聚丙烯的增強(qiáng)改性及其阻燃性能研究

摘 要：以聚丙烯為基料，以短切玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，通過(guò)熔融共混加工得到了一種復(fù)合材料。探索了不同短切玻璃纖維和多聚磷酸銨用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和阻燃性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)39.4 MPa、彎曲模量和彎曲強(qiáng)度可達(dá)3 512、52.7 MPa，懸臂梁沖擊強(qiáng)度可達(dá)8.2 kJ·m^-2，并且復(fù)合材料的極限氧指數(shù)可達(dá)29，垂直燃燒可達(dá)V-0級(jí)別，即復(fù)合材料具有良好的強(qiáng)度和阻燃性能。

關(guān) 鍵 詞：聚丙烯；增強(qiáng)；短切玻璃纖維；阻燃；多聚磷酸銨

中圖分類號(hào)：TQ327.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）09-1379-05

聚丙烯的用途廣泛^[1-2]，在特定的環(huán)境中使用的聚丙烯需要具備相應(yīng)的性能，如阻燃環(huán)境中使用的聚丙烯則需要具備較高的強(qiáng)度和良好的阻燃性，一般可以通過(guò)改性的方法^[3]在聚丙烯基料中添加一定配比的增強(qiáng)材料和阻燃劑即可達(dá)到要求的性能參數(shù)。

在聚丙烯增強(qiáng)材料中，短切玻璃纖維^[4]以具有耐熱性強(qiáng)、絕緣性好和機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而常被使用；聚丙烯的阻燃劑主要包括無(wú)機(jī)阻燃劑^[5]、有機(jī)磷阻燃劑^[6]、有機(jī)鹵素阻燃劑^[7]、硅系阻燃劑^[8]和磷氮阻燃劑^[9-10]等，其中磷氮阻燃劑因?yàn)槠渥枞夹矢?、環(huán)保無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，在工程塑料方面被廣泛應(yīng)用^[11-12]。磷氮阻燃劑主要通過(guò)在燃燒時(shí)形成膨脹的碳層^[13]來(lái)達(dá)到阻燃效果，所以磷氮阻燃劑又被叫作膨脹型阻燃劑^[14-15]。

針對(duì)聚丙烯的力學(xué)性能增強(qiáng)和阻燃性能的提升進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，選用短切玻璃纖維為增強(qiáng)材料、多聚磷酸銨為阻燃劑，通過(guò)配料、擠出造粒、標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑和性能測(cè)試整個(gè)過(guò)程對(duì)二者最佳的用量進(jìn)行探索，得到最佳實(shí)驗(yàn)條件下的力學(xué)和阻燃性能參數(shù)，為聚丙烯的增強(qiáng)和阻燃相關(guān)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、加工設(shè)備與測(cè)試儀器

1.1.1 原料

聚丙烯（中國(guó)石油大慶煉化公司）；玻璃纖維（6 mm，河北龍興瑋業(yè)玻璃纖維制品有限公司）多聚磷酸銨（99%，河北陌槿生物科技有限公司），抗氧劑1010（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）、抗氧劑168（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）。

1.1.2 加工設(shè)備

DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；GHJ型高速混合機(jī)（常州市齊寶干燥設(shè)備有限公司）；LMEDI-22/40型基礎(chǔ)造粒機(jī)（廣州市零點(diǎn)一度科技有限公司）；MA860G型注塑機(jī)（海天塑料機(jī)械（廣州）有限公司）；SEIMIT-2060型電動(dòng)缺口制樣機(jī)（德恩斯儀器科技（無(wú)錫）有限公司）；LHS-50CH型恒溫恒濕箱（上海鼎科科學(xué)儀器有限公司）。

1.1.3 測(cè)試儀器

MTS-CMT4503型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)拉力機(jī)（深圳市華奧斯機(jī)電科技有限公司）；KRT-W型三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)機(jī)（昆山科瑞特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；GT-7045-MDL沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)（高鐵檢測(cè)儀器有限公司）；LT-101D型氧指數(shù)測(cè)定儀（上海理濤自動(dòng)化科技有限公司）；ZRS-TC型水平垂直燃燒實(shí)驗(yàn)機(jī)（無(wú)錫滕川儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 樣品制備

