玻璃纤维/不饱和聚酯191复合材料阻燃性能的研究

张保卫

(太原工业学院，山西 太原 030008)

玻璃纤维/不饱和聚酯191复合材料阻燃性能的研究

张保卫

(太原工业学院，山西 太原 030008)

以不饱和聚酯191为基体材料，玻璃纤维为增强材料，加入相应的阻燃剂，制得阻燃复合材料。研究了不同的玻璃纤维含量对复合材料力学性能和阻燃性能的影响，以及阻燃剂的不同种类、含量对复合材料力学性能和阻燃性能的影响。通过SEM分析了基体材料与拉伸断面纤维的结构和断裂情况。结果表明，在一定范围内，复合材料力学性能随着阻燃剂用量的增加而降低;拉伸强度随着玻璃纤维加入量的增加而增加;冲击强度在少量玻璃纤维加入时略有降低，后随玻璃纤维加入量的增加而增加。当阻燃剂含量为20份时，硼酸锌、氢氧化铝、三氯乙烯磷酸酯氧指数分别为30.0、28.5、25.0，三氯乙烯磷酸酯阻燃效果最好。

不饱和聚酯191;玻璃纤维;阻燃;复合材料;力学性能

引言

对于不饱和聚酯(UP)，大部分是由不饱和的二元酸同二元醇、饱和二元酸同不饱和二元醇缩聚而成的具备酯键与不饱和双键的高分子化合物，简称UP［1］。玻璃纤维(简称玻纤)是一种具有优异性能的无机非金属材料，在现代材料中有着非常重要的作用，高新技术中有着不可或缺的应用领域。但其缺点是非常脆，耐磨性很差。以191#不饱和聚酯为基体材料，用玻璃纤维(GF)、绝缘配合剂制得玻璃纤维/不饱和聚酯191复合材料，对其拉伸性能、冲击性能、阻燃性能进行分析探讨，并对玻璃纤维/不饱和聚酯191进行表征，对界面的形成及作用机理进行分析探讨。通过合理配方设计，研究复合材料所具备的阻燃性能。

1 实验部分

1.1 原材料及试样制备

191#不饱和聚酯，市售191#;阻燃剂，市售三氯乙烯磷酸酯(TCEP)、氢氧化铝、硼酸锌;玻璃纤维，盐城市恒诚玻纤有限公司;引发剂，市售甲乙酮;促进剂，市售萘酸钴。

将玻纤放入烘箱中进行高温处理，去除表面腊状物，用KH550(市售)处理液浸渍玻纤。室温下浸泡6 h后，用去离子水冲洗，当 pH值接近 4～6时，将其放入烘箱中，从室温升至80℃恒温干燥4 h［2］。烘干后，将玻璃纤维剪成长度为2 mm～3 mm的短玻纤，最后装袋备用。按照配方称取所需原料和试剂，按照191#不饱和聚酯→阻燃剂→玻纤→引发剂→促进剂的加料顺序加料。每加一种药品要搅拌均匀(至少1 min)，再加下一种药品。加料完成后静置每次3 min，进行刮气泡，每2 min刮1次气泡，刮2次～3次后进行浇注样条。浇注样条之后，再每隔2 min刮气泡并且补料，重复操作2次～3次，放置在常温下固化(一般静置24 h)，然后在60℃下进行4 h的后处理［3］。

1.2 共混物的测试与表征

力学性能测试:冲击强度按GB 1043－79进行;拉伸强度按 GB 1040－79进行;弯曲强度按 GB 9341－88进行，测试仪器为台湾高铁检测仪器的TCS－2000型万能拉力试验机。

阻燃性能测试:采用极限氧指数法测定复合材料的阻燃性能。OI是在测定阻燃性能中最常用指标。空气中氧气的质量分数为20.9%。在通常情况下，OI小于21的材料在空气中容易被点燃，被称为易燃材料;OI在22～27的材料则属于难燃材料; OI大于27的材料被称为高难燃材料［4］。

