鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對(duì)PVC材料阻燃性能和力學(xué)性能的影響

陳靈智

(衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，河北 衡水 053000)

PVC是世界上五大應(yīng)用廣泛的塑料之一[1]。純PVC阻燃性能比較好，但在加工過(guò)程中添加了大量增塑劑，從而使其阻燃性能大幅度降低[2]，因此須對(duì)其進(jìn)行阻燃處理。鋁酸鈷屬于雙金屬?gòu)?fù)合氧化物、尖晶石結(jié)構(gòu)[3-4],可用作無(wú)機(jī)阻燃劑，具有無(wú)毒、無(wú)害、環(huán)保高效等特點(diǎn),但與材料的相容性較差，導(dǎo)致阻燃處理后PVC的力學(xué)性能下降。云母是一類含水鋁硅酸鹽的總稱，是一種天然功能性填料，具有耐酸、耐堿、耐磨、添加量少、阻燃性能好等優(yōu)點(diǎn)，能有效地改善工程塑料的阻燃性能和力學(xué)性能。鋁酸鹽的制備方法主要有固相法、氣相法、液相法[5-9]。筆者主要研究了鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對(duì)PVC的阻燃性能以及力學(xué)性能的影響。通過(guò)水熱合成法制備出高純度鋁酸鈷，再通過(guò)煙密度、極限氧指數(shù)和力學(xué)性能測(cè)試鋁酸鈷與云母協(xié)效后對(duì)PVC材料的阻燃抑煙性能的影響，進(jìn)一步探討出最佳的協(xié)效比例，并通過(guò)熱重分析儀對(duì)阻燃前后PVC材料的熱降解行為進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

試驗(yàn)主要原料如表1所示。

表1 主要原料Table 1 Main raw materials

1.2 主要儀器和設(shè)備

試驗(yàn)的主要儀器與設(shè)備如表2所示。

表2 主要儀器和設(shè)備Table 2 Main apparatus and equipment

1.3 鋁酸鈷的制備

將10.5 g硝酸鋁溶于14 mL水中，滴加氫氧化鈉溶液至沉淀完全溶解后加入3.3 g氯化鈷，25 ℃超聲振蕩0.5 h，靜置3 h后抽濾，80 ℃真空干燥2 h，即得到目標(biāo)產(chǎn)物鋁酸鈷粉末。

1.4 PVC樣品的制備

將潤(rùn)滑劑、偶聯(lián)劑、增塑劑等各種試驗(yàn)藥品按照配方添加到PVC樹脂中并混合均勻，用雙輥混煉機(jī)混煉(試驗(yàn)條件：溫度157 ℃，時(shí)間7～8 min)，混煉后放入平板硫化機(jī)中進(jìn)行硫化。

1.5 樣品性能測(cè)試

1.5.1 鋁酸鈷XRD分析

X射線粉末衍射分析(XRD)的試驗(yàn)條件：Cu Kα(λ=0.154 06 nm)輻射，工作電壓40 kV，電流40 mA，掃描范圍10°～90°。

1.5.2 PVC樣品極限氧指數(shù)的測(cè)定

極限氧指數(shù)(LOI)是指試樣在氮?dú)?、氧氣混合氣流中能夠維持燃燒所需的最低氧含量的百分比,材料的極限氧指數(shù)越大，其防火性能越好。采用國(guó)標(biāo)GB/T 2406—1993對(duì)阻燃樣品的極限氧指數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

1.5.3 PVC樣品煙密度的測(cè)定

煙密度是指材料在國(guó)家規(guī)定的試驗(yàn)條件下發(fā)煙量的量度，用透過(guò)煙的光強(qiáng)度的減弱量進(jìn)行描述，通過(guò)測(cè)量光通量的變化來(lái)評(píng)價(jià)煙密度大小，煙密度越大，發(fā)煙量越高，越有害。試樣尺寸：5 mm×3 mm×250 mm。

1.5.4 PVC樣品拉伸強(qiáng)度的測(cè)定

材料的拉伸強(qiáng)度是指在拉伸試驗(yàn)中試樣拉伸至斷裂為止所受的最大拉伸應(yīng)力。采用國(guó)標(biāo)GB/T 1040.2—2006對(duì)PVC樣品的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件：拉伸速率200 mm/min，溫度25.4 ℃，相對(duì)濕度(60±10)%。

1.5.5 熱重分析(TGA)

