聚氯乙烯阻燃面料的制備與性能研究

張世鋒　張志剛

摘 要：在制備聚氯乙烯（PVC）阻燃材料時，運用鋁鎂系阻燃劑以及硅微粉作為添加劑，并對制備的阻燃材料的性能進(jìn)行研究。分析結(jié)果表明，當(dāng)氫氧化鎂（FM）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，即阻燃劑含量為10%時，與純PVC面料相比，燃燒時間、氧氣指數(shù)和煙密度分別提升了86%、40%與49%。同時，相比于純PVC面料，其熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率分別提高了166%和193%。當(dāng)硅微粉（SF）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，加入SF和FM的PVC的熱擴(kuò)散系數(shù)相較于未加入阻燃劑時提升了166%，加入SF和氫氧化鋁（FA）的PVC的熱擴(kuò)散系數(shù)為0.48，相較于未加入阻燃劑時提升了135%，效果明顯。

關(guān)鍵詞：聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料;阻燃劑;性能研究;效果分析

中圖分類號：TB332 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0108-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.024

Preparation and Properties of Flame Retardant PVC Fabric

ZHANG Shifeng? ? ZHANG Zhigang

（Henan Yilong Industrial Co.， Ltd.， Jiaozuo 454850，China）

Abstract： Aluminum magnesium flame retardant and silicon powder were used as additives in the preparation of PVC flame retardant materials， and properties the prepared flame retardant materials were studied. The results show that when the mass fraction of magnesium hydroxide （FM ） is 10%， that is， the content of flame retardant is 10%， the combustion time， oxygen index and smoke density are increased by 86%， 40% and 49% respectively compared with pure PVC fabric. At the same time， compared with pure PVC fabric， its thermal diffusion coefficient and thermal conductivity increased by 167% and 193% respectively. When the mass fraction of SF is 20%， the thermal diffusion coefficient of PVC with SF and FM is 166% higher than that without flame retardant， and the thermal diffusion coefficient of PVC with SF and FA is 0.48， 135% higher than that without flame retardant.

Keywords：PVC composite flame retardant fabric; flame retardants;performance research; effect analysis

1 聚氯乙烯的研究現(xiàn)狀及性能

聚氯乙烯（PVC）塑料是一種常見的熱塑性塑料，通常具有較好的耐化學(xué)腐蝕性能，由于其擁有較高的性價比被大面積使用，常用于包裝、電纜、皮革等生活與工業(yè)領(lǐng)域。但是在傳熱性能、阻燃性能方面，聚氯乙烯塑料仍具有一定的缺陷，需要對其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)[1-2]。

聚氯乙烯在應(yīng)用過程中會產(chǎn)生熱不穩(wěn)定性的問題，是因為自由基在聚合過程中會產(chǎn)生弱結(jié)構(gòu)和異構(gòu)體[3]。普通聚氯乙烯樹脂的熱降解包括一系列類似于氯化氫氣體的損失和序列的形成，由此引發(fā)了較大的爭議。有一些學(xué)者認(rèn)為，引發(fā)降解的是一些不規(guī)則結(jié)構(gòu)的聚合物，在試驗過程中夾雜在空氣中產(chǎn)生的濕氣等導(dǎo)致了聚氯乙烯在初始階段的不穩(wěn)定性。有些學(xué)者則認(rèn)為，聚氯乙烯本身的立構(gòu)規(guī)整性的變化才是不穩(wěn)定性的起因，特別是異同結(jié)構(gòu)中的三聯(lián)體結(jié)構(gòu)。盡管已經(jīng)有不少關(guān)于聚氯乙烯結(jié)構(gòu)與不穩(wěn)定性之間的研究，但是目前整個化學(xué)界仍然對該問題沒有確切的回答[4-5]。降解過程是一個復(fù)雜的過程，經(jīng)歷了鏈的增長、終止和斷裂，所以需要研究其復(fù)雜性，以及一些過程存在的可逆性。

