八鉬酸銨與聚磷酸銨阻燃抑煙PVC的研究

朱山寶，馬青賽，付志忠，陳緒煌

八鉬酸銨與聚磷酸銨阻燃抑煙PVC的研究

朱山寶1，2，馬青賽2，付志忠1，陳緒煌1

（1湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430068；2蘇州奧凱高分子材料股份有限公司，江蘇蘇州215151）

以聚磷酸銨為阻燃劑，八鉬酸銨為抑煙劑，通過煙密度、氧指數(shù)、拉伸和沖擊等研究手段，探討其對(duì)聚氯乙烯力學(xué)性能及燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明：加入6份八鉬酸銨后，對(duì)比空白PVC樣品，其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率分別下降5.8MPa和3.9%。隨著聚磷酸銨組分的增加，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降，沖擊強(qiáng)度增加。加入12份聚磷酸銨時(shí)，PVC的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別下降10.23MPa、46.9%，沖擊性能提高了1.65kJ／m2。兩者對(duì)PVC抑煙有協(xié)同效應(yīng)，其中八鉬酸銨3份，聚磷酸銨6份的抑煙效果最好，最高煙密度等級(jí)下降26.92。同時(shí)，聚磷酸銨添加量增加至12份，氧指數(shù)達(dá)到49.1。

抑煙；阻燃；八鉬酸銨；聚磷酸銨

聚磷酸銨（APP）是常用膨脹型阻燃劑［1－2］，其阻燃機(jī)理為：APP磷和氮含量都很高，它們之間又存在P－N協(xié)同效應(yīng)，APP在燃燒過程中受熱分解為脫水劑聚磷酸，并促進(jìn)成炭；炭層阻止熱量傳遞，降低聚合物表面溫度，阻止氣體擴(kuò)散，降低燃燒區(qū)域的氧氣濃度，造成燃燒區(qū)域沒有足夠的氧氣和可燃?xì)怏w，因而起到很好的阻燃作用［3－4］。

鉬系抑煙劑主要是三氧化鉬和八鉬酸銨（AOM），鉬系化合物抑煙機(jī)理是Lewis酸機(jī)理，促進(jìn)成炭同時(shí)降低煙密度。鉬系化合物抑煙體系主要是促使聚氯乙烯（PVC）分解生成反式多烯鏈，抑制生成苯，同時(shí)還促使交聯(lián)過程的發(fā)生與進(jìn)行，從而達(dá)到抑制黑煙產(chǎn)生的目的。同時(shí)，鉬化物可以與三氧化二銻、氫氧化鎂等阻燃劑復(fù)配，它們之間有協(xié)同作用，能提高抑煙效果。鉬類化合物價(jià)格很貴，與三氧化二銻、氫氧化鎂復(fù)合使用還能降低成本［5，6］。

AOM作為PVC的抑煙劑，APP作為阻燃劑，探究它們之間協(xié)同作用，對(duì)PVC阻燃抑煙制品的生產(chǎn)與應(yīng)用具指導(dǎo)意義，對(duì)探索PVC的抑煙機(jī)制也有一定的理論意義。本文研究APP和AOM二者阻燃抑煙協(xié)同作用，并探討其配比對(duì)PVC阻燃抑煙性能的影響，提高復(fù)合體系阻燃抑煙效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器設(shè)備

PVC粉料，SG－5，北元化工集團(tuán)股份有限公司；PE蠟，硬脂酸，工業(yè)級(jí)，廣東南方巴斯夫蠟業(yè)有限公司；鈣鋅穩(wěn)定劑，工業(yè)級(jí)，湖南邵陽天堂助劑化工有限公司；八鉬酸銨，工業(yè)級(jí)，江蘇琨玉金屬科技有限公司；聚磷酸銨，工業(yè)級(jí)，常州中耀精細(xì)化工有限公司。

