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聚丁二酸丁二醇酯/氢氧化镁生物可降解阻燃复合材料的性能研究

2015-11-02陈双陆王玉海吴小漫卢朝亮蔡煜渠马立军杨丽庭

关键词:炭层阻燃性熔融

陈双陆, 王玉海, 吴小漫, 卢朝亮, 蔡煜渠, 马立军, 杨丽庭

(华南师范大学化学与环境学院,广州 510006)

聚丁二酸丁二醇酯/氢氧化镁生物可降解阻燃复合材料的性能研究

陈双陆, 王玉海*, 吴小漫, 卢朝亮, 蔡煜渠, 马立军, 杨丽庭

(华南师范大学化学与环境学院,广州 510006)

熔融挤出制备了聚丁二酸丁二醇酯/氢氧化镁(PBS/Mg(OH)2)生物可降解阻燃复合材料,并对其熔体流动性、热稳定性、阻燃性能、结晶与熔融行为和力学性能进行研究. 结果表明,加入Mg(OH)2降低了PBS的熔体流动速率,延缓PBS在燃烧过程中的分解,有效提高PBS的极限氧指数和抗滴落性能. Mg(OH)2对PBS结晶具有的异相成核作用,显著提高PBS的结晶温度并改变PBS的熔融行为. 当Mg(OH)2质量分数低于40%时,Mg(OH)2提高PBS的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量,但降低PBS的断裂伸长率和冲击强度;当Mg(OH)2质量分数大于50%时,由于PBS和Mg(OH)2的相容性较差,PBS/ Mg(OH)2复合材料在拉伸和弯曲过程中均呈现出脆性断裂现象,导致拉伸强度和弯曲强度降低.

聚丁二酸丁二醇酯; 氢氧化镁; 阻燃性能; 结晶与熔融行为; 力学性能

由于石油基聚合物材料降解周期长,废旧处理困难,易产生“白色污染”等问题,人们对生物可降解聚合物材料的需求越来越强烈[1],其中聚丁二酸丁二醇酯(PBS)由于与低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯的基础物理性质和力学性能相近[2],加工方便,可适应目前常规的塑料加工成型工艺,耐热性能好,在一定程度上可以取代传统石油基聚合物,但PBS阻燃性能较差、燃烧熔滴现象严重等问题限制了其在电子电器、汽车、家电等产品上的应用,因此需要进行阻燃改性.

近年来,对PBS阻燃改性的研究主要集中在探究膨胀型阻燃剂(IFR)对PBS的阻燃效果和阻燃机理. IFR具有低烟、低毒、高效等特点,在燃烧过程中,IFR促进PBS形成大量炭层,炭层能够隔绝燃烧产生的热量及可燃气体的交换,从而起到高效阻燃的作用[3-5]. 二氧化硅[6]、石墨烯[7]、MgAlZnFe-CO3层状双氢氧化物[8]、笼型聚倍半硅氧烷(POSS)[9]等与膨胀阻燃剂配合对PBS的阻燃具有协同作用,可提高PBS的阻燃和抗滴落性能.

氢氧化镁(Mg(OH)2)作为环保型无机阻燃剂,具有阻燃、消烟与填充等功能,广泛应用于聚烯烃的阻燃[10-12],但对PBS的阻燃作用鲜有报道.本文利用Mg(OH)2作为阻燃剂,通过熔融挤出制备了系列PBS/Mg(OH)2阻燃复合材料,并对复合材料的热稳定性能、阻燃性能、炭层形貌、结晶与熔融行为以及力学性能进行研究,为制备PBS/Mg(OH)2阻燃复合材料提供依据.

1 实验部分

1.1原料

氢氧化镁(Mg(OH)2,简称MH)粒径1~2 μm,未处理,阿拉丁试剂(上海)有限公司产品;聚丁二酸丁二醇酯(PBS):牌号1020MP,日本昭和高分子公司.

1.2样品制备

在制备样品之前,所有原料均于80 ℃干燥12 h,按照一定的质量比例将PBS与Mg(OH)2混合均匀,通过科倍隆科亚(南京)机械有限公司的CTE20同向双螺杆挤出机熔融挤出、造粒. 转速120 r/min,螺杆的各段温度为135、145、155、150、150 ℃.

按照GB1042-79标准,将粒料加入KSU-250ST直立式注塑机(今塑(香港)精密机械有限公司)进行注塑成拉伸、弯曲、冲击和阻燃测试用标准样条,注塑温度为150 ℃.