聚氯乙烯面料具有耐熱性、耐磨性、電絕緣性等優(yōu)異的物理性能，并且能夠長久使用、力學(xué)性能好。同時，還具有多樣性的特點，能夠通過添加增塑劑等制造出硬度不同、色彩不同的制品，用途廣泛。另外，還可以回收再利用，碳排放量較少，生產(chǎn)過程中的能耗是通用樹脂里相對較低的。但是，由于聚氯乙烯分子中存在碳元素、氯元素等，因而燃燒時會釋放氯化氫、一氧化碳和苯等物質(zhì)，具有自熄功能[6]。因此，PVC具有兩個缺點：熱不穩(wěn)定性和脆性，限制了聚氯乙烯的發(fā)展。在光照或者受熱的條件下，聚氯乙烯材料在80 ℃能夠軟化，當(dāng)溫度到達(dá)100 ℃能發(fā)生降解，同時顏色也逐漸由白色變到褐色再變成黑色，影響制品的外觀。而硬質(zhì)PVC材料的脆性也大，溫度降低會導(dǎo)致脆性增大，影響使用[7]。為了改變聚氯乙烯分子的性質(zhì)，可以加入增塑劑、潤滑劑和填充劑等其他聚合物。

增強(qiáng)阻燃性能的有效辦法有多種，其中包括在材料中增加阻燃劑。而常見的阻燃劑有鋁鎂系、氮系、磷系等，其中鋁鎂阻燃劑價格合理，并在試驗過程中具有安全性，能控制生煙的速度，受到研究人員的重視。為了改善聚氯乙烯的阻燃性能，本試驗將選擇硅微粉和鋁鎂阻燃劑作為阻燃劑，分別對改進(jìn)后的聚氯乙烯進(jìn)行阻燃性能、熱力學(xué)性能和力學(xué)性能的表征。

2 試驗

2.1 試驗原料

聚氯乙烯、偏苯三酸三辛酯（TOTM）、硅烷偶聯(lián)劑、無水乙醇、氫氧化鎂、氫氧化鋁、硅微粉。

2.2 試驗儀器

真空干燥箱，濱州博遠(yuǎn)科技有限公司;循環(huán)水式多用真空泵，SEB-II，深圳市恒泰儀器有限公司;雙輥開煉機(jī)、模板硫化機(jī)，東莞煉膠機(jī)廠;導(dǎo)熱系數(shù)儀，DR169A，張家港市錦冠機(jī)械有限公司;差示掃描量熱分析儀、熱失重儀，美國TA公司;電子萬能試驗機(jī)，CTM2050，上海宏德儀器設(shè)備有限公司;邵氏硬度測試儀，HR-150C，東莞市銘濤儀器設(shè)備有限公司;熱機(jī)械分析儀，TMA/SDTA 2，萊州得川實驗儀器有限公司;場發(fā)射掃描電鏡（SEM），美國FEI公司;垂直水平燃燒儀，MT8909，上海梅特勒儀器有限公司;氧指數(shù)儀，MU3081，上海試驗儀器廠;塑料煙密度試驗機(jī)，MD-1，上海牟景實業(yè)有限公司。

2.3 樣品制備

改性阻燃劑制備。放置于100 ℃真空干燥箱中干燥4 h，將阻燃劑和硅烷偶聯(lián)劑以質(zhì)量比95∶5混合均勻，加入一定量的硅微粉，混合均勻后將其放置在恒溫的條件下4 h，完全干燥后用密封袋在干燥箱中備用保存。表1為PVC 阻燃面料的制備配方比。

3 試驗結(jié)果

3.1 聚氯乙烯復(fù)合阻燃劑的阻燃性能

增強(qiáng)試驗是在聚氯乙烯面料中分別加入硅微粉和鋁鎂系阻燃劑，通過熔融狀態(tài)共混可以得到對應(yīng)的PVC阻燃面料，表2體現(xiàn)的是PVC的阻燃性能。

