插层水滑石的抑烟性能研究

段金凤 ，李树新 ，王鲁静 ，刘彦余 ，王艳辉 ，肖学文 ，索伟

(1.山东泰星新材料股份有限公司，济南 250200； 2.山东新升实业发展有限责任公司，济南 250215)

随着合成和天然高分子材料的应用遍布人类生活的各个领域，因其易燃性而带来的火灾威胁就时刻存在。根据实验和事实证明，阻燃处理过的高分子材料可有效减少火灾隐患、降低火灾风险[1]。但是事实也表明，阻燃并非不燃，有燃烧就伴随产生烟尘废气，有些阻燃塑料，尤其是卤锑体系阻燃塑料的生烟量更甚[2]。在20 世纪70 年代，人们已经意识到烟雾是火灾中致人死亡的首要危险因素[3]。因此材料的阻燃抑烟研究显得格外的重要。

水滑石由于本身所具备的特殊结构，其分子结构中的氢氧化物层中存在着一些水分子，这些水分子可在不破坏层状结构的条件下除去，层间受热脱出的水及羟基分解产生的水均能稀释空气中的氧气和聚合物分解生成的可燃性气态产物，水滑石结构中的受热分解放出的二氧化碳同时利于阻隔氧气而起到阻燃效果。此外，水滑石层板上含有碱性位，对酸性气体有吸附作用，可以有效地吸收产生的酸雾，而且水滑石在高温热分解所产生的镁铝复合金属氧化物具有较大的比表面积和表面吸附性，对燃烧时产生的烟雾具有较好的吸附性，因此理论上水滑石的特殊结构能够在材料燃烧时表现出优异的阻燃抑烟性能[4–12]。

笔者主要是利用烟密度(Ds)测试箱对一种特殊结构的插层水滑石在纯乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVAC)树脂、无卤线缆料、热塑性弹性体动态硫化橡胶(TPV)阻燃料、聚氯乙烯(PVC)阻燃料、三元乙丙橡胶(EPDM)等材料中的阻燃抑烟性进行研究，探索该插层水滑石在高分子材料中的实际抑烟性能，这些实验结果可为水滑石在改性高分子材料中抑烟性方面应用提供数据支持，对水滑石在阻燃抑烟行业的使用具有指导意义。

1 实验部分

1．1 主要原材料

插层水滑石：插层B／P，北京化工大学；

氢氧化铝：HT-205，山东泰星新材料股份有限公司；

溴锑类阻燃剂1：山东泰星新材料股份有限公司；

溴锑类阻燃剂2：山东泰星新材料股份有限公司；

PVC：PSM–31，上海品塑实业有限公司；

EVAC(VA 含量28%)：日本三井集团；

TPV：山东道恩高分子材料有限公司；

天然橡胶：上海多康实业有限公司；

EPDM：上海多康实业有限公司；

乙烯-辛烯共聚物(POE)接枝料，聚乙烯(PE)(7042)：市售。

1．2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机：HT–30 型，南京橡塑机械厂；

开放式炼胶机：XK–16 型，青岛学青橡胶机械有限公司；

平板硫化机：XLB–D 型，青岛学青橡胶机械有限公司；

烟密度测试箱：NBS 型，莫帝斯燃烧技术(中国)有限公司。

1．3 样品制备

EVAC 样品、无卤线缆样品、TPV 样品的制备：按照一定的配方加入高混机中，启动低速档，3 min后启动高速档，6 min 后出料。混合好的物料经挤出机挤出造粒，经压片机制得一定厚度的样片，利用裁刀按照检测标准制得75 mm×75 mm 的正方形测试样条。

PVC 样品的制备：按照一定的配方在开炼机中开练得到混合均匀的物料，经压片机制得一定厚度的样片，利用裁刀按照检测标准制得75 mm×75 mm 的正方形测试样条。

橡胶样品的制备：按照一定的配方在密炼机中密炼得到初步混合均匀的物料，然后在开炼机上开练得到混合均匀的物料，经压片机制得一定厚度的样片，利用裁刀按照检测标准制得75 mm×75 mm的正方形测试样条。