WQ－1007型開煉機(jī)，東莞?jìng)c機(jī)械設(shè)備廠；YJ型液壓機(jī)，成都航發(fā)液壓工程有限公司；XLB－350× 350型平板硫化儀，上海奇才液壓機(jī)械有限公司；XLS－20型數(shù)顯拉力試驗(yàn)機(jī)，承德金建檢測(cè)儀器有限公司；XJJ－50型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，河北承德試驗(yàn)機(jī)廠；YCJ－2型建材煙密度測(cè)試儀，南京江寧分析儀器有限公司；HC－2型氧指數(shù)測(cè)定儀，江蘇三豐檢測(cè)儀器有限公司。

1.2 試樣制備

按照表1PVC配方在電子天平上稱量：6份樣品混合均勻后，開煉4min，塑化均勻；將樣品放在模具中在液壓機(jī)下進(jìn)行壓片，待熔融后提高壓力并保壓4min；放入平板硫化儀中冷壓2min，待冷卻后取出PVC片材并編號(hào)。

表1 PVC配方表

1.3 性能測(cè)試與表征

力學(xué)性能測(cè)試：拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1040.2–2006標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，拉伸速率為20mm／min；

沖擊強(qiáng)度按照GB／T 21189–2007標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，沖擊試驗(yàn)環(huán)境溫度為23oC。

煙密度測(cè)試：按照GB／T 8627–2007標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試PVC試樣的煙密度等級(jí)（SDR）以及最大煙密度（MSD）。

極限氧指數(shù)（LOI）實(shí)驗(yàn)：LOI是指在氧氣和氮?dú)獾幕旌狭鲃?dòng)氣氛中，試樣剛好能維持有焰燃燒的氧氣的最小體積分?jǐn)?shù)。按照GB／T2406－1993，試樣尺寸120mm×6.5mm×3mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

從圖1得到組分不同拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化，空白樣PVC拉伸強(qiáng)度為46.41MPa；斷裂伸長(zhǎng)率77.62%。在加入6份AOM后，PVC的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均下降為40.61MPa、73.72%，這是由于鉬化合物在PVC中的相容性較差。隨著聚磷酸銨組分的增加，拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率下降更加明顯，加入12份APP時(shí)，拉伸強(qiáng)度為36.18MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為30.72%。這是由于APP與PVC雖然有一定相容性，但加入量較大，影響拉伸性能。

圖1 APP含量對(duì)PVC拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖2顯示了PVC體系沖擊強(qiáng)度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空白樣的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度為5.79kJ／m2，在PVC中加入6份AOM后，與空白樣的沖擊強(qiáng)度相比提高至6.32kJ／m2。隨著APP組分加入份數(shù)提高，沖擊性能提高比較亦明顯提高，在加入12份時(shí)為7.44kJ／m2。這是由于APP與PVC有一定相容性，APP以粒子形式存在，在產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，易引發(fā)周圍樹脂產(chǎn)生開裂，吸收一定的變形功；粒子的存在使基體樹脂裂紋擴(kuò)展受鈍化，最終裂紋終止，不致發(fā)展為破壞性開裂，APP加入量大于9份后沖擊強(qiáng)度增加變緩。

圖2 APP含量對(duì)PVC沖擊強(qiáng)度的影響

2.2 煙密度

從圖3中可以看到各個(gè)組分的煙密度等級(jí)，表明添加APP PVC樣品和無添加樣品的最大煙密度和煙密度等級(jí)相差不大，說明阻燃劑APP單獨(dú)使用對(duì)PVC沒有抑煙的作用；加入AOM體系均存在抑煙作用，單獨(dú)使用AOM對(duì)PVC有抑煙的功能。APP和AOM共同使用對(duì)PVC的抑煙效果增強(qiáng)，說明APP和AOM對(duì)PVC的阻燃抑煙具有一定的協(xié)同作用。其中聚磷酸銨3g，聚磷酸銨6g的抑煙效果最好，其最大煙密度（MSD）為73.08，煙密度等級(jí)（SDR）為60.67。

圖3 PVC樣品煙密度曲線

2.3 氧指數(shù)

表2PVC樣品氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：隨AOM和APP的添加，PVC的氧指數(shù)升高，表現(xiàn)得更難燃燒，阻燃性能得到提高。隨APP組分的增加，PVC的阻燃性能得到持續(xù)增強(qiáng)，加入12份時(shí)，氧指數(shù)為49.1。