将PBS与Mg(OH)2质量比90/10、80/20、70/30、60/40、50/50及40/60的样品分别命名为PBS/MH(90/10)、PBS/MH(80/20)、PBS/MH(70/30)、PBS/MH(60/40)、PBS/MH(50/50)及PBS/MH(40/60).

1.3材料表征

利用美国TA公司的Q20型差示扫描量热仪(DSC)对样品的非等温结晶与熔融行为进行测试. 样品用量约为5 mg,在N2保护下,从40 ℃快速升温到150 ℃,恒温3 min以消除热历史,以10 ℃/min的速率降温至40 ℃后,再以10 ℃/min升温至150 ℃. 从降温与第2次升温曲线中计算结晶与熔融数据.

利用日本Nikon公司的偏光显微镜(POM)对PBS样品的晶体形貌进行观察,取少量样品置于热台上,快速升温至150 ℃,恒温3 min熔融消除热历史,后降温至室温使其完全结晶,观察样品的晶体形貌.

利用德国Bruker公司的D8 ADVANCE型X 射线衍射仪对样品的晶型进行测试,管压40 kV,管流30 mA,范围2θ=5°~35°,使用CuKα射线,扫描速率4°/min,样品均经过DSC结晶处理.

利用德国耐驰仪器制造有限公司的TG209F3型热失重分析仪对阻燃复合材料进行测试.测试条件:在O2气氛下,以20 ℃/min的升温速率从40 ℃升温至600 ℃.

利用日本电子株式会社的JSM-6010LA型扫描电镜(SEM)对样品燃烧后的形貌特征进行分析.

1.4性能测试

1.4.1熔体流动性测试利用上海思尔达科学仪器有限公司的RL-Z1B1型熔体流动速率测定仪对样品的溶体流动速率(MFR)进行测定. 温度为130 ℃、砝码为2 160 g.

1.4.2阻燃性能研究

(1)极限氧指数(LOI)分析.极限氧指数(LOI),即维持燃烧所需O2和N2混合气体的最低O2浓度,可以用来定性评价材料的燃烧性能. 按照GB/T2406-93标准,利用济南德瑞克仪器有限公司的DRK 304B型氧指数测定仪对样品进行极限氧指数测试. 样条尺寸为:80 mm×10 mm×4 mm.

(2)可燃性UL94测试.按GB/T2408-2008标准,利用中国江宁仪器分析公司的CZF-3型水平垂直燃烧测定仪对样品进行UL-94测试. 样条尺寸为:125 mm×13 mm×3 mm.

1.4.3力学性能测试利用美特斯工业系统(中国)有限公司的CMT6104型微机控制电子万能试验机,根据GB/T1040.2-2006进行拉伸性能测试. 拉伸测试采用位移控制,以50.0 mm/min速率拉伸至断裂,测定材料的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率. 按照GB/T9341-2000进行弯曲性能测试,采用位移控制,跨度为64 mm,以2.0 mm/min速率下降至样品出现屈服,测定材料的弯曲强度和弯曲模量.

利用长春智能仪器设备有限公司的JJ-20型记忆式冲击试验机,根据GB/T 1043-93对样品进行缺口冲击试验. 样品尺寸80 mm×10 mm×4 mm,带有深度2.0 mm的V型缺口.

2 结果与讨论

2.1PBS/Mg(OH)2复合材料的熔体流动性

无机填料通常为不可变形的刚性粒子,流动性差,在熔体中可以近似认为其粘度无穷大,阻碍了聚合物熔体的流动,因而使聚合物的粘度变大. PBS/Mg(OH)2复合材料的熔体质量流动速率(MFR)数据见表1. 随着Mg(OH)2质量分数的增大,复合材数的粘度增大,MFR逐渐降低,高质量分数Mg(OH)2导致PBS/Mg(OH)2复合材料的加工困难.

