PVC/阻燃芦苇纤维复合材料的性能

关键词:芦苇纤维；聚氯乙烯；复合材料；阻燃

0引言

目前，对植物纤维的研究主要集中在植物纤维复合材料界面相容性，或是功能化植物纤维复合材料的制备[1-3]，而对芦苇纤维深加工制备复合材料研究较少，特别是阻燃改性芦苇纤维的研究还未见报道[4-6]。芦苇在我国广泛种植，但对其资源的利用却不是很充分，少数芦苇的应用集中于纺织业和造纸业，或是制备芦苇密度板、刨花板，大多数都作为废弃物进行燃烧或自然降解。这不仅会对环境带来伤害，也会大大降低农民生产芦苇的积极性。将芦苇引入热塑性树脂中，制备复合材料，可应用于家电、建筑、装饰等领域，既可降低复合材料生产成本，并且阻燃芦苇的添加还可改善复合材料的阻燃性能，防止火灾发生[7-9]。同时，由于天然纤维生产方法大多还是采用传统的黏胶法，不但生产流程长，能源消耗大，生产成本高，而且在生产中会释放出大量有毒气体[10-12]。以芦苇纤维(PF)作为填料制备复合材料，在加工过程中可以减少对机器的磨损，降低生产能耗，节约成本，对人体无害，并且回收简单，可生物降解，是十分绿色化的研究方向[13-15]。将芦苇纤维填充塑料制得复合材料也是重新利用芦苇资源的有效途径之一[16-18]。本研究以阻燃改性芦苇纤维为填料，与聚氯乙烯(PVC)共混，制备了PVC/阻燃芦苇复合材料，探讨了阻燃改性对复合材料力学性能、阻燃性能和吸水性能的影响，并对其微观结构进行了观察。

1试验

1.1材料与仪器

材料：芦苇纤维，产自新疆；PVC(SG-3)，新疆天业股份有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，天津市光复精细化工研究所；聚磷酸铵(APP)，济南泰星精细化工有限公司；季戊四醇(PER)，天津市科密欧化学试剂有限公司；三聚氰胺(MEL)，吴江市东昇精细化工有限公司。

仪器：QLB-50D/Q平板硫化机，江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司；XRZ-400熔融指数仪，吉林大学仪器厂；SK160双辊塑炼机，上海橡塑机厂；RGT-5微机控制电子万能机，深圳市瑞格尔仪器有限公司。

1.2试验方法

1.2.1阻燃纤维的制备

配置APP、APP/PER、APP/PER/MEL水溶液，APP，PER、MEL质量比为10∶1∶8，保持APP质量分数为10%，水浴加热至75 ℃并充分搅拌。待溶剂全部溶解后，室温下静置4 h。按浴比1∶20 将芦苇纤维分别置入配制好的APP、APP/PER、APP/PER/MEL水溶液中浸渍10 min，取出后水洗抽滤，80 ℃烘干。

1.2.2复合材料的制备

按照基础配方(表1)配料，将高混后的PVC混料在双辊开炼机上进行熔融混炼，待完全熔融后，加入烘干的芦苇，混炼均匀后下片，放入平板硫化机内模压，将压制好的样板在一定压力下冷却，得到PVC/芦苇复合材料。

表1　基础配方

加工工艺参数：双辊温度，前辊(165±5) ℃，后辊(160±5) ℃；混炼时间6 min；平板硫化机热压，上模板温度175 ℃，下模板温度175 ℃，模压时间5 min，模压压力15 MPa；冷压时间20 min。

1.3测试与表征

材料拉伸性能测试根据GB/T 1040—2006进行，拉伸速度50 mm/min；弯曲性能测试根据GB/T 9341—2008进行，弯曲速度2 mm/min；悬臂梁缺口冲击强度的测试依据GB/T 1843—2008标准进行；吸水率根据GB/T 1462—2005标准进行测试；氧指数测定依据GB/T 2406.2—2009进行；垂直燃烧测试依据GB/T 2408—1996进行。

2结果与讨论

2.1纤维用量对复合材料力学性能的影响

填料用量对复合材料的性能影响较大。为得到最佳的芦苇纤维用量，研究了PVC和芦苇纤维质量比分别为100∶0，100∶10，100∶20，100∶30和100∶40时PVC/PF复合材料的力学性能。

