陶瓷化組合物對WF/PP復合材料阻燃性能影響的研究

吳瓊，鄭健強，李斌，王玉峰

（東北林業大學黑龍江省阻燃材料分子設計與制備重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

陶瓷化組合物對WF/PP復合材料阻燃性能影響的研究

吳瓊，鄭健強，李斌，王玉峰*

（東北林業大學黑龍江省阻燃材料分子設計與制備重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

探索了一種聚丙烯木塑復合材料高效無毒、環境友好、價格便宜的阻燃方法。通過向其中添加無機硅酸鹽與有機硅橡膠組合物加工成復合材料，使其在燃燒時表面形成陶瓷結構起到防火隔熱的作用，從而提高材料的阻燃性能。采用垂直燃燒測試、氧指數測試、錐形量熱測試、掃描電鏡和熱重分析等一系列研究手段，對復合材料燃燒前后的性能與結構進行比較分析。結果表明，陶瓷化組合物的添加可以提高聚丙烯木塑復合材料的阻燃效率，延緩熱降解過程，有效地抑制熱釋放速率和煙釋放量以及可燃氣體的逸出。

陶瓷化組合物；阻燃WF/PP復合材料；陶瓷化結構

前言

木塑復合材料（Wood-Plastic Composites，簡稱WPC）作為一種新型理想環保材料[1～2]，兼有木材和塑料的雙重性質，并且相互彌補二者在應用上的缺點，具有熱伸縮性和吸水性小、尺寸穩定性好、機械性能高、耐酸堿、耐紫外線、耐腐蝕、使用維修簡便等優點，而且因其產品種類多、價格低廉、易加工成型、能重復使用和回收利用等特點[3～4]，被廣泛用于建筑內部裝飾、包裝箱、汽車內飾基材、鋪板、景觀園林以及可降解一次性餐具等行業[5～6]，但其易燃性是木塑復合材料不可忽視的致命缺點[7]。

目前，對于WPC的阻燃大多是將不同種類阻燃劑與WPC共混，使其具有一定的阻燃效果，然而含鹵阻燃劑的使用會對環境造成極大的破壞[8～9]，無機阻燃劑的添加會嚴重影響復合材料的力學性能[10]，而膨脹型阻燃劑的使用，則會使材料本身的成本大大提高[11]，所以環境友好、性能穩定、價格低廉成為阻燃WPC研究的新熱點。

陶瓷化阻燃機理是將有機硅聚合物與其他無機填料組合物加入到易燃的材料中，燃著的材料表面能夠形成完整并自撐的結構，從而達到隔熱、隔火的目的，這一理論已經被廣泛用于電纜絕緣層的制造[12～13]，但是有關陶瓷化阻燃木塑復合材料的研究還鮮有報道。本文主要的研究工作是將聚丙稀木塑復合材料與陶瓷化組合物混合，使其在燃燒時能夠形成完整、自撐、密實的陶瓷結構，從而達到阻礙燃燒的目的，并且對該復合材料的阻燃性能，熱降解行為和燃燒后的形貌進行表征。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與主要儀器

主要實驗材料：木粉，選取60～80目的楊木粉，105℃下干燥8h；PP，T30S，大慶華科股份有限公司；馬來酸酐接枝聚丙烯，HD900P，南京華都科技實業有限公司；聚磷酸銨（APP），山東泰星阻燃有限公司；氫氧化鋁（ATH），天津市致遠化學試劑有限公司；滑石粉（Talc），遼寧海城市金恒菱鎂有限公司；硅橡膠（Silicone Rubber,SR），東莞市臺鑫有限公司；1010抗氧劑，市售。

主要儀器：Rm-200A扭矩流變儀,哈爾濱哈博電氣制造公司；SL-3平板硫化機，哈爾濱塑料機械廠；JF-3氧指數測定儀，江寧縣分析儀器廠；Pyris 1熱重分析儀,美國Perkin-Elmer公司；錐形量熱儀，英國FTT公司；Quanta 200掃描電鏡儀，美國FET公司。

1.2 阻燃聚丙烯-木粉復合材料的加工

將PP加入到預熱好的扭矩流變儀中，待其熔融后，將混合好的木粉與陶瓷化組合物加入，使其充分混煉，混煉溫度180℃，時間8～9min；將混煉均勻的樣品置于平板硫化機熱壓、冷卻，制得所需樣片，按不同測試標準將樣片加工成相應的尺寸，平板硫化機溫度為180℃，壓力為8MPa，保溫時間5min。

