阻燃改性木粉/聚苯乙烯复合装饰材料的性能

2020-10-29胡静

科学技术与工程 2020年25期

胡静

(中原工学院信息商务学院建筑工程系，郑州 451191)

木塑复合材料(WPC)是由木材和热塑性塑料或热固性塑料复合而成的一种新型环保材料[1]。木塑复合材料具有实用性高、可降解、无污染、成本低等优点。与天然木材或传统木塑复合材料(如刨花板或纤维板)相比，WPC的发展历程虽然较短，却已迅速应用到各种工业领域，如建筑、室内装饰、门窗、地板和汽车内饰。木塑复合材料由不同类型的天然纤维和热塑性塑料复合而成，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)。因聚烯烃基塑料具有循环可再生的优势，其广泛用于包括包装在内的各个领域。Zhao等[2]及Wang等[3]研究表明，发泡木塑复合材料是制备低密度、高力学性能木塑复合材料的有效基质。构成木塑复合材料的木粉和塑料极限氧指数(LOI)低于21都是可燃物[4]，复合材料的应用受限于阻燃性能。因此，提高复合材料的阻燃性对于制备符合使用要求的木塑复合材料至关重要。

目前，适用于木塑复合材料的阻燃剂形式各样。其中，非卤系阻燃剂、含磷化合物由于其产生非常少的烟雾和有毒气体而成为常用的阻燃剂[5-6]。它们通过形成难以点燃的焦炭在凝聚相中起着非常好的阻燃效果，焦炭可以抑制气态产物扩散到热解区并保护聚合物表面免受热和空气的影响，起到延缓材料燃烧的作用[5-8]。属于此类阻燃剂的聚磷酸铵(APP)是当前WPC阻燃研究的热点。APP具有热稳定性能好、无毒抑烟、阻燃性能高、能与其他物质协效等优点[9]。Zhao等[10]、Lim等[11]、Sain等[12]研究了聚磷酸铵(ammonium polyphosphate, APP)对天然纤维阻燃性的影响，发现APP比其他磷化合物如磷酸三丁酯、磷酸三烯丙酯或三烯丙基磷酰三胺更安全、便宜，且更能有效地改善天然纤维的塑料极限氧指数(limiting oxygen index, LOI)。李斌等[13]发现5wt%APP含量的黄麻纤维和椰子纤维具有最优的线性燃烧率。Hristov等[14]研究了硼和磷酸盐化合物对木粉-PP复合材料防火性能的影响，锥形量热仪测试的热释放率表明磷酸盐处理比硼处理的复合材料具有更好的阻燃性能。因此，APP对提高WPC的阻燃性效果更明显。

近年来，APP改性WPC是当前木塑复合材料阻燃性研究的热点[15]。但是目前关于APP阻燃剂改性木纤维/PS复合材料的相关研究较少，现通过将APP加入到PS基木塑复合材料中，对比研究阻燃剂对木粉/聚苯乙烯复合材料的阻燃性能、热降解性能、热稳定性以及力学性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料

PS原料采用食品、电子产品和家用电器的包装材料，购自惠州信仁新材料股份有限公司。木粉购自日照森洋木粉制造有限公司，木粉平均粒径大小为100～300 μm。聚磷酸铵(纯度98%)购自天津化学试剂一厂。通过锥形同向旋转双螺杆挤出机(Labtech LTE 20-40)挤塑和注塑生产样品。

1.2 样品制备

制备样品前，将PS于110 ℃的烘箱中预热15 min，在旋转刀磨机中研磨成薄片，粒度范围为5～15 mm。将木粉在烘箱105 ℃干燥24 h直至恒重。用PS薄片、APP(含量分别为0、5wt%、10wt%、15wt%、20wt%)和20wt%的木粉制备样品。将混合物混匀，在锥形同向旋转双螺杆挤出机中170～200 ℃下加工样品。注塑机在160～190 ℃的机筒温度和(40±2) ℃的模具温度下进行试样生产。

