Nylon6复合材料的阻燃性能研究

王 超，李迎春，胡国胜

（中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原030051）

Nylon6是当今社会应用极为广泛的工程塑料之一，通常应用于汽车、机械以及电子电器产品的功能性部件．但其阻燃性能差，燃烧过程中放出有毒有害的气体，导致其应用场合受到限制．为了使Nylon6获得更好的应用，Nylon6 材料的阻燃研究日益受到人们的重视．由于含卤阻燃剂的阻燃效果明显，以往的Nylon6阻燃材料大多选取含卤化合物作为阻燃剂［1－5］．然而，含卤阻燃剂受热时会产生有毒烟气，对生产应用造成严重的负面影响，大大损害人身和环境的安全．因而，Nylon6材料的开发越来越倾向于无卤阻燃方向．作为一种高效的环境友好型阻燃剂，三聚氰胺尿酸盐（MCA）在Nylon6中表现出较好的阻燃性能．但由于其燃烧时呈现气相阻燃机理，单独使用其阻燃性能较差．因此只添加MCA 很难得到理想的阻燃效果，熔滴现象严重．滑石粉作为一种防熔滴剂添加到Nylon6 中可以防止其在燃烧过程中发生熔滴现象，同时改善制品的收缩率、吸水率，热变形温度和降低成本［4－11］．同时由于OMMT 具有低廉、无毒、促进成炭等突出优点而成为迅速发展的Nylon6用阻燃剂．

目前虽然有单独使用三聚氰胺尿酸盐（MCA）、滑石粉、OMMT 对Nylon6性能影响的研究报道，但同时添加这三种填料的研究到目前为止未见报道．本论文研究了Nylon6 与MCA、滑石粉、OMMT 复合对Nylon6复合材料各种性能的影响规律，获得最佳的力学性能和阻燃性能［7，12－17］．

1 实验部分

1．1 实验原料

实验所需原料见表1．

表1 主要实验药品Tab．1 Experimental materials and reagents

1．2 实验设备

实验用主要仪器设备见表2．

表2 主要仪器设备Tab．2 Main experimental instruments and equipments

1．3 实验配方

实验配方见表3．

表3 实验配方Tab．3 Experimental recipes

1．4 阻燃Nylon6试样制备

将一定量的MCA、滑石粉、OMMT 与Nylon6 通过双螺杆挤出机熔融共混，在料筒温度250～260 ℃、螺杆转速60r／min下挤出造粒．粒料由注塑机分别注塑成标准冲击、拉伸试样．

1．5 性能测试

拉伸强度按GB／T1040－1992测定；

悬臂梁缺口冲击强度按GB／T 1843—1996测定；熔融指数测试采用XRZ－400熔融指数仪测定阻燃Nylon6熔体指数，测试条件为温度235 ℃，负荷2．16kg．将试样拉伸断面喷金处理后用SEM 观察断面并拍照．极限氧指数按GB／T 2046－1993测定．

2 结果与讨论

2．1 MCA、滑石粉、OMMT 含量对Nylon6拉伸强度的影响

图1为不同滑石粉、MCA 和有机蒙脱土用量对Nylon6拉伸强度的影响．从图中可以看出，随着填料用量的增加，Nylon6拉伸强度都有不同程度的增加，其中添加滑石粉的拉伸强度从空白的78．13 MPa增加到87．33 MPa，增加11．7%．添加MCA 的拉伸强度从空白的78．13 MPa增加到90．65 MPa，增加16%．添加蒙脱土的拉伸强度从空白的78．13 MPa 增加到89．47 MPa，增加14．5%．这三种填料中MCA 对提高Nylon6拉伸强度最为显著，其次是蒙脱土，滑石粉的增强效果最差．这是因为复合材料力学性能很大程度上取决于无机填料在树脂中的分散状态和界面结合力．在这三种填料中，MCA 与尼龙的极性相近，界面结合力最强，所以增强效果最佳；有机蒙脱土与尼龙相似相溶，界面结合良好；滑石粉与尼龙的界面结合最弱．当无机填料的含量较低时，不能实现对聚合物基体的有效增强，增强效果不太明显；当填料的含量较高时，增强效果明显．当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10%时，Nylon6复合材料的拉伸强度为85．54 MPa，比纯Nylon6 的拉伸强度78．13 MPa，提高将近10%．

