PE-RT/PP/氢氧化镁微粉复合材料的研究

刘启明,刘勇旭,李良波,孟平蕊

(1.济南大学化学化工学院,山东济南250022;2.山东省建设科技中心,山东济南250001)

0 前言

近年来耐热聚乙烯(PE-RT)因其耐热和韧性,以及可以焊接、热熔等特点,已广泛应用于建筑采暖和热水供应的工程中[1]。PE-RT是乙烯和辛烯共聚物,属于中密度聚乙烯。材料在保留PE良好的柔韧性的条件下,提高了耐热性能,且属于非交联制品。与交联材料比较,除了热熔焊接,材料还具有可以回收利用等优势。但是与聚丙烯材料相比,在一定温度条件下的拉伸强度不足,一般只在低温、低压的热水体系中使用,如低温地板辐射采暖等。对于承受较高内压的暖气片散热采暖体系,则PE-RT材料的管道不宜选用。另外,用于暖气片散热的塑料输送管道,有很大部分需要明敷安装,存在燃烧风险。由于普通塑料管道的易燃性,明敷管道需要进行材料的阻燃改性,提高耐燃级别,降低燃烧风险。

氢氧化镁微细粉具有良好的阻燃性能。由于分解温度较高,适合于加工温度较高的聚丙烯和耐热型的共聚乙烯材料的阻燃改性[2]。

本研究在材料内共混了超细微粉的氢氧化镁阻燃剂,提高了材料的阻燃性能,可以达到建筑内部装饰装修阻燃塑料材料的要求[3]。氢氧化镁属于无卤阻燃剂。其阻燃机理是放出水蒸气,驱散助燃气体和有毒烟雾,降低温度,燃烧本身不会释放有毒成分。与其他阻燃剂比较,更有利于人身安全。虽然氢氧化镁粉体能够提高材料的阻燃性能,但是会影响材料强度。研究中使用了经过一定含量的硅烷处理的纳米氢氧化镁微粉,能够达到与聚合物更好地分散和互容,能够抑制团聚的发生,有利于该共混材料的机械性能。

1 实验部分

1.1 实验用原料

耐热聚乙烯PE-RT粒料,韩国生产;聚丙烯粉料PP,燕化4220;抗氧剂168,1010,德国产;微粉Mg(OH)2,平均粒径小于3μm,实验室采用卤水-氨沉淀法制备工艺;硅烷偶联剂A-172,美国产。

1.2 实验流程

(1)改性粒料的制备

(2)复合材料的制备

(3)管材制造

1.3 性能测试

拉伸强度按照 GB 1040-92,在万能材料试验机上进行,拉伸速率为25 mm/min;

氧指数按照 GB/T 2406-93,在 HC-2氧指数测定仪上测定;

使用本生灯燃烧材料试样,观察发烟状况。

管材的液压试验按照 GB 6111-2003,在塑料管道液压试验仪上进行。

2 结果与讨论

2.1 PP与材料体系力学性能的关系

在PE-RT与Mg(OH)2微粉及PP共混体系,在一定质量分数的Mg(OH)2条件下,改变体系中PP的质量分数,得到共混体系的机械性能,如表1所示。

表1 PP与材料机械性能的关系Tab.1 Effect of PP on material’s mechanical properties

由表1可见:材料的拉伸强度随着PP的质量分数提高而上升。当达到20%时,材料的拉伸强度达到36 MPa,比不含PP的提高了25%以上。但随着PP的加入,断裂伸长率呈明显的下降,材料的柔韧性降低。

2.2 Mg(OH)2微粉与材料体系机械性能的关系

在一定质量分数的聚丙烯的共混体系,使用不同质量分数的氢氧化镁微粉,测试材料的机械性能,结果如图1,2所示。结果表明:材料的拉伸强度和断裂伸长率随着氢氧化镁的质量分数升高,都呈明显下降的趋势。氢氧化镁微粉会导致材料的机械性能降低。

按照一定的份数,使用少量的硅烷偶联剂对氢氧化镁的表面进行改性,仍旧按原来的质量分数加入到共混复合材料体系中,检测其不同氢氧化镁的质量分数的材料机械性能,即:材料的拉伸强度和断裂伸长率,其结果如图1,2所示。

图1 拉伸强度与氢氧化镁的关系Fig.1 The relationship between Mg(OH)2and tensile strength

图2 断裂伸长率与氢氧化镁的关系Fig.2 The relationship between Mg(OH)2and elongation at break

图1、2可知:材料的机械性能仍旧随着氢氧化镁的质量分数增加呈下降趋势,但是下降的幅度与没有表面改性的氢氧化镁微粉的明显降低。硅烷表面改性的氢氧化镁,对于改善该复合体系的机械性能是有效的。

2.3 Mg(OH)2微粉与材料阻燃性能的关系

在一定质量分数的聚丙烯的PE-RT与氢氧化镁微粉及PP共混复合体系中,使用不同质量分数的氢氧化镁微粉,测试其复合体系的氧指数和烟雾产生量,结果见表2。超微细氢氧化镁的质量分数增加可以有效提高材料的氧指数,也有效地减少了烟雾的量。微细氢氧化镁粉体有效提高了材料的阻燃性能。当其质量分数达到32%时,其氧指数可以达到28,满足GB 50222-95建筑内部装修设计防火规范关于B2级的氧指数大于等于27的要求。

表2 氢氧化镁与材料阻燃性的关系Tab.2 Effect of Mg(OH)2on burn-resisiance

2.4 管材的内压试验

使用该复合材料在挤出机中挤出成型管材。所制管材壁厚度2 mm,外部直径25 mm。在塑料管道水压试验仪中,对其进行了水压试验:管道内外水温度为25°C,连续稳定水压3.0 MPa承载6 h,结果管材无破裂和明显变形,符合液压试验标准要求。

按照标准 GB 6111-2003计算环应力:δ= P(D-e)/2e。其中:δ表示环应力,P表示试验压力,D表示外部直径,e表示管材最小壁厚。计算结果为环应力18 MPa,其常温条件下的耐压性能优异。

3 结论

使用耐热聚乙烯、聚丙烯、氢氧化镁微粉三元复合可以制得具有一定阻燃性能、拉伸性能、断裂伸长率的复合共混材料。材料的拉伸性能随着PP的质量分数增加而上升,断裂伸长率则有所下降;氢氧化镁微粉对于阻燃性能的改善显著,在氢氧化镁的质量分数为32%时,氧指数达到了28。该共混复合材料可以挤出成型,所制管材承受液压载荷的环应力达到18 MPa。

[1] 张成武.耐热聚乙烯(PE-RT)管材[J],塑料,2003,32(3): 78-83.

[2] 李良波,孟平蕊,解竹柏,等,超微细Mg(OH)2复合阻燃改性PP2R的研究[J],工程塑料应用,2004,32(7):12-14.

[3] GB 50222-95.《建筑内部装修设计防火规范》[S].