铝酸钴和云母协效体系对PVC材料阻燃性能和力学性能的影响

陈灵智

(衡水学院应用化学系，河北 衡水 053000)

PVC是世界上五大应用广泛的塑料之一[1]。纯PVC阻燃性能比较好，但在加工过程中添加了大量增塑剂，从而使其阻燃性能大幅度降低[2]，因此须对其进行阻燃处理。铝酸钴属于双金属复合氧化物、尖晶石结构[3-4],可用作无机阻燃剂，具有无毒、无害、环保高效等特点,但与材料的相容性较差，导致阻燃处理后PVC的力学性能下降。云母是一类含水铝硅酸盐的总称，是一种天然功能性填料，具有耐酸、耐碱、耐磨、添加量少、阻燃性能好等优点，能有效地改善工程塑料的阻燃性能和力学性能。铝酸盐的制备方法主要有固相法、气相法、液相法[5-9]。笔者主要研究了铝酸钴和云母协效体系对PVC的阻燃性能以及力学性能的影响。通过水热合成法制备出高纯度铝酸钴，再通过烟密度、极限氧指数和力学性能测试铝酸钴与云母协效后对PVC材料的阻燃抑烟性能的影响，进一步探讨出最佳的协效比例，并通过热重分析仪对阻燃前后PVC材料的热降解行为进行研究。

1 试验部分

1.1 主要原料

试验主要原料如表1所示。

表1 主要原料Table 1 Main raw materials

1.2 主要仪器和设备

试验的主要仪器与设备如表2所示。

表2 主要仪器和设备Table 2 Main apparatus and equipment

1.3 铝酸钴的制备

将10.5 g硝酸铝溶于14 mL水中，滴加氢氧化钠溶液至沉淀完全溶解后加入3.3 g氯化钴，25 ℃超声振荡0.5 h，静置3 h后抽滤，80 ℃真空干燥2 h，即得到目标产物铝酸钴粉末。

1.4 PVC样品的制备

将润滑剂、偶联剂、增塑剂等各种试验药品按照配方添加到PVC树脂中并混合均匀，用双辊混炼机混炼(试验条件：温度157 ℃，时间7～8 min)，混炼后放入平板硫化机中进行硫化。

1.5 样品性能测试

1.5.1 铝酸钴XRD分析

X射线粉末衍射分析(XRD)的试验条件：Cu Kα(λ=0.154 06 nm)辐射，工作电压40 kV，电流40 mA，扫描范围10°～90°。

1.5.2 PVC样品极限氧指数的测定

极限氧指数(LOI)是指试样在氮气、氧气混合气流中能够维持燃烧所需的最低氧含量的百分比,材料的极限氧指数越大，其防火性能越好。采用国标GB/T 2406—1993对阻燃样品的极限氧指数进行测试。

1.5.3 PVC样品烟密度的测定

烟密度是指材料在国家规定的试验条件下发烟量的量度，用透过烟的光强度的减弱量进行描述，通过测量光通量的变化来评价烟密度大小，烟密度越大，发烟量越高，越有害。试样尺寸：5 mm×3 mm×250 mm。

1.5.4 PVC样品拉伸强度的测定

材料的拉伸强度是指在拉伸试验中试样拉伸至断裂为止所受的最大拉伸应力。采用国标GB/T 1040.2—2006对PVC样品的力学性能进行测试，试验条件：拉伸速率200 mm/min，温度25.4 ℃，相对湿度(60±10)%。

1.5.5 热重分析(TGA)

热重分析是在温度程序控制下测试试样的质量随温度变化的一种热分析技术。试验参数：样品质量5～10 mg，气流N2，流速20 mL/min，升温速率10 ℃/min，温度30～700 ℃。

2 结果与讨论

2.1 XRD图分析

图1是以氯化钴和硝酸铝为原料，采用水热法合成的铝酸钴阻燃剂的XRD谱图。通过与标准卡片对比发现，合成铝酸钴的2θ的出峰位置与标准卡片中2θ=31.32°、 36.90°、44.88°、55.65°、59.45°和65.25°出现的位置一致，表明制成的铝酸钴为纯相铝酸钴阻燃剂。

图1 铝酸钴的XRD谱图

2.2 铝酸钴和云母协效体系对PVC样品的阻燃消烟性能的影响

阻燃前后PVC样品的LOI及烟密度见表3。

表3 阻燃前后PVC样品的LOI及烟密度Table 3 Oxygen indexes and smoke density of PVC samples filled with and without fire retardant

由表3中的LOI数据可知：当加入1份铝酸钴阻燃剂和9份云母时，LOI从25.8%增至30.5%，提高了4.7百分点；当铝酸钴用量增加和云母用量减少之后，LOI下降，因此铝酸钴和云母的最佳协效比例为1∶9。

由表3中的烟密度等级数据可知：当加入1份铝酸钴和9份云母时，烟密度由86.86%降至71.03%，在这11组试验数据中烟密度最小，因此铝酸钴和云母的协效比例为1∶9时，PVC样品生烟量最少。

2.3 铝酸钴和云母协效体系对软质PVC样品力学性能的影响

铝酸钴和云母协效体系对PVC样品力学性能的影响见表4。

表4 阻燃剂对PVC样品力学性能的影响Table 4 Effect of fire retardant on mechanical properties of PVC samples

表4中的数据显示：当加入铝酸钴、云母以及铝酸钴和云母协效后，对PVC样品的断裂伸长率、拉伸强度都产生了较为明显的影响，随着添加量的增加，PVC样品的力学性能随之降低，这可能是因为PVC中加入了云母和铝酸钴后，样品的化学结构、组成及聚集态结构对应力产生了影响；断裂伸长率和拉伸强度随着铝酸钴和云母量的变化有最佳值，添加1份铝酸钴和9份云母时(数值分别为22.10 MPa、282.43%)效果最好。

2.4 PVC样品的热分析

纯PVC和含有阻燃剂的PVC的热分析图见图2。

图2 纯PVC和含有阻燃剂的PVC的热分析图

由图2可以看出：纯PVC的热降解大体上有2个主要阶段，第一阶段为初始热分解，温度约在274.5℃，此阶段主要是PVC受热脱去HCl，进而引起PVC的热分解，失重率已达到55%左右；第二阶段热降解开始于440 ℃左右，此阶段主要是PVC样品脱去HCl以后所形成的共轭多烯链结构的分解，从而导致残炭量升高。经铝酸钴和云母协效后，PVC样品第一阶段的热解温度由274.5 ℃降低到230.3 ℃，第二阶段的热失重率减缓，由55%提高到了50%，致使残碳量增加。这表明铝酸钴和云母的协效体系能够延缓PVC降解，起到了阻燃作用。

3 结论

用水热法合成的铝酸钴阻燃剂经XRD表征为纯相，将其与云母协效应用到PVC材料的阻燃研究中，当添加1份铝酸钴和9份云母时，试样的LOI达到30.5%，烟密度等级为71.03%，拉伸强度为22.10 MPa，断裂伸长率为282.43%，且PVC经过铝酸钴和云母协效阻燃处理后，热降解温度降低，残炭量增加。因此，将1份铝酸钴和9份云母协效添加到PVC中具有较好的阻燃抑烟功能。