由表2的數(shù)據(jù)分析得到，純聚氯乙烯面料的兩次燃燒時間相加為22 s，阻燃級別、氧指數(shù)、煙密度分別是V-1、22.7%與96 R/min，可以看出面料的阻燃級別較低，煙的密度也比較大，燃燒時間過長。而加入硅微粉后，阻燃級別不變，燃燒時間基本不變，雖然煙密度和氧指數(shù)有下降，但是只能說明只加入硅微粉對聚氯乙烯面料的阻燃性能影響較小。

當(dāng)聚氯乙烯面料加入10%的FM和FA阻燃劑時，從表2中可出燃燒時間分別從22 s降到11 s和9 s，氧指數(shù)分別從22.7%增加到29.1%和29.6%。通過這些數(shù)值變化可以得知加入10%的FM和FA阻燃劑對聚氯乙烯的阻燃性能的提高效果明顯。而當(dāng)鋁鎂阻燃劑的含量調(diào)至20%時，由表2可見，燃燒時間分別為10 s和7 s，阻燃級別已經(jīng)升至V-0，兩次燃燒時間已經(jīng)分別壓縮至3 s與5 s，與未添加任何阻燃劑的聚氯乙烯純材料相比，分別下降了86%與78%，氧指數(shù)較純聚氯乙烯材料分別增加了41%與37%，可見對阻燃材料的性能改善效果非常明顯。

純聚氯乙烯面料在燃燒時產(chǎn)生的黑煙對人體會產(chǎn)生巨大的傷害，因此聚氯乙烯材料不僅要有阻燃功能，也要有相應(yīng)的低煙密度。由表2可以看出，通過加入硅微粉和鋁鎂系阻燃劑，聚氯乙烯的阻燃面料的煙密度大大降低，分別為49 R/min和57 R/min，相比于純聚氯乙烯材料的煙密度分別降低了48%與40%。

由以上分析可知，加入鋁鎂系阻燃劑可以大幅度提高PVC材料的阻燃性、降低其煙密度，同時，當(dāng)共同加入硅微粉與鋁鎂系阻燃劑時，將會對煙密度有較大的改善。

3.2 聚氯乙烯復(fù)合阻燃材料的熱擴(kuò)散系數(shù)

在阻燃面料完全受熱時，若熱擴(kuò)散系數(shù)越大，則表明熱量的傳遞與擴(kuò)散速度越快，從而能改善面料的阻燃性能。本試驗對復(fù)合阻燃材料進(jìn)行了熱擴(kuò)散系數(shù)的測試，圖1是PVC復(fù)合阻燃材料的測試結(jié)果。

由圖1可以看出，若未添加硅微粉SF，聚氯乙烯的熱擴(kuò)散系數(shù)在0.2 mm·s以下，而當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時，聚氯乙烯的熱擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大。當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時，兩種復(fù)合阻燃材料的熱擴(kuò)散系數(shù)相差不大，隨著SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，兩種面料的熱擴(kuò)散系數(shù)差別變大，加入FM阻燃劑的熱擴(kuò)散系數(shù)顯著高于加入FA的阻燃劑的熱擴(kuò)散系數(shù)。

而當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時，聚氯乙烯復(fù)合阻燃材料的熱擴(kuò)散系數(shù)分別達(dá)到了最大值，為0.48 mm2·s和0.40 mm2·s，相比于未添加任何阻燃劑時提升了166%和135%。這是因為當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，分散在聚氯乙烯面料中的SF還沒有形成良好的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，而隨著含量的增加，熱傳導(dǎo)網(wǎng)鏈逐漸形成，加速面料的熱量擴(kuò)散。