PVC/PF复合材料的拉伸强度随纤维用量的增加呈先下降后上升的趋势，见图1。在PVC/PF复合体系中，未经任何处理的芦苇纤维属于惰性填料，纤维体积增大，PVC树脂分子间的相互作用被削弱；并且随着纤维用量的增加，复合材料内部的应力集中点也相应增加，它不会受力变形，也不能终止裂纹或产生银纹，吸收冲击能，因此当纤维用量小于30份时，复合材料的拉伸强度随芦苇填充量的增加而减小，且填充量越大，下降的幅度越大。当纤维用量为40份时，复合材料的拉伸强度有所提高，可达60.70 MPa，但与纯PVC板材相比略有下降。与纯PVC板材相比，复合材料的断裂伸长率下降明显，未发生明显的推迟形变，断裂面光滑。据此推断添加芦苇纤维后，材料发生了从韧性到脆性的转变。

图1　PF用量对PVC/PF复合材料拉伸性能的

与拉伸性能不同的是，随纤维填充量的增加，PVC/PF复合材料的弯曲强度和弯曲模量均先增加后减少。当纤维的填充量为20份和30份时，复合材料的弯曲强度可与纯PVC板材媲美，这说明芦苇纤维的适量添加可起到增强作用；当纤维用量大于30份时，弯曲强度下降，见图2。其原因是：PVC树脂为连续相，芦苇纤维为分散相，少量的纤维在基体树脂中分散较均匀，由于纤维自身增强的特性，所以弯曲强度随纤维用量的增加而增加；随纤维填充量的增加，由于芦苇纤维密度低，所占体积比例增加，同时分散性变差，堆砌现象加剧，作为应力集中点，严重地影响了主要受力部分的PVC树脂的连续性；另外，芦苇纤维极性较强，分子内和分子间氢键作用力随填充量的增加而增大，容易凝聚成团，导致与基体树脂PVC相容性差，从而弯曲强度急剧下降。

图2　PF用量对PVC/PF复合材料弯曲性能的

从图3可以看出，芦苇纤维对复合材料的冲击性能影响很大，复合材料的脆性随着纤维用量的增加而增大。对于极性非晶的PVC树脂来说，基体树脂本身黏度小，对填充物的包容能力较差，应力集中点较多；同时芦苇纤维是高模量填充物，柔韧性不好，用量的增加大大降低了基体树脂的连续性，基体树脂和填料的共同作用导致复合材料的冲击强度下降。

图3　PF用量对PVC/PF复合材料冲击性能的

对比分析不同芦苇纤维用量下PVC/PF复合材料的性能，从制品性能和经济角度考虑，将m(PVC)∶m(PF)=100∶40确定为最终配比。

2.2阻燃改性对复合材料性能的影响

2.2.1阻燃改性对力学性能的影响

将PVC/芦苇复合材料记为PPF-0，PVC/APP浸渍芦苇复合材料记为PPF-1，PVC/APP、PER浸渍芦苇复合材料记为PPF-2，PVC/APP、PER、MEL浸渍芦苇复合材料记为PPF-3。

表2列出了不同体系复合材料的力学性能。可以看出，采用不同方法对芦苇纤维阻燃改性后，复合材料的拉伸强度均有所提高，弯曲强度、冲击强度整体下降；其中，PPF-3的拉伸强度最高，可达71.58 MPa，PPF-2的综合力学性能最佳。

表2　不同复合材料的力学性能

复合材料的力学性能与基体树脂、纤维种类、改性处理方法和工艺条件有关。芦苇纤维含有大量的羟基，具有强极性和亲水性，而PVC树脂极性较弱，二者的界面键合能力差，影响复合材料的界面结合性能。物理浸渍阻燃使纤维表面附着大量的阻燃剂，削弱纤维间的氢键作用，降低纤维极性，增加与基体树脂的相容性。复合材料的性能主要取决于界面键合力的强弱。界面键合力强，相容性好，力学性能优，因此有必要观察复合材料断面纤维的拔出情况。将PPF-0和PPF-2两种复合材料在液氮中脆断，对断面进行SEM测试，测试结果如图4所示。

图4(a)中可清晰地看到纤维拔出留下的沟壑，未观察到断裂的纤维，说明断面处纤维全部拔出，树脂与纤维黏结能力差。PPF-2由于PER小分子的存在，使纤维分散的更均匀，纤维被树脂包覆，界面结合好一些，几乎没有纤维拔出留下的孔洞，如图4(b)所示。在复合材料中，纤维起承载载荷的作用。物理浸渍阻燃没有改变纤维的基本结构，理论上起不到增容作用，但由于PER的存在改善了纤维的分散情况，使应力集中点减少，界面性能改善，力学性能提高。