扫描电镜观察:为了更好地观察材料的拉伸断口以及微观结构，本实验先将测试后复合材料的断面进行喷金处理，再对复合材料的纤维、树脂之间的结合情况进行分析。

2 结果与讨论

2.1 玻璃纤维用量对复合材料力学性能的影响

图1、图2、图3是GF添加量对复合材料拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度的影响曲线。由图1可以看出，相比于纯的不饱和聚酯(UP)191基体，加入GF能够使其拉伸强度增大，当 GF添加量达到9份时，拉伸强度恰好达到最大值;但增大的范围是有限的，当GF添加量超过9份后，拉伸强度逐渐降低。由图2可以看出，相比于纯不饱和聚酯(UP) 191基体，断裂伸长率随GF添加量的增多而下降。从图3可以看出，相比于纯不饱和聚酯(UP)191基体，随着GF含量的增加，复合材料冲击强度呈上升趋势，当GF含量达到9份时，其冲击强度将会升至最大;当GF添加量超过9份后，复合材料冲击强度开始下降。

图1 拉伸强度与GF含量的关系曲线

图2 断裂伸长率与GF含量的关系曲线

这是因为，GF是增强刚度与强度的组分，一般材料中GF的含量越高，材料结构的刚度和强度就会变得越来越大。随着基体内GF数量增加并均匀地分布在树脂基体中，玻纤承受了主要的应力作用，基体树脂可以通过界面将所受的应力传递给玻纤，复合材料的所有截面上都将会有更多数量的玻纤来承担受力，必须要增加足够强的载荷才能把这些GF拔出或使其撕裂。因此，随着GF含量越来越多，复合材料的机械性能变得越来越大。

图3 冲击强度与GF含量的关系曲线

2.2 阻燃剂用量对复合材料力学性能的影响

图4、图5和第12页图6为拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度与阻燃剂含量的关系曲线。由图4可知，当加入GF的量为5份时，拉伸强度因为阻燃剂用量的增加呈现先上升后降低趋势。阻燃剂的用量在10份左右的时候，复合材料的拉伸性能是最好的，比未加入阻燃剂的时候增加了近6成。

图4 拉伸强度与阻燃剂含量的关系曲线

由图5可知，随着阻燃剂比例提升，断裂伸长率呈现先减小然后增大的趋势。掺杂进5份的阻燃剂比没有掺杂任何阻燃剂的时候，断裂伸长率降低了2成多;掺杂20份的阻燃剂比未掺杂阻燃剂的时候增加了近3成。

图5 断裂伸长率与阻燃剂含量的关系曲线

由图6可知，冲击强度因为阻燃剂份数增加呈现先上升后降低的趋势。掺杂5份阻燃剂比没有掺杂阻燃剂的时候，冲击强度提高了28.6%;掺杂20份阻燃剂比没掺杂阻燃剂的时候下降了39.3%。

图6 冲击强度与阻燃剂含量的关系曲线

2.3 阻燃性能分析

配方设计:不饱和聚酯为100份，GF用量为3份，促进剂用量3份，引发剂用量3份，余下见表1。氧指数与阻燃剂含量的关系曲线如图7。

表1 阻燃剂配方设计

图7 氧指数与不同阻燃剂含量的关系曲线

结合表1及图7可以看出，因为阻燃剂用量的加大，复合材料的阻燃性能有所提升。加入同等质量份数的阻燃剂相比较，三氯乙烯磷酸酯的阻燃效果最好，Al(OH)3阻燃效果次之，Zn3(PO)2阻燃效果最差［5］。

当三氯乙烯磷酸酯用量超过10份时，其机械性能略有下降;超过30份时，显著下降;20份时阻燃效果最好，氧指数为30，达到难燃材料标准。

当氢氧化铝用量超过30份时，阻燃效果明显上升，但机械性能显著下降;40份时阻燃效果最好，氧指数为29.5;当氢氧化铝用量超过15份时，阻燃效果明显上升，但机械性能显著下降;20份时阻燃效果最好，氧指数为28.5，达到难燃材料标准。

