阻燃性能。曹偉城等[13]采用熔融共混法分別制備PP／海泡石、PP／有機(jī)海泡石復(fù)合材料，提高了PP的阻燃性能。但是將SEP應(yīng)用于PVC／竹粉復(fù)合材料的阻燃抑煙目前還未見(jiàn)報(bào)道。

筆者采用錐形量熱法研究了SEP和APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材燃燒特性的影響，用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了PVC／竹粉復(fù)合材燃燒殘余物的形貌特征，測(cè)定了PVC／竹粉復(fù)合材料的彎曲性能和拉伸性能，在此基礎(chǔ)上分析探討了海泡石與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料的協(xié)同阻燃抑煙作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

APP：聚合度100，工業(yè)級(jí)，什邡市長(zhǎng)豐化工有限公司；

SEP：工業(yè)級(jí)，內(nèi)鄉(xiāng)縣興磊海泡石有限公司；

竹粉：平均粒徑小于0.841 mm，含水率10%，福建東山縣竹夫竹料有限公司；

PVC：工業(yè)級(jí)，新疆中泰化工股份有限公司；

鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)：工業(yè)級(jí)，冠縣天洋橡膠助劑有限公司；

乙烯–乙酸乙烯酯塑料(EVAC)：工業(yè)級(jí)，成都同力助劑有限公司；

硬脂酸：工業(yè)級(jí)，長(zhǎng)沙明瑞有限公司；

石蠟：工業(yè)級(jí)，武漢永弘盛化工有限公司；

復(fù)合穩(wěn)定劑：HTF–B，工業(yè)級(jí)，石家莊惠通化工有限公司；

重質(zhì)碳酸鈣、納米碳酸鈣：工業(yè)級(jí)，江西省萍鄉(xiāng)市安源碳酸鈣廠。

1.2 主要儀器與設(shè)備

高速攪拌機(jī)：HS-50型，潮州市龍河塑膠機(jī)械有限公司；

錐形量熱儀：FTT0007型，英國(guó)防火測(cè)試技術(shù)公司；

SEM：JSM–6380LV型，日本電子公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW–10型，濟(jì)南新試金試驗(yàn)機(jī)有限公司；

電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：MWD–M10型，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司；

數(shù)碼照相機(jī)：D5300型，尼康映像儀器銷售(中國(guó))有限公司。

1.3 PVC／竹粉復(fù)合材料試樣的制備

首先，用高速攪拌機(jī)將120 g DOP，96 g EVAC，9 g硬脂酸及6 g石蠟、30 g復(fù)合穩(wěn)定劑、60 g重質(zhì)碳酸鈣、27 g納米碳酸鈣在80℃恒溫?cái)嚢? min，得到混合助劑。

根據(jù)表1配方，將APP，SEP分別研磨成粒徑小于0.125 mm的粉末，于105℃烘箱中干燥2 h以除去水分。將PVC、竹粉、混合助劑、APP及SEP在混煉機(jī)上于160℃左右混煉均勻，樣品冷卻后用粉碎機(jī)粉碎，重復(fù)粉碎三次，置于模具中，于150℃，10 MPa下保溫?zé)釅?0 min成型，制成板狀樣品。用切割機(jī)切割成100 mm×100 mm×4 mm的試樣，用于錐形量熱測(cè)試；另外，用切割機(jī)切割成80 mm×10 mm×4 mm的樣條和120 mm× 15 mm×4 mm的樣條，用于力學(xué)性能測(cè)試。

