鋁酸鎳和云母協(xié)效體系對PVC的阻燃研究

陳靈智

（衡水學院，河北衡水053000）

聚氯乙烯（PVC）因具有加工性能良好和價格低廉的特點,在農業(yè)、交通、建筑等許多領域被廣泛應用[1-2]。但由于PVC在加工過程中加入大量的增塑劑及一些助劑，使其燃燒性能增加，并且燃燒時還會產生大量的黑煙和腐蝕性氣體,對人類的生命安全造成很大影響,并且還會污染環(huán)境[3-4]。所以提高PVC的阻燃性能，減少其燃燒時的發(fā)煙量，對PVC應用領域的不斷延伸有重要意義[5]。鋁酸鹽是一種新型的無機阻燃劑，因其無毒、無害和具有較好的阻燃效果，可作為無機阻燃劑被應用于PVC材料的阻燃研究[6]，但同時其又具有與材料相容性較差等缺點。通過鋁酸鎳和云母的協(xié)效體系研究了阻燃劑的加入對PVC材料的阻燃抑煙以及力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

硝酸鋁（分析純，天津市致遠化學試劑有限公司）；硝酸鎳（分析純，天津市大茂化學試劑廠）；PVC（工業(yè)品，河北保定化學試劑公司）；硬脂酸（分析純，河北保定化學試劑公司）；云母（分析純，河北保定化學試劑公司）；鄰苯二甲酸二辛酯（分析純，天津市大茂化學試劑廠）。

1.2 主要儀器和設備

X(S)K-100開放式煉膠(塑)機（無錫市創(chuàng)成橡塑機械有限公司）；XLB-D400平板硫化機（青島市天鑫工貿有限公司（機械廠））；D8-ADVANCE型X-射線粉末衍射儀（Bruker Germany）；JCY-2建材煙密度測試儀（南京市江寧區(qū)分析儀器廠）；HC-1氧指數(shù)測定儀（南京江寧分析儀器廠）。

1.3 鋁酸鎳的制備

用9 mol/L硝酸鋁和硝酸鎳混勻，之后60℃超聲1 h,在超聲過程中一邊攪拌一邊滴加過量的氫氧化鈉溶液至pH=14，常溫下靜置16 h，靜置完后將其裝入反應釜中，放入烘箱180℃的溫度條件下反應5 h后，抽濾、烘干、備用。

1.4 PVC樣品的制備

將潤滑劑、偶聯(lián)劑、增塑劑等助劑和鋁酸鎳粉末、云母粉添加到PVC樹脂中混合均勻，將其放在溫度為145℃的雙棍混練機上進行混煉，混煉時間為5～6 min，放入平板硫化機中硫化，在2 MPa壓強下保壓2 min，然后提高到10 MPa壓強下保壓8 min，保壓結束后將材料取出冷壓10 min。然后將樣品放在萬能制樣機上進行加工，制作實驗需要的樣品，將其留好，等到性能測試時使用。

1.5 性能測試

1.5.1 XRD測定

在40 kV的電壓、掃描范圍為10°～90°、Cu Kα（λ=0.154 06 nm）輻射的條件下，通過XRD衍射儀對鋁酸鎳進行掃描，將得出的XRD圖譜與標準的鋁酸鎳圖譜進行對比分析。

1.5.2 氧指數(shù)的測定

氧指數(shù)（LOI）指的是試樣在氮氣、氧氣混合氣流中能夠維持燃燒所需要的最低氧含量的百分比，是表達塑料和其他高分子材料相對燃燒性能的一種方法，一般用它就可以判斷材料在空氣中與火焰接觸時燃燒的難易程度。材料的極限氧指數(shù)越大，燃燒所需要的條件也就越高，它的阻燃性能也就越好。本次實驗采用國標GB/T 2406-1993對聚氯乙烯（PVC）的極限氧指數(shù)進行測試。

1.5.3 煙密度的測定

煙密度指透過煙的光強度的減弱量來表述材料在規(guī)定的實驗條件下的發(fā)煙量。材料在煙箱中燃燒會產生煙氣，而煙箱的光通過煙氣中的固體塵埃時會發(fā)生反射，這樣就會導致一部分光通量損失。我們可以通過測量光通量的變化來表達煙密度的大小，從而確定在燃燒的條件下材料可能釋放煙的程度。煙密度越大，發(fā)煙量越高，產生的煙氣也就越多，產生的危害也就越大。本實驗采用JCY-2型建材密度測試儀對制作出來的PVC樣品的煙密度進行測試，試樣尺寸為25 mm×25 mm×6 mm。