3.3 聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料的熱傳導(dǎo)率

圖2為聚氯乙烯熱傳導(dǎo)率隨SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系圖。從圖2可以看出，SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與熱傳導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系。在未添加SF時，PVC/FM與PVC/FA的熱傳導(dǎo)率分別是0.27 W/（m·K）和0.25 W/（m·K），當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加時，聚氯乙烯面料的熱傳導(dǎo)率也逐漸上升。當(dāng)加入10%的SF時，兩者的熱傳導(dǎo)率分別增加至0.48 W/（m·K）與0.4 W/（m·K），與未加入SF時相比提高了74%和70%。對比圖2中兩條曲線可以看出，加入FM的面料熱傳導(dǎo)率比加入FA的更大，原因是FM本身的熱傳導(dǎo)率更強(qiáng)。而從變化趨勢來看，在SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，熱傳導(dǎo)率的上升速度較慢，原因是SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時，還沒有在面料上形成熱導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)，熱導(dǎo)率相對較小，而隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐步增加，導(dǎo)熱鏈就會逐漸完成并形成較小的熱阻。

3.4 聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料力學(xué)測試

由前文可知，添加FM阻燃劑比添加FA在抑煙性能、阻燃性能、熱擴(kuò)散系數(shù)以及導(dǎo)熱性能方面均表現(xiàn)優(yōu)秀，因此，可以推知FM阻燃劑形成的復(fù)合材料在各方面比FA形成的復(fù)合材料表現(xiàn)優(yōu)秀。

對聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料的力學(xué)性能進(jìn)行測試。通過測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SF的含量逐漸增加時，聚氯乙烯阻燃面料的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。這是由于添加劑與聚氯乙烯面料分子之間的纏繞降低了其間的相互作用，另一方面是阻燃劑與聚氯乙烯分子的相容性不好，會產(chǎn)生較多的小洞，當(dāng)受到外力影響時無法有效地傳遞力量。在未添加SF時，聚氯乙烯阻燃面料的拉伸強(qiáng)度和斷裂生長率分別達(dá)到了19 kPa和31.9%;而當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，拉伸強(qiáng)度和斷裂生長率分別降低到18 kPa和257%，相較于未添加SF時分別降低了6%和19%。結(jié)果表明，添加SF有利增強(qiáng)聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料的硬度，雖然聚氯乙烯阻燃面料的拉伸強(qiáng)度和斷裂生長率都降低了，而當(dāng)SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，聚氯乙烯阻燃面料的硬度增加了6%。由此可以看出，聚氯乙烯阻燃面料有最佳性能時，SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

3.5 聚氯乙烯復(fù)合阻燃面料的DMA分析

由圖3得知，試樣3和試樣6分別在55.5 ℃和62 ℃開始玻璃化，加入SF之后，由于分子鏈發(fā)生活動的溫度較高，但是兩者相差不多，僅相差6.9 ℃，足以表明加入SF對于聚氯乙烯分子鏈的柔性改動較小。

4 結(jié)語

從上文可以得出以下幾個結(jié)論。

①在純凈的聚氯乙烯面料中只加入阻燃劑，且級別為V-1時，對于面料的燃燒時間、氧指數(shù)、煙密度影響不大，僅僅下降了一點，對于面料的阻燃性能效果也一般。當(dāng)同時加入SF和鋁鎂系阻燃劑時，PVC的燃燒時間縮短、氧指數(shù)變高、阻燃級別也變高，對于PVC復(fù)合阻燃面料的改善效果是較好的。

②在熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率方面，兩種改性劑都對PVC阻燃面料的改善很明顯。

③在熱穩(wěn)定性方面，添加SF有利于聚氯乙烯阻燃面料的碳化，形成的東西也更加緊密，孔洞率小，這對阻燃性能和阻燃效果有利。

④DMA的測試結(jié)果表明，當(dāng)加入SF之后，聚氯乙烯面料的分子鏈運動速率的溫度與單加入FM的聚氯乙烯阻燃面料的差別不大，結(jié)果表明兩種改性劑其實對聚氯乙烯阻燃面料的分子鏈柔性處于影響力較小的狀態(tài)。

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