1.3 測試方法

3.1 氧指數(LOI)的測定

參照GB/T2406—93進行測定,氧指數高說明阻燃效果好。

3.2 垂直燃燒（UL-94）的測定

參照GB/T2408-1996進行測定，并劃分為VO級、V1級和V2級。

3.3 熱重（TG）的測定

TGA實驗是在高純氮環境中進行，溫度從25℃升到800℃,升溫速率為10℃/min,氣體流速為20mL/min。樣品質量為4～6mg,實驗數據由TGA計算機軟件記錄。

3.4 錐形量熱測試

參照ISO-5660-1標準進行測試，加熱功率為35 kW/m2，樣片尺寸為100mm×100mm×3mm。

3.5 SEM測試

將進行氧指數燃燒前后的試樣進行處理，在掃描電鏡下觀察并拍照。

2 結果與討論

2.1 APP與SR對體系阻燃性能的影響

2.1.1 氧指數（LOI）與垂直燃燒（UL-94）測試

為了探究聚磷酸銨(APP)與有機硅橡膠(SR)在聚丙烯木塑復合材料中的協同作用，按表1體系進行復配，并測試其氧指數與垂直燃燒性能。圖1為A1-B3的氧指數變化曲線，可以看出：隨著APP含量的增加，其氧指數有明顯升高，當含量高于15份后，氧指數變化不大，其UL-94也能達到V1級。圖2為添加不同比例的有機硅橡膠（SR），可以觀察到，LOI隨SR含量的升高而降低，當SR添加5份時，氧指數可達27.6，并且通過V0級，可以得出，加入一定量的SR，對該體系有協同阻燃的作用。

表1 不同APP、SR添加量的阻燃聚合物材料垂直燃燒測試結果Table 1The results of vertical combustion test for flame retardant polymer materials with different amount of APP and SR

圖1 不同份數APP對LOI的影響Fig.1The effects of APP proportion on LOI

其原因可能是燃燒時APP與SR高溫融化，將體系中的聚合物與無機填料有效地粘連在一起，材料表面形成一層致密的陶瓷結構，起到了隔熱隔火的作用，從而使體系的阻燃效果明顯提高，但是當APP的添加量過高時，阻燃性能無明顯變化，力學性能會大幅度降低，并且增加材料成本；由于SR本身具有燃燒性質，當添加量超過一定值后，反而不利于材料阻燃性能的提高。因此，合適阻燃劑的添加量，對于體系綜合性能的提升有很大的作用。

圖2 不同份數SR對LOI的影響Fig.2The effects of SR proportion on LOI

2.1.2 熱重（TGA）分析

為了觀察復合材料燃燒時的熱穩定性和殘余量，繪制了熱重曲線。圖3為純PP、WF/PP/APP(A7)、WF/PP/APP/無機鹽(A4)、WF/PP/APP/無機鹽/SR (B1)復合材料的TGA曲線，表2給出TGA樣品失重溫度和殘余量?？梢钥闯黾働P在270～350℃出現一步失重，失重率達95%以上，800℃之后，PP的殘余量為0；A7為填加30份木粉與15份APP的PP木塑復合材料，可以明顯看出PP的熱穩定性大大提高，熱失重行為表現為：50～300℃出現第一步失重，失重率為3%左右，主要由原料易揮發組份引起，之后300～380℃出現失重率為55%的第二次失重，主要是由于PP分解引起的；第三步分解發生在400℃以后，失重率為15%左右，可能是由于殘余炭層在高溫下進一步分解造成的，800℃以后，殘余量為25%，這說明APP的添加對木塑復合材料阻燃性能的提升有一定貢獻；A4與B1為添加無機鹽與SR后，材料的TGA曲線，其穩定性大大提高，與A7分解形式相似，但最大分解速度有所降低，殘余量也有10%的提高，主要是由于材料中無機鹽與有機硅作用，在表面形成陶瓷結構，從而將火焰阻隔，達到阻燃的目的。

圖3 不同復合材料的TGA曲線對比Fig.3Comparison of the TGA curves of different composites

表2 TGA失重溫度與殘余量Table 2The Weight loss temperature and the carbon residue of TGA

2.1.3 錐形量熱（CONE）分析

將加入陶瓷化組合物的復合材料（A4）與未加入陶瓷化組合物的復合材料(A7)進行CONE測試，觀察其延遲時間tin、最大熱釋放速率峰值（Pk-HRR）、比消光面積(SEA)、有效燃燒熱(EHC)和質量損失速率(MLR)。