1.5.4 拉伸強度的測定

材料的拉伸強度指的是在拉伸試驗中試樣從開始被拉一直到斷裂所承受的最大拉伸應力。本次實驗采用國標GB/T1040.2-2006對制作出來的PVC樣品的力學性能進行測試，拉伸速率為200 mm/min，實驗溫度為25.4℃，相對濕度為（60±10）%。

2 結果與討論

2.1 XRD譜圖分析

圖1是以硝酸鋁和硝酸鎳為前軀體溶液，通過高壓釜反應所制得的鋁酸鎳阻燃劑的X-射線衍射（XRD）譜圖。通過和鋁酸鎳標準圖譜卡片比較，結果表明，經過高壓反應釜法合成的鋁酸鎳阻燃劑與標準卡片中特征峰值相對應，表明實驗合成的鋁酸鎳阻燃劑為純相的鋁酸鎳阻燃劑。

圖1 鋁酸鎳的XRD譜圖

2.2 鋁酸鎳和云母的協(xié)效體系對PVC的阻燃消煙效果

由表1中的極限氧指數(shù)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，沒有加入阻燃劑的PVC材料的極限氧指數(shù)為26.9%，加入鋁酸鎳阻燃劑后，阻燃效果最好的是添加5 g時，極限氧指數(shù)為27.8%。單獨加入云母時發(fā)現(xiàn)，隨著阻燃劑量的增加，極限氧指數(shù)也隨之增加，當達到9 g時，極限氧指數(shù)最高，達到27.4%，而當加入9 g的鋁酸鎳阻燃劑和1 g云母粉時，氧指數(shù)有了比較明顯的升高，它的數(shù)值從空白26.9%提高到了28.4%，提高了1.5%。也就是說當鋁酸鎳和云母的協(xié)效比例為9∶1時，PVC樣品的阻燃效果相對來說是最好的。

表1 阻燃前后PVC樣品的氧指數(shù)及煙密度

由表1中的煙密度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，加入鋁酸鎳、云母后，鋁酸鎳和云母的協(xié)效體系對PVC有阻燃抑煙作用，沒有加入阻燃劑的PVC材料的煙密度為95.24%，加入鋁酸鎳阻燃劑后，消煙效果最好的是添加9 g鋁酸鎳阻燃劑時，煙密度為80.16%。單獨加入云母時發(fā)現(xiàn)，隨著阻燃劑量的增加，煙密度也隨之減少，當達到9 g時，煙密度最低，消煙效果最好，達到89.65%；當加入9 g鋁酸鎳和1 g云母時，煙密度由空白樣的95.24%降為77.74%，在這幾組實驗中煙密度是最小的，所以當鋁酸鎳和云母的協(xié)效比例為9∶1時，對制作出來的PVC樣品的消煙效果相對來說是最好的。

表2數(shù)據(jù)顯示，當加入鋁酸鎳、云母協(xié)效發(fā)生作用后，對PVC材料的斷裂伸長率、拉伸強度都產生較為明顯的影響，沒有加入阻燃劑的PVC材料的拉伸強度為19.18 MPa，斷裂伸長率為223%，加入鋁酸鎳阻燃劑后,當加入1 g時，它的拉伸強度最大為23.16 MPa，而它的斷裂伸長率隨阻燃劑的增加表現(xiàn)為下降趨勢。單獨加入云母時發(fā)現(xiàn)，隨著阻燃劑量的增加，它的拉伸強度也隨之增加，斷裂伸長率也相對只加入鋁酸鎳時變大。當鋁酸鎳與云母協(xié)效加入時，當添加9份鋁酸鎳和1份云母，拉伸強度和斷裂伸長率數(shù)值分別為18.17 MPa、227%，這時的力學性能相對來說最好。阻燃劑添加量的增加會使PVC材料的力學性能降低，這可能是因為添加了云母和鋁酸鎳。因為PVC的化學結構、材料的組成以及它的聚集態(tài)結構都可能因加入阻燃劑而變化，導致應力和應變發(fā)生較大變化。綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，當添加9份鋁酸鎳和1份云母，拉伸強度和斷裂伸長率數(shù)值分別為18.17 MPa、227%，阻燃后的PVC力學性能最好。

表2 阻燃劑對PVC力學性能的影響

3 結論

用反應釜法合成的鋁酸鎳阻燃劑經XRD表征為純相，將其與云母協(xié)效應用到PVC材料的阻燃研究中，當添加9份鋁酸鎳和1份云母時，試樣的極限氧指數(shù)為28.4%，煙密度等級為77.74%，拉伸強度為18.17 MPa，斷裂伸長率為227%。因此，經鋁酸鎳和云母協(xié)效處理后PVC的阻燃效果最佳，且力學性能也符合國標要求。