聚苯乙烯接枝改性的建筑管材制備及阻燃性分析研究

王艷

摘要：聚苯乙烯是一種極為常見的建筑工程材料，具有成本低廉、耐磨耐腐蝕性好等優(yōu)點，還具有較強的防水性能和可加工性。針對聚苯乙烯的性能缺陷，將聚苯乙烯和尼龍6進行共混，通過添加阻燃劑、改性材料等進行復合加工，得到了一種聚苯乙烯/尼龍6阻燃復合材料。對該復合材料建筑工程管材的綜合性能進行分析研究，認為當復合材料中尼龍6的質量占比超過20%后，復合材料內部會出現(xiàn)明顯的孔洞和裂紋，尼龍6質量占比越高則材料的綜合性能越差；尼龍6的質量占比為20%時復合材料綜合性能最佳。

關鍵詞：聚苯乙烯；尼龍6；氧化石墨烯；阻燃復合材料；綜合性能

中圖分類號：TQ331.4+92文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0044-04

Study on the preparation and flame retardancy of building pipes grafted with polystyrene

WANG Yan

（Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 719300，China）

Abstract：Polystyrene is a very common construction materials， which has the advantages of low cost， good wear re- sistance and corrosion resistance， and strong waterproof performance and machinability. Aiming at the performance defects of polystyrene，polystyrene and nylon 6 are blended， and a kind of polystyrene/nylon 6 flame retardant com- posite material is obtained by adding flame retardants and modified materials. The comprehensive performance of the composite material construction pipe is analyzed， and it is considered that when the mass ratio of nylon 6 in the composite material is more than 20%， there will be obvious holes and cracks in the interior of the composite materi- al. The higher the mass proportion of nylon 6， the worse the comprehensive performance of the material. When the mass proportion of nylon 6 is 20%，the composite material has the best comprehensive performance.

Keywords：polystyrene；nylon 6；graphene oxide；flame retardant composite material；comprehensive performance

聚苯乙烯（PS）是一種極為常見的建筑工程材料，具有成本低廉、耐磨耐腐蝕性好等優(yōu)點，同時還具有較強的防水性能和可加工性。因而，PS在很長時間內都作為建筑工程中裝飾件、高頻電絕緣零件等的主要加工用材之一。但隨著現(xiàn)代建筑對使用材料性能要求的逐漸增高，PS 材料因力學性能差、熱穩(wěn)定性一般、阻燃性能不佳等問題，已經無法在更廣泛的范圍內使用[1-3]。研究將尼龍6（Polyamide 6，PA6）與PS 進行復合，制備出一種能夠提升PS材料力學性能的復合材料，通過在復合加工時添加鹵素阻燃劑氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）等成分提高了PS材料的熱穩(wěn)定性與阻燃性。利用熱重分析儀、電子萬能試驗機等對PS/PA6復合材料的綜合性能如熱穩(wěn)定性、力學性能等進行實驗分析，旨在為PS/PA6復合材料在建筑工程管材制備領域的應用提供借鑒。

1 實驗材料與方法

1.1實驗設備與材料

1.1.1 實驗設備

實驗設備主要由WAW-1000C+電子萬能試驗機，濟南新試金試驗機有限責任公司；JWP-95雙螺桿塑料擠出機，江蘇金沃機械有限公司；BP-8180-A 塑料注射機，東莞市寶品精密儀器有限公司； TGA-601熱重分析儀，南京匯誠儀器儀表有限公司；ReactRaman 785傅里葉紅外光譜儀，梅特勒托利多科技（中國）有限公司；Apreo 2C場發(fā)射掃描電鏡，北京歐波同光學技術有限公司；SM-1000D超聲波分散儀，南京舜瑪儀器設備有限公司；GK-135E密煉機，大連華韓橡塑機械有限公司；ZY6155B極限氧指數(shù)儀、ZY6017F可燃性測試儀、ZY6242-PC單體燃燒試驗爐，東莞中諾質檢儀器設備有限公司；HCCY-600-B 錐形量熱儀，鶴壁儀表廠有限責任公司，等[4-5]。