表1 PVC／竹粉復(fù)合材料的配方 g

1.4 性能測(cè)試

(1)錐形量熱測(cè)試。

對(duì)錐形量熱試樣，除加熱面外所有面用鋁箔紙包裹，將其水平放置在不銹鋼樣品架上，用鋁箔紙包裹試樣底部再墊隔熱棉防止熱量向底部散失。為了使實(shí)驗(yàn)溫度接近火災(zāi)真實(shí)溫度，參照ISO 5660–1：2002，將試樣放置于錐形量熱儀輻射錐下的天平上，熱輻射流量為50 W／m2(材料表面溫度約為760℃)，電弧點(diǎn)燃，計(jì)算機(jī)以ASCII碼格式每5 s自動(dòng)采集數(shù)據(jù)1次，燃燒時(shí)間達(dá)到600 s時(shí)，停止采集數(shù)據(jù)。采用Microsoft Excel 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到熱釋放速率(HRR)、熱釋放速率峰值(pHRR)、平均熱釋放速率(mHRR)、總熱釋放量(THR)、煙釋放速率(SPR)、總煙釋放量(TSP)及一氧化碳產(chǎn)率(COY)、二氧化碳產(chǎn)率(CO2Y)、一氧化碳平均產(chǎn)率(mCOY)及二氧化碳平均產(chǎn)率(mCO2Y)等燃燒參數(shù)。根據(jù)錐形量熱儀上的電子天平記錄在試樣燃燒至300 s時(shí)的質(zhì)量除以試樣起始質(zhì)量得到300 s時(shí)的殘?zhí)柯省?/p>

(2)燃燒后的表面碳層分析。

小心取下錐形量熱實(shí)驗(yàn)燃燒后的樣品，冷卻后放在干凈的白紙上，用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照。

(3) SEM分析。

用鑷子取適量樣品燃燒后的殘余物粘結(jié)到導(dǎo)電膠的樣品座上，用洗耳球吹去未粘住的粉末，用紅外燈烘干后，噴金，用SEM觀察燃燒殘余物的結(jié)構(gòu)形貌。

(4)力學(xué)性能測(cè)試。

按照GB／T 17657–2013測(cè)試彎曲性能，得到最大破壞荷載、靜曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量等參數(shù)；按照GB／T 1040.5–2008測(cè)試?yán)煨阅?，得到最大拉伸力、拉伸?qiáng)度、拉伸彈性模量等參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱釋放規(guī)律

在錐形量熱實(shí)驗(yàn)中，HRR是反應(yīng)火災(zāi)程度的重要參考指標(biāo)。HRR或pHRR表達(dá)了火源釋放熱量的快慢和大小，或者說(shuō)是火源釋放熱量的能力。因此，HRR或pHRR的大小直接反應(yīng)出材料在火災(zāi)中危險(xiǎn)性的大小[14–16]。

PVC／竹粉復(fù)合材料的HRR和THR曲線分別如圖1、圖2所示，PVC／竹粉復(fù)合材料的錐形量熱測(cè)試結(jié)果列于表2。

圖1 PVC／竹粉復(fù)合材料的HRR曲線

圖2 PVC／竹粉復(fù)合材料的THR曲線

表2 PVC／竹粉復(fù)合材的錐形量熱實(shí)驗(yàn)參數(shù)

由圖1可見(jiàn)，PVC／竹粉復(fù)合材料試樣S–1的HRR曲線上有三個(gè)比較明顯的HRR峰，表明S–1試樣經(jīng)歷了三次劇烈燃燒過(guò)程。第一個(gè)峰為最大峰，出現(xiàn)在35 s附近，峰值為398.86 kW／m2，對(duì)應(yīng)于PVC／竹粉復(fù)合材料的點(diǎn)火燃燒；第二個(gè)峰出現(xiàn)在145 s附近，峰值為288.68 kW／m2；第三個(gè)峰出現(xiàn)在205 s附近，峰值為286.00 kW／m2。PVC／竹粉復(fù)合材料中只加入APP阻燃劑后，試樣S–2的HRR曲線上只有兩個(gè)比較明顯的HRR峰，第一個(gè)峰出現(xiàn)在30 s附近，峰值為276.14 kW／m2；第二個(gè)峰出現(xiàn)在205 s附近，峰值為252.33 kW／m2。表明APP能夠抑制PVC／竹粉復(fù)合材料的燃燒反應(yīng)，HRR明顯下降，使PVC／竹粉復(fù)合材料的燃燒過(guò)程變得平緩。而采用SEP部分取代APP后，試樣S–3的HRR曲線上幾乎只有一個(gè)HRR峰，最大pHRR出現(xiàn)在30 s附近，峰值為228.21 kW／m2。表明SEP與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有協(xié)同阻燃作用，使PVC／竹粉復(fù)合材料的燃燒過(guò)程更加平穩(wěn)，HRR進(jìn)一步降低。