圖4與圖5為HRR與SPR隨時間的變化曲線，可以看出無機鹽的添加能有效降低HRR與SPR，同時最大熱釋放速率峰值出現時間明顯右移，比消光面積與質量損失速率均有很大降低，但有效燃燒熱無明顯變化，說明在聚合物燃燒時，APP熔融為液態，將原料與無機鹽粘結在一起，上升到一定的溫度后，有機聚合物分散成氣相，在聚合物表面形成了一種堅硬的、多孔的的固體結構，并且自身具有一定的自撐能力。這種結構罩在聚合物的表面，阻斷火焰傳入聚合物內，也防止產生的可燃性氣體外逸，保持了聚合物材料的完整性，起到了防火阻擋層的作用。

圖4 A7與A4的熱釋放速率曲線Fig.4HRR curves of A7 and A4

圖5 A7與A4的生煙速率曲線Fig.5SPR curves of A7 and A4

以上阻燃數據可以說明，無機鹽的添加對該聚合物阻燃性能的提升有很大意義。它表明聚合物材料在實際災情中不僅熱釋放量與煙釋放量的強度得到了有效抑制，有利于阻燃，而且這一過程也得到一定延緩，為滅火和現場疏散贏得了寶貴時間。

2.2 不同阻燃體系的形貌分析

為了觀察燃燒后各阻燃體系表面形成結構的致密程度拍攝了SEM圖像。圖6為A7、A1、A4和B1的圖片?？梢钥闯鯝4為添加無機填料后表面形成的片層，相對于只添加了APP的A7多孔狀表面結構，更加密實；A1為未添加APP復合材料的表面結構，和添加了APP的A4比較，可以觀察到添加了APP的體系可以更好地將無機填料、PP與木粉連接起來形成反復疊加的片層結構；而沒有添加APP的體系，只是形成了獨立分散的片狀結構；B1為添加了5份SR的SEM圖像，可以看出該體系燃燒后形成的結構比A4更加的密實，說明SR可以更好地將體系粘結，對提高陶瓷結構的致密程度有很大幫助，這同時也驗證了阻燃性能良好的實驗結果。

圖6 A7,A1,A4，B1燃燒后表面結構的掃描電鏡圖片Fig.6The SEM images of surfaces of A7,A1,A4 and B1 material after combusion

3 結論

本文通過垂直燃燒測試，極限氧指數測試，熱重測試，掃描電鏡，錐形量熱儀等手段研究了聚丙烯木塑復合材料在添加陶瓷化組合物后的燃燒性能，表面形貌和燃燒行為，可以得出結論：

（1）通過氧指數儀與UL-94測定儀對體系的燃燒性能測試表明，隨著APP份數的增加，其體系的燃燒性能增加，但填加到15份之后，氧指數增加緩慢，而15份之后，UL-94測定均能達到V1級；添加一定量的SR后發現氧指數有明顯升高，可達到27.6，并且通過了UL-94V0級的測定，表明添加一定量的APP/SR對該體系的阻燃性有協同作用，但當SR的添加量超過5份時，氧指數緩慢降低，當SR超過一定量后，對體系的阻燃性能反而不利。

（2）TGA與CONE分析顯示，添加無機鹽與有機硅的木塑復合材料能有效的降低最大熱分解速度，同時提高燃燒后殘余量，延緩點火時間，大大降低熱釋放速率與煙釋放速率，對材料的阻燃有積極意義。

（3）加入一定量的硅酸鹽、無機鹽，APP與SR，可以使該聚合物燃燒后，表面形成一層較致密的陶瓷結構，從而起到較好的防火隔熱效果。

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Study on the Effect of Ceramic Composites on the Flame Retardant Properties of WF/PP Materials

WU Qiong，ZHENG Jian-qiang，LI Bin and WANG Yu-feng

(Key Lab of Molecular Design and Preparation of Flame Retarded Materials,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

To explore a novel method which could make the polypropylene wood plastic composite much more effective,nontoxic,environmentally friendly and low cost,a new method was investigated in this research.By adding inorganic silicates and organic silicone rubber composite,a new composite was processed which could form ceramic structure on the surface in the combustion,which had the effect of fire insulation so as to improve the flame retardant properties.The vertical combustion test,LOI test,TG test,SEM and CONE Calorimeter test etc.were used to compare and analyze the properties of the composite materials before and after the combustion.The results showed that the addition of ceramic composite could improve the flame retardant significantly,and it could defer the process of thermal degradation,restrain the heat release rate,smoke production and the escapement of flammable gas effectively.

Ceramic composite;flame retardant PP/WF materials;ceramic structure

TQ314.248

A

1001-0017（2013）04-0051-04

2013-03-13

吳瓊（1987-），女，黑龍江牡丹江人，碩士，主要從事材料表界面研究。

*通訊聯系人：王玉峰，男，副教授，碩士生導師。