1.1.2 實驗材料

實驗所需材料主要由基材PS，東莞市晟邦高分子材料有限公司；PA6，濟南世紀通達化工有限公司；阻燃劑 GO，上海源葉生物科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，常寧市宏豐化工有限公司；無水乙醇，濟南世紀通達化工有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 PS/PA6復合材料制備

（1）改性GO。將2 g GO加入500 mL無水乙醇中，利用超聲波分散儀進行混合，混合時間為3h；加入2 mL硅烷偶聯(lián)劑，利用超聲波分散儀進行混合，混合時間為20 min；利用恒溫磁力攪拌器進行攪拌，溫度保持60℃ ， 攪拌時間4 h；高速離心機分離以后反復洗滌并干燥，得到改性GO；

（2）接枝PS。取8 g改性GO與100 gPS加入密煉機中進行熔融，保持溫度為200℃ ，反應時間為20 min，得到接枝PS；

（3）PS/PA6復合加工。根據不同的接枝PS與PA6比例，分別在溫度120、150、180和200℃條件下進行雙螺桿擠出機共混，保持轉速為400 r/min；之后放入溫度90℃真空干燥箱中進行烘干，時間12 h。最后，利用注射機進行注射，注射溫度200℃ ， 模具溫度35℃ ，冷卻時間30 s，得到PS/PA6復合材料。

1.2.2 性能測試與分析

表1所示為不同接枝PS與PA6比例的復合材料配方。

本次實驗所需完成的各項測試[9]：

（1）力學性能測試主要通過電子萬能試驗機等對I ～ V組材料進行拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等的測試，拉伸速率5 mm/min，彎曲速率2mm/min，V 型缺口；（2）熱穩(wěn)定性測試主要利用熱重分析儀對 PS、接枝PS及I ～ V組材料進行熱分解實驗，通過觀察熱分解發(fā)生溫度對材料的熱穩(wěn)定性進行總結；（3）阻燃性測試主要利用可燃性測試儀、單體燃燒試驗爐、錐形量熱儀等對材料的燃燒現(xiàn)象、火焰是否橫向蔓延至試樣長翼邊緣等進行觀察，得到不同材料阻燃性能的優(yōu)劣及其對應的材料質量配比。

其他實驗包括SEM分析等，主要為觀察材料表面是否有孔洞、裂紋等，其可以反映材料內部粘接強度、致密情況等[10]。

2 結果與討論

2.1 復合材料性能分析

表2所示為I ～ V組 PS/PA6復合材料拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度的對比情況。

由表2可知，隨著復合材料中PA6質量占比的提升，I ～ V組PS/PA6復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化態(tài)勢，在PA6質量分數(shù)為20%時，復合材料的拉伸強度達到最大值71.8 MPa；以I組材料為對比對象，此時的PA6質量分數(shù)為0%，而其余4個組材料的拉伸強度均較I組更高，表明PA6材料的加入提升了復合材料的拉伸強度[11-12]。復合材料中 PA6的加入很好地提升了材料整體的彎曲強度，與I組PA6質量分數(shù)為0%時相比，即便彎曲強度最低的 V組材料也達到了68.8 MPa；而彎曲強度的變化情況與拉伸強度的變化情況基本一致，都在Ⅲ組材料PA6質量分數(shù)為20%時達到最佳。（3）沖擊強度變化與拉伸強度、彎曲強度的變化基本一致，都在PA6質量分數(shù)為20%時達到最佳；與未添加PA6的I組材料相比，PA6質量分數(shù)為20%時的沖擊強度達到了101.4%，沖擊強度的增強效果較拉伸強度、彎曲強度的增強效果更為明顯[13]。

綜合來看，當PS/PA6復合材料中PA6材料的質量分數(shù)為20%，PS 材料的質量分數(shù)為80%時，復合材料的綜合力學性能最佳。這因為PA6材料本身的力學性能較PS材料更好，PA6材料的加入對于復合材料綜合力學性能的提升較為明顯，在復合材料受到外力影響時，PA6材料的存在很好地分散了外部應力。但是，一旦PA6材料的質量占比過高，材料會在復合材料結構中出現(xiàn)團聚現(xiàn)象。團聚現(xiàn)象一旦出現(xiàn)則材料內部的成分均勻度會出現(xiàn)明顯下降；而此時再次受到外力影響時，復合材料會表現(xiàn)出應力集中問題，材料的綜合力學性能反而會下降[14]。