由表2可知，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP或APP+SEP后，試 樣S–2，S–3的mHRR和THR均逐漸減小，其中試樣S–2的mHRR和THR分別由183.10 kW／m2和110.63 MJ／m2減少到152.91 kW／m2和93.48 MJ／m2，相對(duì)減小16.5%和15.5%，試 樣S–3的mHRR和THR分別 由183.10 kW／m2和110.63 MJ／m2減 少 到129.15 kW／m2和82.18 MJ／m2，相對(duì)減小29.5%和25.7%，其減小幅度與其失重率減小的幅度基本相當(dāng)，表明實(shí)驗(yàn)條件下，mHRR和THR基本上是由試樣的熱分解量決定的；但是，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP或APP+SEP后，試樣S–2，S–3的pHRR減小幅度比其失重率減小的幅度大得多，試樣S–2的pHRR由398.82 kW／m2減小到276.12 kW／m2，相對(duì)減少30.8%；用SEP替代部分APP后，試樣S–3的pHRR由398.82 kW／m2下減小到228.21 kW／m2，相對(duì)減少42.8%，表明加入APP和SEP可有效抑制PVC／竹粉復(fù)合材料的pHRR，使材料的燃燒過(guò)程變得緩慢，火災(zāi)危險(xiǎn)性降低。

2.2 煙霧釋放規(guī)律

在火災(zāi)事故中，煙氣窒息是導(dǎo)致人員傷亡的主要原因。所以在阻燃的同時(shí)，探究PVC／竹粉復(fù)合材料的煙霧毒氣釋放規(guī)律是非常重要的。PVC／竹粉復(fù)合材料的SPR，TSP曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 PVC／竹粉復(fù)合材料的SPR曲線

圖4 PVC／竹粉復(fù)合材料的TSP曲線

由圖3和圖4可以看出，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP后，試樣S–2的SPR曲線和TSP曲線均低于試樣S–1，表明APP在抑制PVC／竹粉復(fù)合材料的熱解燃燒的同時(shí)，減少了TSP和SPR；采用SEP部分取代APP后，試樣S–3的SPR曲線和TSP曲線均低于APP阻燃試樣S–2，表明SEP具有一定的吸附和捕捉煙霧的作用。結(jié)合表2可以看出，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP或APP+SEP后，試樣的TSP都是降低的，表明APP和SEP的加入均減小了煙霧危害。在試樣燃燒到600 s時(shí)，試樣S–1的TSP為45.80 m2／m2，加入APP后試樣S–2的TSP降低到43.75 m2／m2，相對(duì)降低了4.5%，而失重率由89.71%下降到76.25%，相對(duì)下降了15.0%，TSP降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于質(zhì)量損失降低幅度，表明APP主要是通過(guò)抑制試樣熱解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的氧化燃燒，并將較多的氣體產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為煙塵來(lái)實(shí)現(xiàn)阻燃作用的，屬于氣相阻燃機(jī)理；而用SEP替代部分APP后的TSP進(jìn)一步降低到40.19 m2／m2，相對(duì)降低了12.2%，失重率進(jìn)一步下降到72.16%，相對(duì)下降19.6%，與試樣的質(zhì)量損失降低幅度基本一致，表明用SEP替代部分APP后，氣相阻燃減弱，主要是在凝聚相直接吸附聚集了熱解反應(yīng)產(chǎn)生的炭化產(chǎn)物，屬于凝聚相阻燃機(jī)理。

2.3 氣體釋放規(guī)律

PVC／竹粉復(fù)合材料的COY曲線CO2Y曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 PVC／竹粉復(fù)合材料的COY曲線