1．4 性能测试

Ds测试：用NBS 烟密度测试箱按照GB／T 8323–2008 标准进行Ds测试。

2 结果与讨论

2．1 插层水滑石在纯EVAC 树脂中的抑烟性能

表1 是插层水滑石在纯EVAC 树脂中的实验配方表，根据此配方表制备抑烟测试样品，并采用NBS 烟密度测试箱按照 GB／T 8323–2008 进行Ds测试，测试结果如图1 所示。

表1 插层水滑石在纯EVAC 树脂中的配方表

图1 不同水滑石添加量时纯EVAC 树脂Ds

图1 为纯 EVAC 树脂中分别添加 0，1%，3%，5%插层水滑石的EVAC 的Ds曲线图。从图1 可以看出，在纯EVAC 树脂中，随着水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生烟速率也得到了大幅度的下降。当添加量为1%时，开始4 min时的烟密度能够降低76%，最大烟密度(Dsmax)能够降低65%。说明在纯EVAC 树脂中，水滑石在添加量很少的情况下即可起到较好的抑烟效果，水滑石的加入可大大减少EVAC 的发烟量。主要是因为EVAC 受热产生的烟雾主要是热解产物烯烃残片环化聚合所形成的炭粒和燃烧释放的酸性气体以及水蒸气等，水滑石高温分解形成的复合金属氧化物具有高的比表面积，可有效吸附材料释放的酸性烟雾，表现出较好的抑烟性能[13]。然而，材料的抑烟效率并没有随水滑石添加量的增大而显著增大，这是因为水滑石为层状多羟基金属氧化物，由于粒子的表面效应而具有巨大的表面能，极易团聚；同时随着水滑石添加量的提高其团聚的几率增大，所以在添加量差距不大的情况下，在抑烟效率上并没有表现出明显的差别[14]。

2．2 插层水滑石在无卤线缆料中的抑烟性能

表2 是插层水滑石在无卤线缆料中的实验配方表，根据此配方表制备抑烟测试样品，并采用Ds测试箱按照GB／T 8323–2008 标准进行Ds测试，测试结果如图2 所示。

表2 插层水滑石在无卤线缆料中的配方

图2 不同水滑石添加量时无卤线缆料的Ds

图2 为无卤线缆料中分别添加0，1%，3%，5%，10%插层水滑石的无卤线缆料的Ds曲线图。从图中可以看出，在无卤线缆料中，随着水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生烟速率也得到了大幅度的下降。当添加量为1%时，开始4 min 时的烟密度能够降低67%，Dsmax能够降低39%，但是随着水滑石添加量的继续增加，Ds下降不明显。说明在无卤线缆料中，水滑石在添加量很少的情况下即可起到较好的抑烟效果，水滑石的加入可大大减少无卤线缆料的发烟量。另外，从图中也可看出，无卤线缆料在未加水滑石情况下，在测试时间16 min 之后，已检测不到Ds，说明材料已燃烧完，而加入水滑石后，直到测试结束仍然可检测到Ds，说明材料未燃烧完全，二者对比可说明水滑石对无卤线缆料具有一定阻燃效果，可以延缓材料的燃烧速率。孔祥文在其文章中也得出过相近结论[15]。

2．3 插层水滑石在TPV 中的抑烟性能

表3 是插层水滑石在TPV 阻燃料中的实验配方表，根据此配方表制备抑烟测试样品，并采用Ds测试箱按照GB／T 8323–2008 标准进行Ds测试，测试结果如图3 所示。

表3 插层水滑石在TPV 阻燃料中的配方

图3 不同水滑石添加量时TPV 阻燃料的Ds

图3 为TPV 阻燃料中分别添加0，1%，5%插层水滑石的TPV 阻燃料的Ds曲线图。从图中可以看出，在TPV 阻燃料中，随着水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生烟速率也得到了大幅度的下降。当添加量为5%时，开始4 min 时的烟密度能够降低61%，Dsmax能够降低41%左右。说明水滑石在TPV 阻燃料中能起到较好的抑烟效果，添加水滑石于TPV 材料中可大大减少其发烟量，改性料厂家可根据需求添加适当比例的水滑石于配方中作抑烟剂使用。