聚丙烯的增強(qiáng)改性及其阻燃性能研究樣品的制備包括配料、擠出造粒和標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑，整個(gè)實(shí)驗(yàn)工藝又包括性能測(cè)試部分。實(shí)驗(yàn)過(guò)程工藝流程如圖1所示。

1.2.1 配料

以聚丙烯為基料，以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，再向其中添加適量的抗氧劑1010和168。

共配制11批粉料，規(guī)定將每份配置完成的粉料總質(zhì)量定為100質(zhì)量份，每份粉料共1.5 kg，其中0#為清洗擠出造粒機(jī)時(shí)使用的粉料和注塑前清洗注塑機(jī)的粒料配比，1-5#配制僅短切玻璃纖維用量不同，6-10#配制僅多聚磷酸銨用量不同，此外抗氧劑1010和168的固定用量為0.2和0.3質(zhì)量份。擠出造粒配方如表1所示。

1.2.2 擠出造粒

將上述稱取完畢的原料依次放入高速混合機(jī)充分混合10 min。在擠出造粒前注意使用0#聚丙烯粉料3 kg對(duì)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行清洗，然后再分別對(duì)混勻的不同配方的粉料進(jìn)行擠出造粒，注意每批擠出粒料的前300 g舍棄。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑

在標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑前同樣需要使用0#聚丙烯粒料1 kg進(jìn)行注塑機(jī)清洗。注意更換模具后控制面板上的壓力、速度、位置和時(shí)間等參數(shù)需及時(shí)更改。

根據(jù)性能測(cè)試所需的標(biāo)準(zhǔn)樣條尺寸和數(shù)量，每批粒料均需要分別使用不同的標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行注塑。具體如下：使用170 mm×10 mm×4 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑20根啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條，用來(lái)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試；使用80 mm×10 mm×4 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑30根長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，其中10根用來(lái)測(cè)試彎曲性能，10根需要在4 h內(nèi)打出V形缺口來(lái)測(cè)試沖擊性能，另10根用來(lái)測(cè)試極限氧指數(shù)；使用125 mm×13 mm×3.2 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑10根長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，用來(lái)進(jìn)行垂直燃燒性能測(cè)試。

需要注意的是，所有注塑后的標(biāo)準(zhǔn)樣條均需要在恒溫恒濕箱內(nèi)保持48h后再進(jìn)行性能測(cè)試，恒溫恒濕箱設(shè)置溫度23 ℃，濕度60％。

1.3 性能測(cè)試

拉伸性能：復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的測(cè)試根據(jù)GB/T 1040.1的方法，使用注塑的啞鈴形拉伸標(biāo)準(zhǔn)樣條，設(shè)置拉伸速度為50 mm·min^-1，在23 ℃恒溫條件下測(cè)試。

彎曲性能：復(fù)合材料彎曲模量和彎曲強(qiáng)度的測(cè)試根據(jù)GB/T 9341—2008的方法，使用注塑的長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，設(shè)置撓度為6 mm、測(cè)試速度為2 mm·min^-1，在23 ℃恒溫條件下測(cè)試。

沖擊性能：復(fù)合材料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)試根據(jù)GB/T 1843—2008的方法，使用注塑的長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，并在注塑完成4 h內(nèi)使用缺口制樣機(jī)打出V形缺口，選用適宜能量的擺錘，在23 ℃恒溫條件下測(cè)試。

極限氧指數(shù)：復(fù)合材料極限氧指數(shù)的測(cè)試根據(jù)GB/T 2406.2—2009的方法，使用注塑的長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，通過(guò)觀察其燃燒特性，在不同氧濃度下進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，估算最低的氧濃度即極限氧指數(shù)。實(shí)驗(yàn)在23 ℃恒溫條件下進(jìn)行。通常極限氧指數(shù)小于22為易燃、22～27為可燃、大于27為難燃。