2.2 材料質量保留率變化情況分析

表3為幾種材料的質量保留率隨加熱溫度變化而變化的情況。

由表3可知，（1）PS 材料視角來看，當外界溫度達200℃時材料即開始發(fā)生熱分解，且熱分解的速度非?？?；當外界溫度達到250℃時，材料的質量保留率已降至45.3%，不足一半；當外界溫度達到300℃時，材料的質量保留率已經降為0%，此時熱分解便已經完成。由此可見，單純的PS材料質量隨溫度的提升會呈現(xiàn)出迅速下降的變化狀態(tài)。（2）從PA6材料視角來看，該材料的質量保留率變化情況與PS 材料極為相似，均在200℃左右開始發(fā)生熱分解；但PA6材料在溫度達到350℃左右時質量保留率才降為0%，此時熱分解才完成[15]，在外部溫度為300℃時材料還能保有極少的質量。相對而言，PA6的熱穩(wěn)定較PS 材料略好。就整體來看，盡管PA6在300℃時還能保有一部分質量，但7.8%的質量保留率顯然也不能保證材料還可以提供基本的性能，幾乎已可以被認為失效。（3） PS/PA6復合材料變化狀態(tài)，從接枝PS（即I組）、Ⅱ～V組PS/PA6復合材料的質量保留率變化情況來看， I組不含PA6材料的接枝PS 材料在200℃時便開始出現(xiàn)質量保留率下降現(xiàn)象；在外界溫度達到400℃之前，材料的質量保留率下降并不明顯；當溫度達到400～450℃時，材料的質量保留率極速下降；當外界溫度達到500℃左右時，材料的質量保留率達到32.7%，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。Ⅱ～ V組PS/PA6復合材料均在外界溫度達250℃左右時，開始出現(xiàn)質量保留率下降，Ⅱ組材料的質量保留率下降速度最慢，其他依次是Ⅲ、Ⅳ、V組，Ⅱ組材料在外界溫度達到350℃以后才開始大幅損失質量，Ⅲ、Ⅳ、V組則分別在300、250℃左右開始出現(xiàn)大幅損失質量的情況。從最終穩(wěn)定以后的質量保留率來看，PS、PA6之2種材料的最終質量保留率均為0%，I組接枝PS材料的最終質量保留率為32.4%，Ⅱ～ V組PS/PA6復合材料最終的質量保留率分別為27.8%、21.1%、17.5%和8.4%[16-17]。

綜合而言，PS、PA6材料的熱穩(wěn)定性都較為一般，而接枝PS材料的熱穩(wěn)定性較純PS 材料有明顯提升，這是因為GO材料的加入能夠為PS 材料提供一定的吸熱膨脹功能，膨脹以后的GO材料會在PS 材料的表面形成一層非常穩(wěn)定的隔熱層，從而避免外界熱量進入PS材料內部，進而對PS材料的熱分解形成了一種有效的抑制作用[18]。隨著復合材料中PA6材料質量占比的提升，接枝PS材料的質量占比下降，此時能夠形成這種隔熱層的GO 材料質量占比也自然會下降，因而材料表面的隔熱層厚度、范圍均發(fā)生了明顯下降，材料的熱穩(wěn)定性隨之降低，尤其在PA6材料的質量占比超過20%以后，這種熱穩(wěn)定性下滑的現(xiàn)象越發(fā)明顯，V組材料的熱穩(wěn)定性最差。因此，從熱穩(wěn)定性來看，I ～ V組PS/PA6復合材料的熱穩(wěn)定性呈逐漸下滑態(tài)勢，在Ⅲ組以后下滑態(tài)勢更為明顯。

