堿式硫酸鎂晶須阻燃PVC/ABS合金的研究

唐開菊　王渴　翟松濤　唐龍祥　 胡國華

堿式硫酸鎂晶須阻燃PVC/ABS合金的研究

唐開菊王渴翟松濤唐龍祥 胡國華

(合肥工業大學化學與化工學院, 安徽 合肥, 230009)

摘要：用堿式硫酸鎂晶須(MOS)與不同的抑煙劑復合阻燃聚氧乙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PVC/ABS)合金，利用垂直燃燒、極限氧指數、熱重分析、拉伸試驗等手段研究了PVC/ABS合金的阻燃性能及力學性能。結果表明：質量分數20%MOS填充的PVC/ABS合金具有優異的阻燃性能和力學性能，且MOS和三氧化鉬復合具有較好的抑煙作用。

關鍵詞：堿式硫酸鎂晶須聚氯乙烯丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物合金無鹵阻燃抑煙

聚氯乙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PVC/ABS)合金具有優異的力學性能，廣泛應用于汽車、電器、建筑等領域。然而，PVC，ABS在燃燒測試時生煙量頗高，影響其在低煙環保材料中的應用。關于PVC，ABS阻燃抑煙方面的研究已有大量的文獻報道[1-2]。MOS[MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O]作為一種無鹵阻燃劑，其高溫受熱分解產生大量的水蒸氣，具有良好的阻燃效果。但是，MOS阻燃聚合物的文獻報道很少[3]。本研究以MOS分別與蒙脫土(MMT)、硼酸鋅(ZB)、三氧化鉬(MoO3)及氧化鐵(Fe2O3)4種抑煙劑復合阻燃PVC/ABS合金，以期制備出環保高阻燃、低煙的PVC/ABS合金。

1試驗部分

1.1原料

PVC，SG7，浙江巨化股份有限公司；ABS ，GP-22，德國巴斯夫有限公司；MOS，153，長徑比大于80，遼寧營口威斯特化學有限公司；稀土復合穩定劑，淄博天信化工有限公司；三氧化鉬、氧化鐵，國藥集團化學試劑；硼酸鋅，合肥烷燃新材料科技有限公司；有機蒙脫土，上海梁典化學品有限公司。

1.2樣品制備

PVC，ABS和阻燃劑及穩定劑在XSS-300型轉矩流變儀(上?？苿撚邢薰井a)密煉室內進行密煉，密煉溫度180～190 ℃，密煉時間8 min。密煉所得的混合物經過平板硫化機在190 ℃下熱壓，制成厚分別為3 mm和1 mm的阻燃性能及力學性能測試樣條。

1.3性能測試

垂直燃燒測試：按照GB/T 2048—1996標準在CZF-3型水平垂直燃燒儀(南京江寧分析儀器廠產)上進行，試樣的尺寸為100.0 mm×13.0 mm×3.0 mm。

極限氧指數(LOI)測試：按照ASTM D2863標準在HC-2A型氧指數測定儀(南京江寧分析儀器廠產)上進行，試樣的尺寸為100.0 mm×6.5 mm×3.0 mm。

煙密度測試：按照ASTM D2843 標準在JSC-2型塑料煙密度試驗裝置(南京江寧分析儀器廠產)上進行，試樣的尺寸為25.0 mm×25.0 mm×3.0 mm。

熱重分析試驗：在TG-STA449F3熱重分析儀(德國耐馳公司產)上進行，試驗的氣氛為空氣，升溫速率為10 ℃/min，溫度為25～800 ℃。

力學性能測試：拉伸性能測試按照GB/T 528—2009在CMT-4000型電子萬能試驗機(深圳新三思材料檢測公司產)上進行，樣條在萬能制樣機上裁成寬為10 mm的長條狀，拉伸速率為50 mm/min；沖擊強度測試按照GB/T 3808—2002標準，懸臂梁，V型缺口，缺口深度為2 mm，試樣的尺寸為60.0 mm×10.0 mm×3.0 mm，測試在室溫下進行。

掃描電子顯微鏡(SEM)：用JSM-6490LV 鎢燈絲SEM(日本制造有限公司產)觀察燃燒后的炭層形貌。

2 結果與討論

2.1 MOS的填充量對合金性能的影響

MOS填充量對PVC/ABS合金的阻燃與力學性能的影響見表1。從表1可以看出，質量分數20%MOS填充PVC/ABS合金達到V-0級別，LOI達到32%，阻燃性能遠遠優異于純PVC/ABS合金的。一方面由于MOS填充所引起的應力集中所導致的材料拉伸強度降低，另一方面由于MOS是一種針狀短纖維結構，具有力學補強作用[4]，能部分彌補MOS與PVC/ABS相容性差所造成的力學性能降低，所以綜合兩方面因素，拉伸強度僅小幅度降低。

表1　MOS的填充量對PVC/ABS合金性能影響

注:配方中PVC與ABS質量比為1∶1，稀土復合穩定劑質量分數5%，下同。

2.2 MOS與抑煙劑復合阻燃PVC/ABS合金

綜合考慮PVC/ABS合金的阻燃性能和力學性能，取質量分數20%的MOS與質量分數5%的抑煙劑復合阻燃PVC/ABS合金，具體性能見表2。由表2可看出，相比較而言，質量分數20%MOS和質量分數5%MoO3復合阻燃PVC/ABS合金，不僅使材料具有優異的阻燃性能，而且可以起到抑煙的作用。與僅填充質量分數20%MOS的PVC/ABS合金相比，燃燒釋放的煙量變小且煙霧氣成白色，但目前鉬類化合物抑煙的機理尚未完全確定[5]。另外，從表2亦可看出，加入抑煙劑后，MOS阻燃的PVC/ABS合金的拉伸強度和沖擊強度均有小幅度降低。