垂直燃燒：復(fù)合材料垂直燃燒的測(cè)試根據(jù)GB/T 2408—2021的方法，使用注塑的長(zhǎng)條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，通過(guò)測(cè)量其燃燒的余焰和余暉時(shí)間、范圍和顆粒滴落情況來(lái)評(píng)價(jià)燃燒行為。通常材料的垂直燃燒可分為V-0、V-1和V-2級(jí)。垂直燃燒級(jí)別指標(biāo)如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響

2.1.1 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2。在其他條件相同時(shí)，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)短切玻璃纖維用量在8～14質(zhì)量份時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨短切玻璃纖維用量增加而逐漸增加，最高可達(dá)到39.4 MPa，當(dāng)用量為16質(zhì)量份時(shí)拉伸強(qiáng)度降低。這是因?yàn)橐欢ǚ秶鷥?nèi)適量的短切玻璃纖維對(duì)復(fù)合材料有增強(qiáng)的作用，但用量超過(guò)一定范圍強(qiáng)度降低，是因?yàn)檫^(guò)量的短切玻璃纖維與聚丙烯基體發(fā)生部分相分離，所以拉伸強(qiáng)度下降。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份時(shí)拉伸性能最佳。

2.1.2 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響見(jiàn)圖3。在其他條件相同時(shí)，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)短切玻璃纖維用量在8～14Dzu6iPpaZvO6IgTyEkKu3yDtTpjuvYibQZNqDdU3iC0=質(zhì)量份時(shí)彎曲模量和彎曲強(qiáng)度均逐漸上升，說(shuō)明此范圍增加短切玻璃纖維用量可以增加復(fù)合材料的剛性；繼續(xù)增加短切玻璃纖維的用量到16質(zhì)量份，發(fā)現(xiàn)彎曲模量和彎曲強(qiáng)度大幅度下降，是因?yàn)榇藭r(shí)短切玻璃纖維因?yàn)橛昧窟^(guò)多而一部分無(wú)法很好地與聚丙烯基體相融，導(dǎo)致彎曲性能測(cè)試時(shí)受到影響。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維總量為14質(zhì)量份時(shí)彎曲性能最佳。

2.1.3 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料沖擊性能的影響見(jiàn)圖4。在其他條件相同時(shí)，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)隨短切玻璃纖維用量的增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，當(dāng)短切玻璃纖維用量在合適范圍內(nèi)，短切玻璃纖維會(huì)對(duì)復(fù)合材料起到增強(qiáng)的作用，所以沖擊強(qiáng)度會(huì)上升；但是當(dāng)短切玻璃纖維用量超過(guò)14質(zhì)量份時(shí)沖擊強(qiáng)度小幅度下降，這是因?yàn)檫^(guò)多的短切玻璃纖維在聚丙烯基料中混合不均勻或者相分離導(dǎo)致強(qiáng)度降低，表現(xiàn)為沖擊強(qiáng)度下降。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份時(shí)沖擊性能最佳。

2.1.4 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料極限氧指數(shù)的影響

圖5為不同短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料極限氧指數(shù)的影響圖。

在其他條件都相同時(shí)，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的極限氧指數(shù)一直隨短切玻璃纖維的用量的增加而升高，這是因?yàn)槎糖胁ＡЮw維在復(fù)合材料中不僅有增強(qiáng)力學(xué)性能的作用，還有阻燃的作用，其阻燃性與用量正相關(guān)，即用量越多阻燃性能越好，表現(xiàn)為極限氧指數(shù)的增加。同時(shí)協(xié)同使用阻燃劑多聚磷酸銨，會(huì)得到一種既力學(xué)性能得到增強(qiáng)、又提高阻燃性的復(fù)合材料。又因?yàn)闃O限氧指數(shù)小于22為易燃、22-27為可燃、大于27為難燃，當(dāng)短切玻璃纖維用量為12質(zhì)量份時(shí)的極限氧指數(shù)為26，阻燃性能不理想；當(dāng)短切玻璃纖維用量大于14質(zhì)量份時(shí)的極限氧指數(shù)最低為29，阻燃性能良好。

