鋁酸鈷和云母協效體系對PVC材料阻燃性能和力學性能的影響

陳靈智

(衡水學院應用化學系，河北 衡水 053000)

PVC是世界上五大應用廣泛的塑料之一[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]，因此須對其進行阻燃處理。鋁酸鈷屬于雙金屬復合氧化物、尖晶石結構[3-4],可用作無機阻燃劑，具有無毒、無害、環保高效等特點,但與材料的相容性較差，導致阻燃處理后PVC的力學性能下降。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、阻燃性能好等優點，能有效地改善工程塑料的阻燃性能和力學性能。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效體系對PVC的阻燃性能以及力學性能的影響。通過水熱合成法制備出高純度鋁酸鈷，再通過煙密度、極限氧指數和力學性能測試鋁酸鈷與云母協效后對PVC材料的阻燃抑煙性能的影響，進一步探討出最佳的協效比例，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 主要儀器和設備

試驗的主要儀器與設備如表2所示。

表2 主要儀器和設備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，即得到目標產物鋁酸鈷粉末。

1.4 PVC樣品的制備

將潤滑劑、偶聯劑、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樣品極限氧指數的測定

極限氧指數(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,材料的極限氧指數越大，其防火性能越好。采用國標GB/T 2406—1993對阻燃樣品的極限氧指數進行測試。

1.5.3 PVC樣品煙密度的測定

煙密度是指材料在國家規定的試驗條件下發煙量的量度，用透過煙的光強度的減弱量進行描述，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力。采用國標GB/T 1040.2—2006對PVC樣品的力學性能進行測試，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量隨溫度變化的一種熱分析技術。試驗參數：樣品質量5～10 mg，氣流N2，流速20 mL/min，升溫速率10 ℃/min，溫度30～700 ℃。

2 結果與討論

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。通過與標準卡片對比發現，合成鋁酸鈷的2θ的出峰位置與標準卡片中2θ=31.32°、 36.90°、44.88°、55.65°、59.45°和65.25°出現的位置一致，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數據可知：當加入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效比例為1∶9。

由表3中的煙密度等級數據可知：當加入1份鋁酸鈷和9份云母時，煙密度由86.86%降至71.03%，在這11組試驗數據中煙密度最小，因此鋁酸鈷和云母的協效比例為1∶9時，PVC樣品生煙量最少。

2.3 鋁酸鈷和云母協效體系對軟質PVC樣品力學性能的影響

鋁酸鈷和云母協效體系對PVC樣品力學性能的影響見表4。

表4 阻燃劑對PVC樣品力學性能的影響Table 4 Effect of fire retardant on mechanical properties of PVC samples

表4中的數據顯示：當加入鋁酸鈷、云母以及鋁酸鈷和云母協效后，對PVC樣品的斷裂伸長率、拉伸強度都產生了較為明顯的影響，隨著添加量的增加，PVC樣品的力學性能隨之降低，這可能是因為PVC中加入了云母和鋁酸鈷后，樣品的化學結構、組成及聚集態結構對應力產生了影響；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，進而引起PVC的熱分解，失重率已達到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構的分解，從而導致殘炭量升高。經鋁酸鈷和云母協效后，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%，致使殘碳量增加。這表明鋁酸鈷和云母的協效體系能夠延緩PVC降解，起到了阻燃作用。

3 結論

用水熱法合成的鋁酸鈷阻燃劑經XRD表征為純相，將其與云母協效應用到PVC材料的阻燃研究中，當添加1份鋁酸鈷和9份云母時，試樣的LOI達到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經過鋁酸鈷和云母協效阻燃處理后，熱降解溫度降低，殘炭量增加。因此，將1份鋁酸鈷和9份云母協效添加到PVC中具有較好的阻燃抑煙功能。