当硼酸锌用量20份时，阻燃效果最好，氧指数为25，阻燃效果不理想。

2.4 扫描电镜SEM分析

图8和图9分别为GF含量0份和3份时的SEM图。

对比图8和图9扫描电子显微镜的影像发现，不加GF的不饱和聚酯(UP)复合材料和加了GF的不饱和聚酯(UP)复合材料的断裂面存在很大区别，加了GF的复合材料，通过拉伸过程要使材料断裂，除了基体，还要使GF拔出和纤维断裂，这也就是加了GF的不饱和聚酯(UP)复合材料的力学性能提高的原因。由图9中a)图和b)图可以看出，不饱和聚酯(UP)复合材料断裂的表面没有GF被拔出，纤维断面不平齐，有GF撕裂的痕迹，并且伴随这些纤维的表面上粘连着基体材料，所以不饱和聚酯(UP)复合材料在撕裂时候的根本破坏形式为纤维的断裂。由于不饱和聚酯(UP)具有非常好的黏合强度，与GF的相容性较好，能很好地与GF黏合，因此，不饱和聚酯复合材料在断裂时，断口处纤维断裂存在，纤维表面具有黏附物。

图8 玻璃纤维含量为0份扫描电镜图

图9 玻璃纤维含量为3份扫描电镜图

由图9可以看出，经过硝酸处理的玻维与基体结合强度很高，玻纤在基体中没有被抽出的现象。这是因为，KH550分子里含有2种不相同的活性基团——氧基与氨基，用来偶联无机填料和有机高分子，增强它们的黏结性。

3 结论

1)加入少量玻纤对复合材料的拉伸、冲击性能有积极作用。当玻纤添加量为9份时，复合材料各性能达到最佳状态;继续增加玻纤含量时，复合材料的强度开始下降。

2)加入少量阻燃剂对复合材料的拉伸、冲击性能有积极作用。当阻燃剂添加量超过10份后，导致复合材料的拉伸、冲击性能逐渐变差。

3)随着阻燃剂含量增加，复合材料的阻燃性能越来越好。但是，阻燃剂用量增大时，又导致复合材料的机械性能有所下降。加入等同质量份数的阻燃剂相比较，三氯乙烯磷酸酯的阻燃效果最好，氢氧化铝阻燃效果次之，硼酸锌阻燃效果最差，氧指数分别为30.0、28.5、25.0。纯的不饱和聚酯191制品氧指数低于18，属于易燃类型的材料。当复合材料中加入20份的三氯乙烯磷酸酯时，其氧指数为30，达到难燃等级，说明三氯乙烯磷酸酯对不饱和聚酯191阻燃性能的提升效果最明显。

［1］杜慧玲，齐锦刚，庞洪涛.表面处理对碳纤维增强聚乳酸材料界面性能的影响［J］.材料保护，2003，36(2): 16－18.

［2］沈玺，高雅男，徐政.硅烷偶联剂的研究与应用［J］.生物医学工程学进展，2006，26(1):14－17.

［3］Vallittu P K.Curing of a silane coupling agent and its effect on the transverse strength of auto polymerizing polymethylmethacrylate－glass fiber composite［J］.J Oral Rehab Ilitation，1997，24(2):124－130.

［4］ 缪桂韶.橡胶配方设计［M］.广州:华南理工大学出版社，2000.

［5］王贵一.橡胶燃烧性能测试［J］.特种橡胶制品，1997，18(4):57.

Research on the flame retardant property of composite materials of glass fiber and unsaturated polyester 191

ZHANG Baowei

(Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan Shanxi 030008，China)

The flame retardant composites were produced with the unsaturated polyester 191 as the matrix material and glass fiber as the strengthening material，by adding corresponding flame retardant.The effects of different content of glass fiber on mechanical properties and flame retardant properties were studied and the mechanical properties and flame retardant properties effected by the different kinds and content of flame retardant were also studied.According to SEM，this paper analyzed the state of tensile fracture fiber and the construction and fracture of matrix material fiber.The result showed that in a certain scope，with the increasing amount of flame retardant，the mechanical property of composite polyester would decrease.With the increasing amount of glass fiber，the tensile strength would increase.The impact strength would decrease，when a bit of glass fiber was added.Then it increased with adding the amount of glass fiber.When the amount of flame retardant was twenty portions，the index of the zinc borate，the aluminum hydroxide and the trichloroethylene phosphate were 30.0，28.5 and 25.0 respectively，which would achieve the best effect of flame retardant of trichloroethylenephosphate.

unsaturated polyester 191;glass fiber;flame retardant;composite materials;mechanical property

TQ314;TQ171.77

A

1004－7050(2016)06－0010－04

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.03

2016－08－11

张保卫，男，1965年出生，1986年毕业于华南理工大学，学士学位，现主要从事橡塑并用及阻燃剂的研究。