图1 阻燃剂种类和用量对Nylon6拉伸强度的影响Fig．1 Tensile strength effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．2 MCA、滑石粉、OMMT 含量对Nylon6冲击强度的影响

图2为不同滑石粉、MCA 和有机蒙脱土用量对Nylon6冲击强度的影响．从图中可以看出，随着填料用量的增加，Nylon6冲击强度都有不同程度的降低．表明添加无机填料后，内聚能密度降低，Nylon6 的韧性降低．当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10% 时，Nylon6 复合材料的冲击强度为5．54kJ／m2，比纯尼龙的冲击强度7．2kJ／m2，降低了将近23%．继续增加滑石粉、MCA、蒙脱土的用量，复合材料的冲击强度大幅度下降．由此表明，无机填料的添加对Nylon6冲击强度有不同程度的降低，大量添加无机填料后复合材料的冲击强度大幅度降低．

图2 阻燃剂种类和用量对Nylon6冲击强度的影响Fig．2 Impact strength effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．3 熔融指数测定

图3 为不同滑石粉、MCA 和蒙脱土用量对Nylon6熔融指数的影响．从图中可以看出，随着填料用量的增加，Nylon6熔融指数呈整体下降的趋势．表明添加无机填料后，Nylon6的流动性降低，加工性能变差．当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10%时，Nylon6复合材料的熔融指数为0．78g／10 min，比纯尼龙的熔融指数为0．87g／10min 降低将近10%．减少或增加滑石粉、MCA、蒙脱土的用量，复合材料的熔融指数都将低于该值，表明当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10%时，Nylon6复合材料的加工性能最佳．熔融指数太小会导致材料无法注射成型而且表观性能也不佳．

图3 阻燃剂种类和用量对Nylon6熔融指数的影响Fig．3 Melt index effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．4 扫描电镜测试

图4 为不同纯Nylon6 和不同有机蒙脱土含量的拉伸断面扫描电镜图．从图中可以看出，纯尼龙的拉伸断面比较粗糙，随着有机蒙脱土含量的增加，表面变得更加粗糙．当有机蒙脱土含量为10份时，拉伸断面的沟壑非常明显，材料拉伸过程中由于分子链的取向吸收更多的能力，对应其拉伸强度最高，继续增加有机蒙脱土的用量，断面的粗糙程度降低，表面变得越来越光滑，其力学性能降低．

图4 Nylon6及其复合材料的拉伸断面扫描电镜图Fig．4 Tensile fracture SEM of Nylon6and its composites

2．5 氧指数测试

图5 为有机蒙脱土用量对Nylon6 复合材料氧指数的影响．从图中可以看出，随着有机蒙脱土用量的增加，氧指数逐渐增加，当有机蒙脱土含量为10%时，Nylon6 复合材料的氧指数由20．71% 升高到27．89%，增加了35%，继续增加有机蒙脱土用量，氧指数增加不明显．表明当有机蒙脱土含量为10%时，有机蒙脱土在燃烧过程中已经形成了致密的炭层，所以继续增加有机蒙脱土的用量，氧指数增加不大．

图5 有机蒙脱土用量对Nylon6氧指数的影响Fig．5 Oxygen index effects of Nylon6with different dosages of OMMT

3 结 论

本文主要研究了滑石粉、MCA、有机蒙脱土的用量对Nylon6力学性能和阻燃性能的影响，可以得出以下结论：

1）随着填料用量的增加，Nylon6拉伸强度都有不同程度的增加，其中添加滑石粉的拉伸强度从空白的78．13 MPa增加到87．33 MPa，增加了11．7%．添加 MCA 的拉伸强度从空白的78．13 MPa增加到90．65 MPa，增加了16%．添加蒙脱土的拉伸强度从空白的78．13 MPa增加到89．47 MPa，增加了14．5%．这三种填料中MCA对提高Nylon6 拉伸强度最为显著，其次是蒙脱土，滑石粉的增强效果最差．