圖6 PVC／竹粉復(fù)合材料的CO2Y曲線

由圖5可以看出，試樣S–1的COY曲線在燃燒前期比較穩(wěn)定，燃燒后期出現(xiàn)了很大的波動(dòng)，而PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP阻燃劑后，試樣S–2的COY曲線波動(dòng)幅度低于試樣S–1；用SEP替代部分APP后，試樣S–3的COY曲線波動(dòng)幅度最小，燃燒后期也沒(méi)有出現(xiàn)很大幅度的波動(dòng)，曲線形態(tài)明顯變得比較平緩。從圖6可以看出，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP阻燃劑后，試樣S–2的CO2Y曲線波動(dòng)幅度同樣低于試樣S–1；用SEP替代部分APP后，試樣S–3的CO2Y曲線波動(dòng)幅度也同樣減小，曲線形態(tài)也明顯變得比較平緩。結(jié)合表2可以看出，PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP或APP+SEP后，試樣的mCOY和mCO2Y都減小，表明APP和SEP的加入減小了火災(zāi)毒氣的危害。試樣S–1，S–2，S–3的mCOY分別為0.139 6，0.097 3，0.080 9，相對(duì)試樣S–1，試樣S–2，S–3的mCOY降幅分別達(dá)到30.3%和42.0%，mCOY降低幅度比較大，mCOY的降低幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于失重率降低幅度；但是，試樣S–1，S–2，S–3的mCO2Y分別為0.886 9，0.852 6，0.757 5，相對(duì)試樣S–1，試樣S–2，S–3的mCO2Y降幅分別只有3.9%和14.5%，mCO2Y的降幅很小。表明PVC／竹粉復(fù)合材料中加入APP和SEP后，熱分解產(chǎn)物減少的同時(shí)，以CO為代表的毒性相對(duì)比較大的還原性氣體的產(chǎn)率大幅度降低，熱分解的氣體產(chǎn)物絕大部分都轉(zhuǎn)化為了毒性相對(duì)比較小的CO2，因而可有效地降低火災(zāi)毒氣對(duì)火場(chǎng)人員的危害。

2.4 燃燒殘余物形貌成炭機(jī)理分析

圖7為錐形量熱測(cè)試后殘余物的數(shù)碼照片。

圖7 錐形量熱測(cè)試后殘余物的數(shù)碼照片

從圖7a可以看出，未添加阻燃劑的試樣S–1的炭層表面裂痕較多且裂痕較寬，這些裂痕的存在，導(dǎo)致炭層對(duì)內(nèi)部材料的保護(hù)作用被削弱，材料內(nèi)部暴露于高溫輻射環(huán)境，內(nèi)部分解的可燃性氣體容易溢出并且燃燒。而添加APP的試樣S–2的炭層表面裂痕較少(圖7b)，這是由于APP在高溫作用下分解形成的聚磷酸是一種粘稠的液體，對(duì)于炭粒具有粘結(jié)作用，能夠形成較為完整的炭層。采用SEP替代部分APP的試樣S–3表面炭層表面最為完整(圖7c)，這是因?yàn)镾EP與APP的協(xié)同作用，催化形成了更多的炭，炭層結(jié)構(gòu)更加完整致密，有利于阻礙材料的燃燒，減少煙霧毒氣的釋放。