2．4 插层水滑石在PVC 中的抑烟性能

表4 是插层水滑石在PVC 阻燃料中的实验配方表，根据此配方表制备抑烟测试样品，并采用Ds测试箱按照GB／T 8323–2008 标准进行Ds测试，测试结果如图4 所示。

表4 插层水滑石在PVC 阻燃料中的配方

图4 不同水滑石添加量时PVC 阻燃料Ds

图4 为 PVC 阻燃料中分别添加 0，2，4，6，8 份插层水滑石的PVC 阻燃料的Ds曲线图。从图中可以看出，在PVC 阻燃料中，随着水滑石添加量的增加，材料的Ds逐渐下降。当添加量为8 份时，开始4 min 时的烟密度能够降低21%，Dsmax能够降低22.5%。整体来看，在PVC 阻燃料中，水滑石在添加量较少的情况下，抑烟效果不明显，要想达到较好的抑烟效果，水滑石的添加量要在4 份以上。另外，郑秀婷等发现水滑石在PVC 中的分散性对其应用效果具有显著影响[14]。因此，要想使水滑石充分发挥其抑烟效果，在材料加工过程中需要考虑其在材料中的分散性。

2．5 插层水滑石在天然橡胶中的抑烟性能

表5 为插层水滑石在天然橡胶复合料中的配方及Ds测试数据表，从表5 看出，插层水滑石添加到天然橡胶复合料中材料的Ds没有得到降低，反而有升高的趋势，说明水滑石不适合在天然橡胶复合料中作抑烟剂使用。

表5 插层水滑石在天然橡胶复合料中的配方及性能测试

2．6 插层水滑石在EPDM 中的抑烟性能

表6 是插层水滑石在EPDM 复合料中的实验配方表。

表6 插层水滑石在EPDM 复合料中的配方

根据此配方表制备抑烟测试样品，并采用NBSDs测试箱按照 GB／T 8323–2008 标准进行Ds测试，测试结果如图5 所示。

图5 不同水滑石添加量时EPDM 复合材料的开始4 min Ds 和Ds max

图5 为 EPDM 复合料中分别添加 0，2，4，6，8份插层水滑石的EPDM 复合料的开始4 minDs和Dsmax曲线图。从图中可以看出，在EPDM 复合料中，随着水滑石添加量的增加，材料的Ds逐渐下降。当添加量为8 份时，开始4 min 时的比光密度能够降低28%，Dsmax能够降低7%。说明水滑石加入在EPDM 复合料中能起到抑烟的作用。另外，根据刘义林等人文献报道，水滑石在EPDM 中具有较好的阻燃效果[16]。综合说明水滑石可在EPDM 复合料中作阻燃抑烟剂使用。

3 结论

通过Ds测试，研究了插层水滑石在纯EVAC树脂、无卤线缆料、TPV 阻燃料、PVC 阻燃料、天然橡胶复合料、EPDM 复合料中的抑烟性能。结果表明，插层水滑石添加1%时的EVAC 树脂其Dsmax较纯EVAC 树脂降低了65%，表现出了明显的抑烟效果，但随着水滑石添加量的增大，其抑烟效果提升并不明显；添加1%时的无卤线缆料其Dsmax较其空白对照配方降低了39%；添加5%时的TPV 阻燃料其Dsmax较其空白对照配方降低了41%；添加了8 份的PVC 阻燃料其Dsmax较其空白对照配方降低了22.5%；添加了8 份的EPDM 复合料其Dsmax较其空白对照配方降低了7%；但其在天然橡胶复合材料中未表现出相应的抑烟性能。说明该插层水滑石可在纯EVAC 树脂、无卤线缆料、TPV 阻燃料、PVC 阻燃料、EPDM 复合料中作阻燃抑烟剂使用，但不适合应用于天然橡胶复合材料中。