勃姆石對(duì)楊木粉/PP復(fù)合材料的力學(xué)及阻燃性能影響

施成濤 梁曉燕 姜洪麗

化學(xué)與制藥工程學(xué)院，山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)，山東 泰安 271016

木塑復(fù)合材料作為一種通用環(huán)保型材料，因?yàn)榧婢咚芰虾湍静牡碾p重屬性，以其性價(jià)比高、加工方便、可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如應(yīng)用于門窗、地板、室外座椅、柵欄、海邊鋪地板、防潮板等[1-2]。隨著復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，材料的安全性愈來(lái)愈成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。但由于組成復(fù)合材料的楊木粉與聚丙烯塑料都容易燃燒，使得復(fù)合材料也易燃，因而賦予材料良好的阻燃性能是材料研究中的重中之重[3-6]。

由于近年來(lái)環(huán)保呼聲日益增高，故而阻燃劑的添加使材料在獲得良好阻燃性能的同時(shí)，也要充分考慮對(duì)環(huán)境的影響。低煙、無(wú)鹵、無(wú)磷成為阻燃劑研究的方向。本實(shí)驗(yàn)選取了勃姆石為阻燃劑，對(duì)楊木粉/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能、流變性能及阻燃性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚丙烯(PP)，320，茂名實(shí)華東成化工有限公司；楊木粉，顆粒直徑≤0.250 mm，實(shí)驗(yàn)室自制；馬來(lái)酸酐接枝PP(MAPP)，818A，茂名石化公司；勃姆石，實(shí)驗(yàn)室自制；抗氧劑1010，青島旭昕化工有限公司；潤(rùn)滑劑EBS，廣州潤(rùn)鋒化工有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

微型錐形雙螺桿擠出機(jī)，SJZS-10A型，武漢市瑞鳴塑料機(jī)械制造公司；微型注射機(jī)，SJS-15型，武漢市瑞鳴塑料機(jī)械制造公司；氧指數(shù)儀，ZKHW型，青島中科恒維智能科技有限公司；轉(zhuǎn)矩流變儀，RM-200A型，哈博電氣制造公司；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，AGS-X型，日本島津。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料的制備

楊木粉干燥→原料混合→雙螺桿擠出機(jī)擠出→注射成型→冷卻定型→性能測(cè)試。

1.4 測(cè)試與表征

力學(xué)性能測(cè)試：拉伸強(qiáng)度參照GB/T1040-2006。氧指數(shù)測(cè)試：氧指數(shù)參照GB/T2406-94測(cè)試。流變性能：采用轉(zhuǎn)矩流變儀記錄體系的平衡扭矩，測(cè)試條件：轉(zhuǎn)速80 r/min，最大加料量50 g。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能分析

楊木粉/PP復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果見圖1。圖中的3條曲線分別表示3種不同楊木粉/PP比例體系(PP中都含一定比例的MAPP)的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨勃姆石填充量的變化。由圖1可知，在勃姆石添加相同的情況下，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著楊木粉含量的增加而增大，如25%添加量的勃姆石，楊木粉∶PP = 30∶70比例體系中，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為16.20 Mpa，而楊木粉∶PP=50∶50的體系中，材料的拉伸強(qiáng)度為18.94 Mpa，增大了16%。在相同楊木粉/PP比例體系中，隨勃姆石填充量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也隨之增大，但增幅較平緩，比如楊木粉∶PP = 40∶60的體系，勃姆石填充量由20%到30%時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度由17.40 Mpa增大到17.96 Mpa，增幅僅為3.2%，這可能是因?yàn)椴肥赑P中添加量較多，其分散性變差，增強(qiáng)效果不明顯。

2.2 流變行為分析

圖2是加工時(shí)間為200 s時(shí)，勃姆石填充量對(duì)復(fù)合體系的平衡扭矩影響。平衡轉(zhuǎn)矩反映了物料的流動(dòng)性能，該值越低，表明流動(dòng)性越好。由圖2我們可以看出，勃姆石的加入使得復(fù)合體系的的平衡扭矩變大，流動(dòng)性能變差，表明勃姆石的加入增加了復(fù)合材料中PP的表觀黏度。勃姆石是無(wú)機(jī)阻燃劑中的一種，但為了達(dá)到良好的阻燃效果，填充量一般比較大，這必然導(dǎo)致樹脂在混煉成型時(shí)的流動(dòng)性變差，從而使雙螺桿擠出機(jī)的擠出速度變慢。

圖1 勃姆石填充量對(duì)材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 勃姆石填充量對(duì)材料流變性能的影響

2.3 阻燃性能分析

勃姆石填充量對(duì)復(fù)合材料阻燃性能的影響見表1。由表可以看出，楊木粉/PP復(fù)合材料屬于易燃體系，材料的氧指數(shù)為21～22。楊木粉和PP比為30∶70時(shí)，復(fù)合材料氧指數(shù)為21.7，而比例為50∶50的材料氧指數(shù)為22.0，隨著楊木粉含量的增加，材料氧指數(shù)略有提高，但并不明顯。在相同楊木粉/PP比例體系中，隨著勃姆石填充量的增大，材料的氧指數(shù)也隨之增加，在勃姆石填充量不變的情況下，隨楊木粉含量的增加，材料的氧指數(shù)也隨之增大。如在楊木粉∶PP=40∶60體系中，勃姆石填充量20%和35%時(shí)，材料的氧指數(shù)為23.5，25.6；在30%勃姆石填充量，在楊木粉︰PP為30∶70體系，40∶60體系，50∶50體系，氧指數(shù)分別為24.4，24.7和25.2。

表1 不同楊木粉/PP配比下的LOI

3 結(jié) 論

(1) 在勃姆石添加量相同的情況下，材料的拉伸強(qiáng)度隨木粉含量增加而增大；在相同楊木粉/PP比例體系中，材料的拉伸強(qiáng)度隨勃姆石的增加緩慢增大。勃姆石的填充，使得復(fù)合材料的流動(dòng)性變差。

(2) 氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，楊木粉含量增加，其氧指數(shù)有輕微提高。勃姆石的填充，增強(qiáng)了材料的阻燃性能；隨著勃姆石填加量的增加，復(fù)合材料的氧指數(shù)增大。