圖8為錐形量熱測(cè)試后殘余物的SEM照片。

圖8 錐形量熱測(cè)試后殘余物的SEM照片

由圖8a可以看出，試樣S–1的炭層存在大量縫隙和孔洞，這些縫隙和孔洞的存在會(huì)削弱炭層對(duì)材料內(nèi)部的保護(hù)作用。添加了APP的試樣S–2的炭層表面存在凹凸不平的現(xiàn)象(圖8b)，這是聚磷酸與炭粒所形成粘稠炭膜包覆APP分解產(chǎn)生的氨氣和PVC分解產(chǎn)生的氣體所形成的泡沫所致，從圖中可以看到比較明顯的膨脹泡沫，而膨脹泡沫炭層的密度小、氣體含量大、致密性強(qiáng)，具有強(qiáng)烈的隔熱隔氧作用，阻礙氣體的釋放和交換，對(duì)材料內(nèi)部具有很好的保護(hù)作用。添加有SEP的試樣S–3的炭層表面出現(xiàn)了許多塊狀顆粒物(圖8c)，這是因?yàn)镾EP獨(dú)特的吸附和耐高溫作用，在與APP聯(lián)合使用的情況下，催化PVC／竹粉復(fù)合材料產(chǎn)生了更多的炭，而且這些炭在高溫能夠互相聚集成塊狀炭，因而能夠形成密實(shí)、光滑炭層，這種炭層既能夠隔絕熱量的傳播，又能抑制可燃?xì)獾尼尫藕蛡鞑ァ?/p>

由表2可知，添加APP阻燃劑的試樣S–2在300 s時(shí)的殘?zhí)柯视?0.46%增加到44.52%，相對(duì)增加了46.2%，表明APP在熱輻射作用下分解產(chǎn)生的聚磷酸改變了PVC和竹粉的熱分解和燃燒反應(yīng)途徑，催化PVC和竹粉轉(zhuǎn)化形成了更多的炭；采用SEP替代部分APP后，試樣S–2在300 s的殘?zhí)柯蚀蠓仍黾拥?7.85%，相對(duì)增加了57.1%，表明SEP在燃燒過(guò)程中可以作為微晶炭和非晶質(zhì)炭的聚集界面，可以誘發(fā)熱解產(chǎn)物更多地轉(zhuǎn)化為凝聚相的炭，減少可燃性揮發(fā)物的產(chǎn)量。因此，聚磷酸是阻燃過(guò)程中的成炭催化劑，SEP也是阻燃過(guò)程中的一種成炭催化劑或成炭協(xié)效劑。

2.5 力學(xué)性能分析

PVC／竹粉復(fù)合材料的彎曲和拉伸性能測(cè)試結(jié)果列于表3。

表3 PVC／竹粉復(fù)合材料的彎曲和拉伸性能數(shù)據(jù)

分析表3中彎曲性能數(shù)據(jù)可以看出，相對(duì)試樣S–1，添加APP阻燃劑后的試樣S–2的最大破壞載荷、靜曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量均增大，分別增大20.5%，27.0%，37.9%，而用SEP替代部分APP的試樣S–3的最大破壞荷載、靜曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量相對(duì)試樣S–1分別增加23.1%，22.3%，39.4%，表明APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有顆粒增強(qiáng)作用，而且SEP與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有一定的協(xié)同增強(qiáng)作用；進(jìn)一步分析表2中拉伸性能數(shù)據(jù)可以看到，拉伸性能結(jié)果不同于彎曲性能結(jié)果，添加APP阻燃劑后的試樣S–2的最大拉伸力、拉伸強(qiáng)度有所下降，相對(duì)試樣S–1分別下降4.6%和6.4%，但拉伸彈性模量相對(duì)增大16.2%，表明添加APP后，PVC／竹粉復(fù)合材料的塑性變形能力有所下降；但是，用SEP取代部分APP后，試樣S–3的最大拉伸力、拉伸強(qiáng)度比試樣S–1有所增加，分別增大0.4%和0.2%，而拉伸彈性模量增加較大，相對(duì)試樣S–1增大61.1%，表明SEP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料塑性變形性能影響比APP小，同時(shí)也表明SEP能夠改善PVC／竹粉復(fù)合材的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)錐形量熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SEP和APP同時(shí)加入到PVC／竹粉復(fù)合材料中，試樣S–3的pHRR相對(duì)減少42.8%，mHRR和THR相對(duì)減少29.5%和25.7%，TSP相對(duì)降低了12.2%，mCOY相對(duì)降低了42.0%。表明SEP和APP協(xié)同作用可以阻礙PVC／竹粉復(fù)合材料的分解和燃燒反應(yīng)，減少熱釋放和煙霧毒氣釋放，具有顯著的阻燃抑煙減毒作用。