表2 PVC樣品氧指數(shù)

3 結(jié)論

在聚氯乙烯中添加AOM和APP，研究了復(fù)合體系的燃燒性能，得到如下結(jié)論：

1）隨APP組分的增加，PVC的阻燃性能得到持續(xù)增強(qiáng)，其中最大氧指數(shù)為49.1；

2）APP單獨(dú)使用沒有抑煙的功能，與AOM共同使用對(duì)PVC的抑煙具有一定的協(xié)同作用；

3）加入AOM 3份、APP 6份的阻燃抑煙效果較好，其最大煙密度（MSD）為73.08，煙密度等級(jí)（SDR）為60.67；

4）加入AOM后，PVC的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有所下降。隨著聚磷酸銨組分的增加，拉伸強(qiáng)度進(jìn)一步下降，斷裂伸長(zhǎng)率下降更加明顯，沖擊性能提高比較明顯。

［1］ 閻春綿，張忠厚，張永海，等.MoO3／ZnO／APP對(duì)硬質(zhì)PVC抑煙阻燃性能的影響［J］.塑料助劑，2008（3）：36－39.

［2］ 張暉，賴小瑩，艾常春，等.聚磷酸銨的合成及改性研究進(jìn)展［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（10）：32－35.

［3］ Zhou K Q，Zhang Q J，Liu J J，et al.Synergetic effect of ferrocene and MoS2in polystyrene composites with enhanced thermal stability，flame retardant and smoke suppression properties［J］.RSC Advances，2014，4（26）：13 205－13 214.

［4］ Zhou K Q，Jiang S H，Shi Y Q，et al.Multigram－scale fabrication of organic modified MoS2nanosheets dispersed in polystyrene with improved thermal stability，fire resistance，and smoke suppression properties［J］.RSC Advances，2014，4（76）：40 170－40 180.

［5］ Zhou K Q，Yang W，Tang G，et al.Comparative study on the thermal stability，flame retardancy and smoke suppression properties of polystyrene composites containing molybdenum disulfide and grapheme［J］.RSC Advances，2013，3（47）：25 030－25 040.

［6］ 覃虎川，陳緒煌.磷鉬酸銨在半硬質(zhì)聚氯乙烯中阻燃－抑煙的應(yīng)用［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2016（10）：100－104.

The Flame Retardant and Smoke Suppression of PVC with AOM and APP

ZHU Shanbao1，2，MA Qingsai2，F(xiàn)U Zhizhong1，CHEN Xuhuang1
（1 School of Materials and Chemical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Suzhou Okay Polymer Materials Co.，LTD.，Suzhou 215151，China）

With polyphosphoric acids ammonium salts（APP）prepared for the flame retardant and smoke suppression of ammoniummolybdat（AOM），combined with the mechanical properties，smoke density，oxygen index test，the paper studies the influence of the flame retardant and smoke suppression on the combustion characteristic of polyvinyl chloride（PVC）.The results show that after adding AOM（6phr），contrast blank PVC samples of tensile strength，breaking elongation respectively decreases5.8MPa，3.9%.With the increase of APP composition，tensile strength and breaking elongation decreases，and the impact strength increases.When it is joined with the APP（12phr），PVC tensile strength and breaking elongation declines 10.23MPa，46.9%，impact increased 1.65MJ／m2.Two components have a synergistic effect on smoke suppression，with APP（6phr）and AOM（3phr）achieving the best effect of smoke suppression and maximum smoke density decreased by 26.92.At the same time，the oxygen index rises to 49.1when APP content increases to 12phr.

smoke suppression；flame retardant；AOM；APP

TQ322.2

A

［責(zé)任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0091－03

2017－04－11

科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（12C26114204638）

朱山寶（1970－），男，江蘇寶應(yīng)人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫酆衔锍尚图庸?/p>

陳緒煌（1971－），男，湖北通山人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)楦呔畚锝Y(jié)構(gòu)與性能，高分子材料成型加工