表2　MOS與抑煙劑復合阻燃對PVC/ABS合金性能的影響

2.3阻燃機理

圖1給出了純MOS，PVC/ABS，PVC/ABS/MOS(MOS質量分數20%)及PVC/ABS/MOS/MoO3(MOS質量分數20%，MoO3質量分數5%)的熱失重(TG)和熱失重微分(DTG)曲線。

從圖1(b)可看出，純MOS及其填充阻燃的PVC/ABS合金的DTG曲線都有2個熱失重峰。對于純MOS而言，第1個熱失重峰的起始溫度為268.3 ℃，其峰值溫度為301.2 ℃。對照圖1(a)可知，MOS的第1個熱失重峰主要是因為MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O分子脫去結晶水所造成的，MOS的DTG曲線的第2個熱失重峰起始溫度為352.0 ℃，峰值溫度為408.7 ℃，MOS的第2個熱失重峰主要是因為MgSO4·5Mg(OH)2分子內脫水而引起的。對比PVC/ABS，PVC/ABS/MOS及PVC/ABS/MOS/MoO3的TG曲線看出，MOS的加入使得PVC/ABS合金的起始分解溫度提高，最終分解溫度延后，這主要是由于MOS高溫分解釋放大量水蒸氣的緣故。MOS阻燃PVC/ABS合金的機理：1)MOS高溫分解釋放大量水蒸氣的過程中會吸收部分的燃燒熱且釋放的大量水蒸氣可起到稀釋可燃氣體濃度的作用；2)高溫分解殘余的金屬化合物會殘留在炭層中，該炭層覆蓋在PVC/ABS合金表面，可隔絕或延緩部分的熱及空氣進入基體材料的內部。

2.4 炭層形貌

圖2給出了PVC/ABS，PVA/ABS/MOS(MCS質量分數20%)及PVC/ABS/MOS/MoO3(MOS質量分數20%，MoO3質量分數5%)合金LOI測試后的炭層SEM照片。

圖1 熱分析

圖2　SEM分析

從圖2(a)中可看出，PVC/ABS合金燃燒殘余的炭層松散破碎，不連續且有很多大的孔洞，這種炭層結構起不到很好的隔絕作用，外界的熱和空氣很容易進入基體材料的內部，所以阻燃性能不好。而圖2(b)和圖2(c)中的炭層相對連續致密，沒有明顯大的孔洞，這種炭層能起到很好的隔絕外界熱和空氣的作用，賦予材料優異的阻燃性能。圖2(c)由于PVC抑煙劑及成炭劑MoO3的加入，使得炭層更致密平滑連續。

3結論

a)質量分數20%MOS填充的PVC/ABS合金材料具有優異的阻燃性能。

b)MOS/MoO3復合阻燃PVC/ABS合金，不僅賦予合金較高的LOI和UL-94 V-0級別，而且有效地抑制了PVC/ABS合金燃燒時產生的黑色漂浮物，黑煙變稀變淡。

參考文獻

[1]胡婧, 李錦春. 磷酸酯與無機阻燃劑協同阻燃PC/ABS合金研究[J]. 現代塑料加工應用, 2011,23(1):53-56.

[2]SERGEL V, LEVCHIK, Edward DWell. Overview of the recent literature on flame retardant and smoke suppression in PVC [J]. Polymers for Advanced Technologies, 2005, 16(10):707-716.

[3]吳強華, 唐龍祥, 瞿保鈞. 堿式硫酸鎂晶須阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的研究[J]. 功能高分子學報, 2005, 18(6):255-259.

[4]陳爾凡, 田雅鵑, 周本廉. 晶須增強體及其復合材料研究進展[J]. 高分子材料科學與工程, 2002, 18 (4):1-5.

[5]朱新生, 石曉麗, 蔣雪璋, 等. 添加劑對 PVC 熱穩定性和阻燃抑煙性能影響的機理分析[J]. 聚氯乙烯, 2006,34(4):19-24.

Studies on Flame Retarded PVC/ABS Alloys by Magnesium Sulfate Whisker

Tang Kaiju Wang Ke Zhai Songtao Tang Longxiang Hu Guohua

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hefei University of Technology, Hefei,Anhui, 230009)

Abstract：PVC/ABS alloys were flame retarded by magnesium sulfate whisker (MOS) compound with different smoke suppression agents. The flame retardancy and mechanical properties of flame-retardant PVC/ABS alloys were studied by means of vertical burning, limiting oxygen index (LOI), thermogravimetry analysis (TGA) and tensile test ect. The results show that PVC/ABS alloys with 20% MOS owns excellent flame retardancy and mechanical properties. Moreover, MOS compound with molybdenum oxide has a good smoke suppression effect.

Key words：magnesium sulfate whisker; poly(vinyl chloride); acrylonitrile-butadiene-styrene compolymer; alloys； halogen-free flame-retardant；smoke suppression

收稿日期：2015-07-06;修改稿收到日期:2015-10-15。

作者簡介：唐開菊，1989年生，合肥工業大學化工學院在讀研究生，主要從事高分子材料功能化改性研究。E-mail：18255154143@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1034-3065.2016.01.014