(2)用SEP部分替代APP后，試樣S–3的失重率減少到72.16%，炭化產(chǎn)物進(jìn)一步增加；從SEM照片中發(fā)現(xiàn)塊狀炭層，表明SEP具有吸附聚集誘導(dǎo)成炭的作用；加入APP后的試樣S–2的TSP降低幅度為4.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于失重率損失降低幅度的15.0%，而用SEP替代部分APP后的試樣S–3的TSP進(jìn)一步降低的幅度為12.2%，與試樣的失重率損失降低幅度的19.6%基本一致，表明APP的阻燃機(jī)理主要屬于氣相阻燃機(jī)理，SEP的阻燃機(jī)理主要屬于凝聚相阻燃機(jī)理。

(3)彎曲性能測(cè)試結(jié)果表明，試樣S–2和S–3的最大破壞載荷、靜曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量均增大，表明APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有顆粒增強(qiáng)作用，而SEP與APP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料具有協(xié)同增強(qiáng)作用；拉伸性能結(jié)果表明，添加APP后的試樣S–2的最大拉伸力、拉伸強(qiáng)度相對(duì)試樣S–1分別下降了4.6%和6.4%，但拉伸彈性模量相對(duì)增大16.2%，表明添加APP會(huì)導(dǎo)致PVC／竹粉復(fù)合材料的塑性變形能力下降；用SEP取代部分APP后的試樣S–3的最大拉伸力增大，拉伸強(qiáng)度相對(duì)空白對(duì)照組分別上升了0.4%和0.2%，拉伸彈性模量上升了61.1%，表明SEP對(duì)PVC／竹粉復(fù)合材料的塑性變形能力的損害比APP小。

[1]張求慧.新型木塑復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2014(2):6–8. Zhang Qiuhui. Research progress of new wood-plastic composite materials[J]. New Chemical Materials，2014(2):6–8.

[2]郝建秀，王偉宏.木塑復(fù)合材料在建筑模板中的應(yīng)用[J].森林工程，2016，32(3):43–47. Hao Jianxiu，Wang Weihong. Application of wood plastic composite in construction formwork[J]. Forest Engineering，2016，32(3):43–47.

[3]于旻，何春霞.國(guó)內(nèi)外木塑復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2011，39(8):92–95. Yu Min，He Chunxia. Domestic and foreign research progress of wood–plastic composite[J]. Engineering Plastics Application，2011，39(8):92–95.

[4]Nikolaeva M，K?rki T. A review of fire retardant processes and chemistry，with discussion of the case of wood-plastic composites[J]. Baltic Forestry，2011，17(2):314–326.

[5]Seefeldt H，Braun U. A new flame retardant for wood materials tested in wood-plastic composites[J]. Macromolecular Materials & Engineering，2012，297(8):814–820.

[6]Chindaprasirt P，Hiziroglu S，Waisurasingha C，et al. Properties of wood flour／expanded polystyrene waste composites modified with diammonium phosphate flame retardant[J]. Polymer Composites，2015，36(4):604–612.

[7]李曉增.無(wú)機(jī)阻燃劑對(duì)PVC木塑復(fù)合材料的影響[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011，31(9):30–31. Li Xiaozeng. Effect of Inorganic flame retardant on pvc wood plastic composites[J]. China Petroleum and Chemical Standard and Quality，2011，31(9):30–31.

[8]趙永生，孫泉，王克儉.添加納米碳酸鈣對(duì)木粉／PVC復(fù)合材料的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程，2013(2):66–69. Zhao Yongsheng，Sun Quan，Wang Kejian. Effects of nano calcium carbonate on properties of wood／pvc composites[J]. Polymer Materials Science and Engineering，2013(2):66–69.

[9]張敬禮，周文君，王雪芹，等.新型阻燃木塑復(fù)合材料的制備及其性能研究[J].塑料工業(yè)，2014，42(1):112–117. Zhang Jingli，Zhou Wenjun，Wang Xueqin，et al. Study on preparation and properties of novel flame-retardant wood-plastic compo-sites[J]. China Plastics industry，2014，42(1):112–117.