熱重分析是在溫度程序控制下測(cè)試試樣的質(zhì)量隨溫度變化的一種熱分析技術(shù)。試驗(yàn)參數(shù)：樣品質(zhì)量5～10 mg，氣流N2，流速20 mL/min，升溫速率10 ℃/min，溫度30～700 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD圖分析

圖1是以氯化鈷和硝酸鋁為原料，采用水熱法合成的鋁酸鈷阻燃劑的XRD譜圖。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比發(fā)現(xiàn)，合成鋁酸鈷的2θ的出峰位置與標(biāo)準(zhǔn)卡片中2θ=31.32°、 36.90°、44.88°、55.65°、59.45°和65.25°出現(xiàn)的位置一致，表明制成的鋁酸鈷為純相鋁酸鈷阻燃劑。

圖1 鋁酸鈷的XRD譜圖

2.2 鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對(duì)PVC樣品的阻燃消煙性能的影響

阻燃前后PVC樣品的LOI及煙密度見(jiàn)表3。

表3 阻燃前后PVC樣品的LOI及煙密度Table 3 Oxygen indexes and smoke density of PVC samples filled with and without fire retardant

由表3中的LOI數(shù)據(jù)可知：當(dāng)加入1份鋁酸鈷阻燃劑和9份云母時(shí)，LOI從25.8%增至30.5%，提高了4.7百分點(diǎn)；當(dāng)鋁酸鈷用量增加和云母用量減少之后，LOI下降，因此鋁酸鈷和云母的最佳協(xié)效比例為1∶9。

由表3中的煙密度等級(jí)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)加入1份鋁酸鈷和9份云母時(shí)，煙密度由86.86%降至71.03%，在這11組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中煙密度最小，因此鋁酸鈷和云母的協(xié)效比例為1∶9時(shí)，PVC樣品生煙量最少。

2.3 鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對(duì)軟質(zhì)PVC樣品力學(xué)性能的影響

鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對(duì)PVC樣品力學(xué)性能的影響見(jiàn)表4。

表4 阻燃劑對(duì)PVC樣品力學(xué)性能的影響Table 4 Effect of fire retardant on mechanical properties of PVC samples

表4中的數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)加入鋁酸鈷、云母以及鋁酸鈷和云母協(xié)效后，對(duì)PVC樣品的斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度都產(chǎn)生了較為明顯的影響，隨著添加量的增加，PVC樣品的力學(xué)性能隨之降低，這可能是因?yàn)镻VC中加入了云母和鋁酸鈷后，樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生了影響；斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度隨著鋁酸鈷和云母量的變化有最佳值，添加1份鋁酸鈷和9份云母時(shí)(數(shù)值分別為22.10 MPa、282.43%)效果最好。

2.4 PVC樣品的熱分析

純PVC和含有阻燃劑的PVC的熱分析圖見(jiàn)圖2。

圖2 純PVC和含有阻燃劑的PVC的熱分析圖

由圖2可以看出：純PVC的熱降解大體上有2個(gè)主要階段，第一階段為初始熱分解，溫度約在274.5℃，此階段主要是PVC受熱脫去HCl，進(jìn)而引起PVC的熱分解，失重率已達(dá)到55%左右；第二階段熱降解開始于440 ℃左右，此階段主要是PVC樣品脫去HCl以后所形成的共軛多烯鏈結(jié)構(gòu)的分解，從而導(dǎo)致殘?zhí)苛可摺＝?jīng)鋁酸鈷和云母協(xié)效后，PVC樣品第一階段的熱解溫度由274.5 ℃降低到230.3 ℃，第二階段的熱失重率減緩，由55%提高到了50%，致使殘?zhí)剂吭黾印＿@表明鋁酸鈷和云母的協(xié)效體系能夠延緩PVC降解，起到了阻燃作用。

3 結(jié)論

用水熱法合成的鋁酸鈷阻燃劑經(jīng)XRD表征為純相，將其與云母協(xié)效應(yīng)用到PVC材料的阻燃研究中，當(dāng)添加1份鋁酸鈷和9份云母時(shí)，試樣的LOI達(dá)到30.5%，煙密度等級(jí)為71.03%，拉伸強(qiáng)度為22.10 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為282.43%，且PVC經(jīng)過(guò)鋁酸鈷和云母協(xié)效阻燃處理后，熱降解溫度降低，殘?zhí)苛吭黾印Ｒ虼?，?份鋁酸鈷和9份云母協(xié)效添加到PVC中具有較好的阻燃抑煙功能。