(a) PPF-0

(b) PPF-2

图4复合材料SEM图片

Fig.4SEM images of composites

2.2.2阻燃改性对吸水性能的影响

大多数植物纤维复合材料的性能都受纤维自身性能的影响。在所有的植物纤维增强材料中，芦苇纤维来源广泛，是一种很有应用价值的材料。但是，芦苇纤维有一个很大的缺陷，极易吸水，并引起尺寸的变化。若将吸水程度最小化，纤维复合材料的性能可以大幅度提高。在(23±0.5) ℃蒸馏水中进行吸水性能测试，PPF-0，PPF-2绝对吸水量分别为0.293 2，0.191 4 g，单位表面积吸水量分别为0.011 73，0.007 66 g/cm2，阻燃化处理后，PVC/芦苇复合材料的吸水能力减弱，绝对吸水量比PPF-0减少了34.72%。这是因为复合材料中纤维与基体树脂的部分缝隙被纤维上附着的阻燃剂填满，阻碍了水分子的渗入。吸水率小，保证了制品的使用性能。

2.2.3阻燃改性对阻燃性能的影响

PVC树脂最突出的特点是其优异的阻燃性能。PVC并不是不可燃材料，它一旦燃烧会释放出大量对人体和环境有害的烟雾和物质，造成了严重的安全隐患。因此，有必要对其阻燃性能进行深入研究。芦苇纤维的阻燃改性赋予其良好的阻燃性能，同时无卤阻燃也符合了环境保护的要求。将其作为填料填充到PVC树脂中，考察其对复合材料的阻燃性能的影响，垂直燃烧测试结果见表5。

表5　不同复合材料的阻燃性能

由表5可以看出，纯芦苇的加入对PVC的阻燃性能改善不大。阻燃芦苇纤维与PVC树脂共混后，起到了明显的阻燃效果，阻燃等级从V-1级提高到V-0级，弯曲情况和发烟情况有所改善，出现了成炭现象。改善最明显的是有焰燃烧时间，均小于10 s。在复合材料中，经过阻燃改性的芦苇起到阻燃剂的作用。施加火焰时，材料受热分解生成磷酸、聚磷酸等无机酸，这类酸可在材料表面形成一层保护膜，隔绝氧气，释放难燃气体。同时阻燃剂分解带走了大部分热量，极大地降低了材料的表面温度，阻止材料的燃烧。

复合材料PVC，PPF-0，PPF-1，PPF-2，PPF-3的氧指数分别为23.8%，24.2%，25.1%，25.3%，25.9%，与垂直燃烧测试结果一致。PPF-0氧指数与纯PVC的氧指数相比提高了0.4%；经物理浸渍阻燃处理后，复合材料的氧指数有所提高，PPF-3的氧指数可达25.9%，进一步说明酸源、气源、炭源协同阻燃对提高复合材料的阻燃性能有利。

3结论

(1)随纤维用量的增加，PVC/PF复合材料的拉伸强度先下降后上升，弯曲强度和弯曲模量均先增加后减少，冲击强度下降明显，材料发生了从韧性到脆性的转变。

(2)阻燃芦苇纤维与PVC相容性良好，复合材料的拉伸强度得以提高，PPF-3的拉伸强度最高，可达71.58MPa；PPF-2的综合性能最佳，力学性能与PPF-0相近，绝对吸水量比PPF-0减少了34.72%。

(3)芦苇纤维的阻燃改性可提高复合材料的阻燃性能，发烟状况得到明显的改善，阻燃等级均达到V-0级，其中PPF-3的阻燃性能最好，氧指数高达25.9%。

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Property of PVC/flame retardant phragmites australis fiber composites

XIAYing1,LIURan1,ZHANGFengfeng1,LYUXiaoxiao2,

ZHANGWeiming1,RENQinglong1,XUJing1

( 1.School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China；

2.Jilin Province Plastics Research Institute, Changchun 130022, China )

Abstract:The polyvinyl chloride (PVC)/phragmites australis fiber (PF) composites were prepared using PF or flame retardant PF as matrix filler respectively. Effects of PF dosage on composite’s mechanical property and effects of flame retardant on mechanical property, flame retardancy and water absorption of composites were analyzed. Result shoved that the composites had better property with m(PVC)∶m(PF)=100∶40. Flame retardancy was improved obviously and smoke generation decreased after flame retardant modification, and the LOI of PPF-3 composite could reach to 25.9%. PPF-2 composite possessed the better mechanical property and its absolute amount of water absorption was 34.72% that less than that of unmodified composite.

Key words:phragmites australis fiber; polyvinyl chloride; composites; flame retardancy

文章编号:1674-1404(2015)06-0463-04

通信作者：

作者简介:夏英(1966-)，女，教授；刘然(1990-)，女，硕士研究生.

基金项目:大连市建委科技计划项目(2013378).

收稿日期:2014-11-19.

中图分类号:TS102.2

文献标志码:A