表1PBS和PBS/Mg(OH)2复合材料的MFR、LOI、UL-94等级和DSC数据

Table 1MFR, LOI, UL-94 and DSC results of PBS and PBS/Mg(OH)2composites

SamplesMFR/(g·min-1)LOI/%UL-94ratingTc/℃Tm/℃PBS0.62419.1NR70.9114.1PBS/MH(90/10)0.57319.8NR81.7113.7PBS/MH(80/20)0.55221.2NR83.6112.9PBS/MH(70/30)0.51623.2NR86.6112.7PBS/MH(60/40)0.45926.3NR88.2113.0PBS/MH(50/50)0.35530.1V289.0112.7PBS/MH(40/60)0.25535.1V088.6112.5

2.2PBS/Mg(OH)2复合材料的热稳定性

图1为PBS及PBS/Mg(OH)2复合材料在N2和O2气氛下的热重(TG)及其微分热重(DTG)分析曲线. 在N2气氛下,加入Mg(OH)2后,复合材料的初始分解温度向低温移动,是由Mg(OH)2分解所致,DTG曲线中,纯PBS的最大分解温度在410 ℃左右,Mg(OH)2的加入未明显改变PBS的最大分解温度. 而在O2气氛下,虽然Mg(OH)2的加入也使PBS复合材料初始分解温度降低,但提高了PBS的最大分解温度,是因为Mg(OH)2分解时的吸热作用和分解后无机残余物对PBS分解的延缓作用.

图1 PBS和PBS/Mg(OH)2复合材料的TG和DTG曲线

2.3PBS/Mg(OH)2复合材料的阻燃性能

2.3.1LOI和UL-94分析PBS/Mg(OH)2复合材料的LOI数据见表1,纯PBS的LOI为19.1%,Mg(OH)2的加入逐渐提高PBS的LOI,当Mg(OH)2的质量分数达到60%时,LOI达到35.1%,具有良好的阻燃性能. 原因是燃烧过程中,Mg(OH)2发生分解吸收大量热量,降低复合材料燃烧表面的温度,并且分解产生的大量水汽对O2有一定的阻隔效果.

PBS的抗滴落性能较差,在垂直燃烧测试过程中,容易发生熔融滴落. 加入Mg(OH)2后,其网络骨架作用以及分解后残余氧化物的覆盖作用提高PBS的抗滴落性能,但加入40%的Mg(OH)2仍然未能使PBS/Mg(OH)2复合材料达到UL-94阻燃等级(表1),只有当Mg(OH)2质量分数达到50%后,才通过UL-94 V2测试,Mg(OH)2的质量分数达到60%后,复合材料可以通过UL-94 V0测试.

2.3.2燃烧形貌分析图2直观地反映了纯PBS在燃烧中产生严重的熔融滴落(实际为带着火焰的高温融滴),未出现成炭现象. Mg(OH)2质量分数为20%时,复合材料燃烧过程中未出现熔融滴落现象,并且形成一定的炭层,PBS的阻燃性能得到了改善,Mg(OH)2含量达到50%时,Mg(OH)2分解后形成大量的无机氧化物层和诱导PBS生成炭层,进一步提高PBS的抗滴落和阻燃性能.

分析燃烧后材料表面灰分可以了解阻燃材料的阻燃机理. 图3为PBS及PBS/MH(50/50)复合材料燃烧灰分的扫描电镜图,纯PBS燃烧后表面平滑,未有明显的炭层,而PBS/Mg(OH)2复合材料燃烧后形成表面结构松散的炭层,并带有大量微细的孔洞,炭层物理性能差,这样的表面炭层未能有效地阻止燃烧过程中PBS分解所产生可燃性有机物的逸出,限制其阻燃保护屏障作用. 这归因于:(1)Mg(OH)2在燃烧过程中未能诱导PBS形成炭层;(2)Mg(OH)2在分解过程中产生大量水汽,水汽的逸出导致炭层破裂产生微孔.

图2PBS和PBS/Mg(OH)2复合材料燃烧后的照片

Figure 2Photos of PBS and PBS/Mg(OH)2composites after combustion

图3 PBS及PBS/Mg(OH)2复合材料燃烧灰分的扫描电镜图

综上所述,Mg(OH)2对PBS的阻燃主要是靠燃烧过程中Mg(OH)2分解的吸热作用、水汽的阻隔作用以及无机残余物的覆盖作用,其作用强度均与Mg(OH)2的含量有关,Mg(OH)2在较高质量分数时对PBS的阻燃效果显著.

2.4PBS/Mg(OH2)复合材料结晶与熔融行为

聚合物的结晶度和晶体形态会影响其力学性能,且聚合物的结晶与熔融行为能够反映聚合物复合材料的内部结构和体系中各个组分的相互作用. 下文分析Mg(OH)2对PBS的结晶与熔融行为的影响.