2.1.5 短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料垂直燃燒性能的影響

表3為不同短切玻璃纖維用量對(duì)復(fù)合材料垂直燃燒性能的影響。根據(jù)國(guó)標(biāo)所述的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)只有短切玻璃纖維的用量為8質(zhì)量份時(shí)，垂直燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生熔融滴落，垂直燃燒級(jí)別僅為V-2級(jí)；當(dāng)短切玻璃纖維用量大于等于10質(zhì)量份時(shí)，不再發(fā)生滴落；當(dāng)短切玻璃纖維用量為10-12質(zhì)量份時(shí)復(fù)合材料垂直燃燒等級(jí)為V-1級(jí)；當(dāng)短切玻璃纖維用量為14和16質(zhì)量份時(shí)的復(fù)合材料符合V-0級(jí)別。

2.2 多聚磷酸銨用量對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響

已經(jīng)根據(jù)1-5#實(shí)驗(yàn)得到了最佳的短切玻璃纖維的用量為14質(zhì)量份，且具有最佳的綜合性能，接著以此參數(shù)設(shè)置的6-10#實(shí)驗(yàn)將考察最佳多聚磷酸銨的用量。不同多聚磷酸銨用量對(duì)復(fù)合材料綜合性能的影響見(jiàn)表4。

根據(jù)表4列出的不同多聚磷酸銨用量的復(fù)合材料的力學(xué)和阻燃性能數(shù)據(jù)，可見(jiàn)：拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度和極限氧指數(shù)均隨多聚磷酸銨的用量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)添加量為20質(zhì)量份時(shí)具有最佳性能數(shù)據(jù)。另外垂直燃燒當(dāng)多聚磷酸銨用量為20和24質(zhì)量份時(shí)達(dá)到V-0級(jí)別，其他均為V-1級(jí)別，說(shuō)明當(dāng)短切玻璃纖維用量一定時(shí)，過(guò)多或過(guò)少使用多聚磷酸銨阻燃劑達(dá)到的垂直燃燒性能均不理想。

當(dāng)短玻璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度和阻燃性能均可達(dá)到較為理想的狀態(tài)。

3 結(jié)論

以聚丙烯為基料，以短切玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，通過(guò)熔融共混合加工，得到了一種復(fù)合材料。探索了不同短切玻璃纖維和多聚磷酸銨用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和阻燃性能的影響。

結(jié)果顯示，當(dāng)短切璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時(shí)，復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)強(qiáng)度和阻燃性能，其中拉伸強(qiáng)度可達(dá)到39.4 MPa、彎曲模量和彎曲強(qiáng)度可達(dá)到3 512 MPa和52.7 MPa，懸臂梁沖擊強(qiáng)度可達(dá)到8.2 kJ·m^-2，并且復(fù)合材料的極限氧指數(shù)可達(dá)到29，垂直燃燒可達(dá)到V-0級(jí)別。

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Study onEnhancement Modification and Flame

Retardancyof Polypropylene

CHEN Jieqin

（Guangdong TianxiongNew MaterialTechnology Co.，Ltd.， Foshan Guangdong 528000， China）

Abstract：Usingpolypropylene as the base material， short cut glass fiber as the reinforcing material， and ammonium polyphosphate as the flame retardant，a composite materialwas obtainedthrough melt blending processing. The effects of different amounts of short cut glass fibers and ammonium polyphosphate on the mechanical and flame retardant of composite materialswere investigated. The results showedthat when the amount of short cut glass fiber was14 parts by mass and the amount of ammonium polyphosphate was20 parts by mass， the tensile strength of the composite material couldreach 39.4 MPa， the bending modulus and bending strength couldreach 3512 MPa and 52.7 MPa， the impact strength of the cantilever beam couldreach 8.2 kJ·m^-2， and the ultimate oxygen index of the composite material couldreach 29 and the vertical combustion couldreach the V-0 level， indicating that the composite material has good strength and flame retardancy.

Key words：Polypropylene; Enhancement; Short cut glass fiber;Flame retardant;Ammonium polyphosphate