1.3 性能测试

按照GB/T 2406.2—2009使用氧指数仪测定复合材料的塑料极限氧指数(LOI)；使用岛津TGA-50热重分析仪研究木粉/PS复合材料的热降解性能。样品在氮气气氛、气流流速为20 mL/min时，从室温升到700 ℃，升温速度为20 ℃/min。在600 ℃下测得残炭率。

通过Bruker Tensor 27光谱仪获得LOI测试后所有样品的衰减全反射红外(FTIR-ATR)光谱。

按照GB/T 1040—2006和GB/T 9341—2006，使用万能材料试验机分别测定木塑复合材料的拉伸强度和弯曲强度。

2 结果与讨论

2.1 热降解性能分析

通过热重分析(TGA)研究木粉/PS复合材料的热稳定性，结果如表1所示，可知木粉/PS复合材料重量损失5%时的温度(T5%)。起始分解温度为264.2 ℃，而用APP(5wt%～20wt%)改性的木粉/PS复合材料的T5%=297.5～304.7 ℃。这是因为木塑复合材料在扫描温度下阻燃剂分解，在PS基质和木粉降解之前，APP倾向于从样品中释放出来。

表1 实验样品的热重特征数据

2.2 阻燃性

图1 不同APP含量下木塑复合材料的LOIFig.1 LOI value of WPC with different APP contents

LOI是用作评估火灾自熄、确定聚合物材料阻燃性能的简单而精确的方法。材料的LOI越大，阻燃性能越高。空气的氧组成为21vol%，LOI小于21的材料容易在空气中燃烧；LOI在21vol%～27.9vol%为缓燃材料；大于27.9vol%为自熄材料。图1给出了不同含量的APP对改性木粉/PS复合材料的LOI数值影响。由图1可以看出未经改性的APP木粉/PS复合材料易燃烧，其LOI仅为18，这是由于PS和木粉都是易燃材料。当这些样品用5wt%～20wt%的APP改性时，木粉/PS复合材料的LOI从19.5增加到24.3。这表明，添加阻燃剂后，LOI随着APP阻燃剂的用量增加而提高，材料燃烧耗氧量提高，材料的阻燃性能提高。但是，对比APP含量为0、15wt%、20wt%的样品，LOI随APP添加量的增加而提高，当APP添加量为15wt%时，LOI比未添加APP组分的样品提高了28vol%，阻燃效果显著，再提高阻燃剂含量，氧指数变化不显著。这一结果也与样品的TGA特征曲线中发现的残炭率一致。由图1可知，残炭量随着APP含量的增加而增加。燃烧过程中阻燃剂形成的焦炭起到保护层的作用，从而防止氧扩散到样品表面。这一结果也与用APP改性的聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)木塑复合材料的结果一致。

2.3 残炭衰减全反射红外光谱分析

图2 APP改性木粉/PS复合材料残炭的ATR光谱Fig.2 ATR spectrum of carbon residue in APP modified WF/PS composites

2.4 木粉/PS复合材料的力学性能

表2为用不同含量APP改性的木粉/PS复合材料的弯曲性能。由表2可知，与没有添加APP的样本对比，随着APP含量的增加，相应复合材料的抗弯强度和拉伸强度都明显下降。分析可知，APP添加含量为20wt%时，抗弯强度由71.3 MPa降低到54.2 MPa, 降低了24%; 拉伸强度从35.5 MPa降低到24.8 MPa, 降低了30%。在APP改性木粉-PP复合材料中也存在相同现象，这可能是因为APP是高极性聚合物，添加到木粉和聚苯乙烯体系中，降低了基体之间的相容性，使纤维表面与聚合物基质之间的界面相容性较差，木粉和PS基质不能很好的结合，从而使加入APP后木塑复合材料的力学性能有所下降。

表2 APP改性木塑复合材料的抗弯强度

2.5 扫描电镜分析

图3为添加15wt%APP的阻燃改性木粉/聚苯乙烯复合材料断层的电镜扫描图。由断口SEM图显示，木粉和PS混合均匀，复合材料没有出现孔隙和裂纹等缺陷；材料断裂时木粉纤维可以从聚苯乙烯基体中拔出，造成APP改性木粉/聚苯乙烯复合材料的力学性能降低，这可能是APP在木塑复合材料中分散性和相容性较差引起的。