2.4.1结晶与熔融特性采用差示扫描量热(DSC)法分析PBS及PBS/Mg(OH)2复合材料的结晶与熔融特性(图4),读取Tc和Tm数据见表1. Mg(OH)2的加入显著提高PBS的结晶温度(Tc),10% Mg(OH)2的加入使PBS结晶温度提高了10.82 ℃(从70.89 ℃提高到81.71 ℃),说明Mg(OH)2对PBS结晶起到明显的异相成核作用. 随着Mg(OH)2添加量的增加,PBS的结晶温度先逐渐提高,后趋于稳定,说明Mg(OH)2对PBS结晶的异相成核作用存在饱和含量,是因为Mg(OH)2质量分数较高时,粒子发生团聚,但使结晶异相成核点并不一定增加,另一方面,大量Mg(OH)2粒子的存在会阻碍PBS链段运动,降低PBS结晶能力.

图4 PBS和PBS/Mg(OH)2复合材料的DSC曲线

有研究表明[13-16]PBS存在多重熔融行为可解释为:PBS在升温熔融过程中,由于完善程度较小晶体的熔融吸热和再结晶放热于1个温度区间进行,在DSC曲线上表现为竞争关系,并且晶体的完善程度与结晶温度有关. 当Mg(OH)2质量分数低于10%时,PBS的结晶温度(Tc)低,完善程度较小晶体的完善程度和热稳定性较差,其熔融吸热焓较小,DSC曲线上主要表现为再结晶的放热峰;而当Mg(OH)2质量分数大于20%时,PBS的结晶温度(Tc)提高,完善程度较小晶体的完善程度和热稳定性也增加,其熔融温度和熔融吸热焓变大,这时DSC曲线上便出现熔融峰T″m,再结晶放热峰的面积相应变小,峰温也移向高温;随着Mg(OH)2质量分数的增加,完善程度较小晶体的完善程度和热稳定性进一步提高,熔融峰T″m的峰温和面积逐渐提高,再结晶峰逐渐变小,直至消失(当Mg(OH)2质量分数大于40%后).

2.4.2晶体形貌图5是纯PBS与PBS/Mg(OH)2复合材料经过偏光显微观察所呈现的晶体形貌.纯PBS的球晶尺寸较大,球晶间界面比较清晰,而在PBS/MH(90/10)复合材料中,PBS形成大量小尺寸球晶,球晶的界面变得模糊不清,也表明Mg(OH)2对PBS结晶起到了异相成核点作用,增加了PBS晶核的密度,使PBS形成小的晶体.

2.5PBS/Mg(OH)2复合材料的力学性能

阻燃试验表明在PBS/Mg(OH2)复合材料中,Mg(OH)2作为阻燃剂,要获得有效的阻燃效果,添加量需达到40%以上,而这将会影响PBS的力学性能.

图5 PBS和PBS/Mg(OH)2复合材料的晶体形貌

2.5.1拉伸性能图6为PBS及PBS/Mg(OH)2复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率随Mg(OH)2质量分数变化的曲线图. 由图6A可见,Mg(OH)2质量分数小于40%时,随着Mg(OH)2质量分数的增加,复合材料的拉伸强度和弹性模量逐渐增大;Mg(OH)2质量分数大于40%时,拉伸强度显著下降,弹性模量变化不大;而少量Mg(OH)2的加入,使PBS的断裂伸长率急剧下降,Mg(OH)2质量分数达到30%后,复合材料的断裂伸长率降到10%以下,Mg(OH)2质量分数增加到50%后,复合材料发生脆性断裂,断裂伸长率低于4%,导致拉伸强度显著减小.

图6 Mg(OH)2含量对PBS/Mg(OH)2复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率的影响

Mg(OH)2能够提高PBS的拉伸强度和弹性模量的原因有两方面,一是Mg(OH)2对PBS结晶的异相成核作用,提高PBS的结晶度,增加复合材料的强度和刚性;二是Mg(OH)2作为二维片状填料,在拉伸过程中能够承担拉伸应力,对PBS有增强作用. 但在高含量下,Mg(OH)2颗粒发生团聚,应力集中于Mg(OH)2团聚体及其与PBS的界面上,由于PBS与Mg(OH)2相容性不好,界面强度弱,在应力作用下,界面容易出现裂纹,裂纹沿着界面快速扩展,使复合材料产生脆性断裂.