2.3阻燃性能分析

2.3.1 阻燃等級

按GB 8624—2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》分為：A1、A2、B、C、D、E和F級。表4為劃分I ～ V 組PS/PA6復合材料阻燃等級的各項目實驗結果。

（1）根據國際標準（ISO 11925—2單個火源可燃性測試），I、Ⅱ、Ⅲ組Fs 均小于等于150 mm，表明當材料中PA6質量占比超過20%以后，材料的可燃性提升，燃燒現(xiàn)象、是否能夠引燃濾紙、火焰是否橫向蔓延至試樣長翼邊緣這3個實驗項目的表現(xiàn)也印證了這一點；（2）從GB 8624—2012中FIGRA0.4MJ參數(shù)標準來看，I ～ V組PS/PA6復合材料在燃燒釋放熱量達到0.4 MJ時的燃燒增長速率指數(shù)均呈上升態(tài)勢，但 I、Ⅱ、Ⅲ組上升幅度較低，而Ⅳ、V組的上升幅度明顯更高，這表明這2組復合材料在燃燒釋放熱量達到0.4 MJ時的燃燒速度明顯更快；（3）從極限氧指數(shù)來看，I、Ⅱ、Ⅲ組樣品燃燒所需氧氣量隨有所下降但變化并不明顯，而Ⅳ、V組樣品燃燒所需氧氣量下降幅度更為明顯，表明這2組復合材料可以在更低的氧氣含量下達到極限燃燒。從是否達到B1級來看，只有Ⅳ、 V組樣品未能達到B1級[19]。

綜合而言，I、Ⅱ、Ⅲ組復合材料的阻燃等級均達到了B1級，3個組復合材料的阻燃性能依次下降；Ⅳ、V組樣品未能達到B1級，V組復合材料的阻燃性能最差。根據 GB 8624—2006，B1級的I、Ⅱ、Ⅲ組復合材料已經達到了不易燃材料標準。

2.3.2 總產煙量

表5為I ～ V組PS/PA6復合材料在燃燒狀態(tài)發(fā)生以后總產煙量隨時間變化而變化的情況。

（1）從最終的總產煙量角度來看，I ～ V組PS/ PA6復合材料的最終總產煙量呈逐漸上升態(tài)勢，V組材料的總產量是I組材料的8.7倍，達到了541.4 m2；Ⅳ、V組復合材料600 s 內的總產煙量已經超出了 GB 8624—2006中B1級標準，而I、Ⅱ、Ⅲ組復合材料均能達到 GB 8624—2006；（2）從總產煙量隨時間的變化情況來看，I、Ⅱ、Ⅲ組復合材料總產煙量隨時間變化的趨勢更為平緩；而Ⅳ、V組復合材料變化趨勢明顯更為顯著[20]。

綜合而言，I、Ⅱ、Ⅲ組復合材料的總產煙量指標均可以達到GB 8624—2006中B1級標準。

3 結語

（1）從綜合力學性能分析角度來看，PA6材料的加入能夠顯著提升PS/PA6復合材料的綜合力學性能，而第Ⅲ組PS/PA6復合材料試樣PA6質量分數(shù)為20%時的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度均為最佳；

（2）從材料的熱穩(wěn)定性分析角度來看，PA6材料的加入能夠顯著影響PS/PA6復合材料的熱穩(wěn)定性，但這種影響并非線性，當PA6材料質量占比過高時，會因為在材料內部形成團聚而使復合材料的熱穩(wěn)定性下降，最佳PA6材料質量分數(shù)仍然為20%；

（3）從材料的阻燃性能分析角度來看，PA6材料的加入會顯著降低PS/PA6復合材料的阻燃性能，當 PA6材料的質量分數(shù)超過20%以后，復合材料的阻燃性能便已經無法達到GB 8624—2006B1級標準。

綜合來看，PA6材料的質量分數(shù)在20%左右時， PS/PA6復合材料的綜合力學性能、熱穩(wěn)定性最佳，阻燃性能雖然不是最好，但仍然能達到 GB 8624—2006 B1級標準。因此，PA6材料的質量分數(shù)在20%左右時，PS/PA6復合材料綜合性能最佳。

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