鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對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]，因此須對其進(jìn)行阻燃處理。鋁酸鈷屬于雙金屬復(fù)合氧化物、尖晶石結(jié)構(gòu)[3-4],可用作無機阻燃劑，具有無毒、無害、環(huán)保高效等特點,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，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PVC的阻燃性能以及力學(xué)性能的影響。通過水熱合成法制備出高純度鋁酸鈷，再通過煙密度、極限氧指數(shù)和力學(xué)性能測試鋁酸鈷與云母協(xié)效后對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，并通過熱重分析儀對阻燃前后PVC材料的熱降解行為進(jìn)行研究。

1 試驗部分

1.1 主要原料

試驗主要原料如表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

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

1.5 樣品性能測試

1.5.1 鋁酸鈷XRD分析

X射線粉末衍射分析(XRD)的試驗條件：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)的測定

極限氧指數(shù)(LOI)是指試樣在氮氣、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。采用國標(biāo)GB/T 2406—1993對阻燃樣品的極限氧指數(shù)進(jìn)行測試。

1.5.3 PVC樣品煙密度的測定

煙密度是指材料在國家規(guī)定的試驗條件下發(fā)煙量的量度，用透過煙的光強度的減弱量進(jìn)行描述，通過測量光通量的變化來評價煙密度大小，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樣品拉伸強度的測定

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

1.5.5 熱重分析(TGA)

熱重分析是在溫度程序控制下測試試樣的質(zhì)量隨溫度變化的一種熱分析技術(shù)。試驗參數(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。通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比發(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，LOI從25.8%增至30.5%，提高了4.7百分點；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中的煙密度等級數(shù)據(jù)可知：當(dāng)加入1份鋁酸鈷和9份云母時，煙密度由86.86%降至71.03%，在這11組試驗數(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，PVC樣品生煙量最少。

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

鋁酸鈷和云母協(xié)效體系對PVC樣品力學(xué)性能的影響見表4。

表4 阻燃劑對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PVC樣品的斷裂伸長率、拉伸強度都產(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，這可能是因為PVC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)對應(yīng)力產(chǎn)生了影響；斷裂伸長率和拉伸強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(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，試樣的LOI達(dá)到30.5%，煙密度等級為71.03%，拉伸強度為22.10 MPa，斷裂伸長率為282.43%，且PVC經(jīng)過鋁酸鈷和云母協(xié)效阻燃處理后，熱降解溫度降低，殘?zhí)苛吭黾印Ｒ虼耍瑢?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。