[10]孫約兵，徐應(yīng)明，史新，等.海泡石對(duì)鎘污染紅壤的鈍化修復(fù)效應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(6):1 465–1 472. Sun Yuebing，Xu Yingming，Shi Xin，et al. The effects of sepiolite on immobilization remediation of Cd contaminated red soil[J]. Acta Scientiae Circumstantiae，2012，32(6):1 465–1 472.

[11]閆永崗，韋平，王仕峰，等.海泡石對(duì)聚丙烯復(fù)合材料的協(xié)效阻燃作用研究[J].工程塑料應(yīng)用，2014，42(5):80–83. Yan Yonggang，Wei Ping，Wang Shifeng，et al. Study on synergistic effect of sepiolite on intumescent flame retardant polypropylene system[J]. Engineering Plastics Application，2014，42(5):80–83.

[12]吳娜，丁超，楊榮杰，等.海泡石對(duì)膨脹阻燃聚丙烯燃燒和熱分解的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(9):2 429–2 436. Wu Na，Ding Chao，Yang Rongjie，et al. Effect of sepiolite on the combustion and thermal decomposition of intumescent flame retardant polypropylene[J]. Acta Physico-Chimica Sinica，2010，26(9):2 429–2 436.

[13]曹偉城，王林江，謝襄漓，等.基于錐形量熱分析的聚丙烯／海泡石復(fù)合材料阻燃性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(16):120–124. Cao Weicheng，Wang Linjiang，Xie Xiangli，et al. Flame retardant properties evaluation of polypropylene／sepiolite composites based on cone calorimeterization[J]. Materials Review，2012，26(16):120–124.

[14]Alavi F，Behravesh A H，Mirzaei M. Effect of temperature on the fracture mechanism of wood–plastic composites in situ[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials，2013，doi: 10.1177/0892705713515696.

[15]Miura K，Sekino N，Kubota K，et al. Wood-plastic composites equipped with an electromagnetic wave absorbing function by adding magnetic powder[J]. Mokuzai Gakkaishi，2016，62(1):9–17.

[16]Das O，Sarmah A K，Bhattacharyya D. A sustainable and resilient approach through biochar addition in wood polymer composites[J]. Science of the Total Environment，2015，512:326–336.

Synergistic Flame Retardant Smoke Suppression Mechanism of Sepiolite and APP on PVC／Bamboo Powder Composites

Feng Siyu1， Yuan Liping2， Hu Yunchu1， Huang Zizhi1， Tan Linpeng2， Yuan Guangming2
(1. College of Science， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China；2. College of Material Science and Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， China)

The effects of sepiolite (SEP) and ammonium polyphosphate (APP) on synergistic effects of flame retardant and smoke suppression and mechanical properties of polyvinyl chloride (PVC)／ bamboo powder composites were investigated by adding SEP and APP. The results of the cone calorimeter experiment show that the peak heat release rate decreases by 42.8% relatively，the average heat release rate by 29.5% relatively and total heat release by 25.7% relatively，compared by a relative decrease of 12.2% in total smoke production and of 42.0% in the average yield of carbon monoxide. SEM analysis demonstrates that APP promotes catalytic charring and the formation of expanded carbon foam layer，and that SEP has a capability of adsorption and aggregation induced carbon. The flame retardant mechanism of APP is mainly gas phase flame retardant, SEP flame retardant mechanism mainly belong to condensed phase flame retardant. Bending test indicates that SEP and APP have synergetic particle reinforcing effect on the composites while tensile tests implies that SEP can cause less damage to the plastic deformation ability of the composites than APP. Therefore，SEP and APP can be used together for effective flame retardant and smoke suppression，and to improve the mechanical properties of the composites.

sepiolite；ammonium polyphosphate；polyvinyl chloride；bamboo powder；composite；flame retardant；smoke suppression

TQ322.2

A

1001-3539(2016)12-0001-07

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.001

*林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201504503)，湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015JJ2204)

聯(lián)系人：胡云楚，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事木材阻燃材料研究

2016-10-18