2）随着填料用量的增加，Nylon6冲击强度都有不同程度的降低．表明添加无机填料后，内聚能密度降低，Nylon6的韧性降低．当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10% 时，Nylon6 复合材料的冲击强度为5．54kJ／m2，比纯尼龙的冲击强度7．2kJ／m2，降低了将近23%．继续增加滑石粉、MCA、蒙脱土的用量，复合材料的冲击强度大幅度下降．由此表明，无机填料的添加对Nylon6冲击强度有不同程度的降低，大量添加无机填料后复合材料的冲击强度大幅度降低．

3）随着填料用量的增加，Nylon6熔融指数呈整体下降的趋势．表明添加无机填料后，Nylon6的流动性降低，加工性能变差．当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10%时，Nylon6 复合材料的熔融指数为0．78g／10min，比纯尼龙的熔融指数为0．87g／10min降低将近10%．减少或增加滑石粉、MCA、蒙脱土的用量，复合材料的熔融指数都将低于该值，表明当滑石粉的用量为20%，MCA 的用量为10%，蒙脱土的用量为10%时，Nylon6复合材料的加工性能最佳．

4）有机填料的加入可以提高Nylon6 的氧指数，当有机蒙脱土含量为10%时，Nylon6复合材料的氧指数由20．71%升高到27．89%，增加了35%，继续增加有机蒙脱土用量，氧指数增加不明显．

［1］Liu Z，Ou Y，Wu J．Combustion behaviors of PA6／OMMT nanocomposite flame－retarded by MPP／PER／APP system［J］．Journal of Functional Polymers，2004（4）：19．

［2］Zhou X，Hu G，Li M．Amino silicone oil on the mechanical and flame retarded properties effect of Nylon 6／nano－montmorillonite composite material［J］．Plastics，2011（3）：12．

［3］Yi C，Fang Z，Junhong Y．Study on the flame－retardancy of Nano Mg（OH）2and its composite in HDPE［J］．Journal of Hunan University of Technology，2009（4）：11．

［4］Yamanaka K，Kondo F，Toyohara K．Flame retardant resin composition and molded article thereof．2009，Google Patents．

［5］Bellucci F，Camino G．Flammability of polymer composites［J］．Wiley Encyclopedia of Composites，2012．

［6］Riva A．Fire retardant mechanism in intumescent ethylene vinyl acetate compositions［J］．Polymer degradation and stability，2003，82（2）：341－346．

［7］Zhang L，Zhang Y，Ye X．Hydrothermal modification research of Mg（OH）2［J］．Journal of Salt and Chemical Industry，2009（2）：9．

［8］Yang F，Ren S，Meng C．Research progress on phosphorus fire retardant［J］．Applied Chemical Industry，2010（3）：34．

［9］Tian J．Study on preparation and property of PA6／KMAH blends［J］．Polymer Materials Science and Engineering，2006，22（1）：226．

［10］Zhou X，Hu G，Li M．Amino silicone oil on the mechanical and flame retarded properties effect of Nylon 6／nano－montmorillonite composite material［J］．Plastics，2011（3）：12．

［11］Fei G．Melamine Cyanurate with surface modified by polyamide resin and its flame retardancy on polyamide 6［J］．China Plastics，2005（10）：11．

［12］Liu Z，Ou Y，Wu J．Combustion behaviors of PA6／OMMT nanocomposite flame－retarded by MPP／PER／APP system［J］．Journal of Functional Polymers，2004（4）：19．

［13］Yanming L．Studies on glass fiber－reinforced Nylon 6 flame retarding with high effective intumescent flame retardant［J］．Engineering Plastics Application，2006（8）：7．

［14］Yinjie W，Jianpeng G，Chengming M，Study on the flame－fetardant polyphenylene oxide in using phosphoric acid estre［J］．Engineering Plastics Application，2011（12）：2．

［15］Yunlong Z，Dai Wenli D X．Study on the microstructure and properties of Nylon 6／M－phthalic－5－sulfonic acid sodium composites［J］．Engineering Plastics Application，2006（3）：5．

［16］Xinran L，Xinlong W．Study on the properties of SA／StCa modified magnesium Hydroxide／MCA flame－retarded anti－dripping PA6［J］．Plastics Additives，2013（6）：9．

［17］Shen Y．Research progress on preparation principle and properties of flame retardant polyamide［J］．Journal of Shanghai University of Engineering Science，2011，25（3）：246－251．