2.5.2弯曲性能图7为PBS/Mg(OH)2复合材料的弯曲强度和弯曲模量随Mg(OH)2含量变化的曲线. Mg(OH)2含量小于40%时,随Mg(OH)2质量分数的增加,复合材料的弯曲强度和弯曲模量逐渐增加,Mg(OH)2质量分数大于40%时,由于发生脆性断裂,弯曲强度下降,而Mg(OH)2颗粒的增强作用使弯曲模量继续上升.

2.5.3冲击性能图8为PBS/Mg(OH)2复合材料的冲击强度随Mg(OH)2质量分数变化的曲线. 10%Mg(OH)2的加入显著降低PBS的冲击强度,随着Mg(OH)2质量分数的增加,复合材料的冲击强度不断降低,是因为在冲击过程中,Mg(OH)2作为应力集中点引发裂纹,产生的裂纹沿着弱界面快速扩散而导致发生脆性断裂.

图7Mg(OH)2质量分数对PBS/Mg(OH)2复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响

Figure 7Effect of Mg(OH)2content on blend strength and blend modulus of PBS/Mg(OH)2composites

图8Mg(OH)2含量对PBS/Mg(OH)2复合材料冲击强度的影响

Figure 8Effect of Mg(OH)2content on impact strength of PBS/Mg(OH)2composites

3 结论

本文以Mg(OH)2为阻燃剂,通过熔融挤出制备了系列PBS/Mg(OH)2阻燃复合材料,并对复合材料的熔体流动行为、热稳定性能、阻燃性能、炭层形貌、结晶与熔融行为以及力学性能进行研究,得出以下结论:

(1)Mg(OH)2的加入提高了PBS的粘度,降低了熔体流动速率,延缓了PBS在空气中的分解,有效提高PBS的阻燃性能和抗滴落性能. Mg(OH)2对PBS的阻燃主要是靠燃烧过程中Mg(OH)2分解的吸热作用、水汽的阻隔作用和无机残余物的覆盖作用,而这些均与Mg(OH)2的含量有关,所以Mg(OH)2对PBS的阻燃只有在其质量分数高于50%后才有较为显著的效果.

(2)Mg(OH)2对PBS结晶具有异相成核作用,能够提高PBS的结晶温度,细化PBS球晶并改变PBS的多重熔融行为.

(3)Mg(OH)2作为二维填料,对PBS起到增强作用,在质量分数低于40%时,提高PBS的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量,但由于Mg(OH)2与PBS的相容性较差,界面强度弱,当Mg(OH)2质量分数高于50%时,在应力作用下,界面容易出现裂纹,裂纹沿着界面快速扩展,使复合材料产生脆性断裂.

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【中文责编:谭春林 英文责编:李海航】

Properties of Poly(butylene succinate)/Magnesium Hydroxide Biodegradable Retardant Composites

Chen Shuanglu, Wang Yuhai*, Wu Xiaoman, Lu Chaoliang, Cai Yuqu, Ma Lijun, Yang Liting

(School of Chemistry and Environment, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

The poly(butylene succinate)/magnesium hydroxide (PBS/Mg(OH)2) biodegradable retardant composites were prepared by melt extrusion, and the melting flow index, thermal stability, flame retardant properties, crystallization and melting properties and mechanical properties were studied. The results indicated that MFR of PBS/Mg(OH)2composites was decreased with the increase of Mg(OH)2. Mg(OH)2retarded the decomposition of PBS during combustion, and improved the limited oxygen index values of the composites and exhibited excellent anti-dripping properties. Mg(OH)2increased the crystallization temperature and influenced the melting behavior of PBS due to its heterogeneous nucleation for PBS. When the contents of Mg(OH)2were less than 40%, the addition of Mg(OH)2improved the tensile strength, Young′s modulus, blend strength and blend modulus of PBS, but reduced the elongation at break and impact strength of PBS. However, when the contents of Mg(OH)2were more than 50%, PBS/Mg(OH)2composites displayed brittle fracture during tensile and blend process due to the poor interfacial interaction between PBS and Mg(OH)2, leading to lower tensile strength and blend strength.

poly(butylene succinate); magnesium hydroxide; flame retardant properties; crystallization and melting properties; mechanical properties

2014-12-30《华南师范大学学报(自然科学版)》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

广东省教育部产学研结合项目(2012B091000141);顺德区科技计划项目(2013CXY04);广东高校产学研结合示范基地及科技成果转化重大项目(cgzhzd1007)

王玉海,讲师,Email:wangyuhai211@aliyun.com.

O631.2

A

1000-5463(2015)05-0050-08

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