聚氯乙烯阻燃面料的制备与性能研究

2022-03-29张世锋张志刚

河南科技 2022年4期

张世锋　张志刚

摘要：在制备聚氯乙烯（PVC）阻燃材料时，运用铝镁系阻燃剂以及硅微粉作为添加剂，并对制备的阻燃材料的性能进行研究。分析结果表明，当氢氧化镁（FM）的质量分数为10%，即阻燃劑含量为10%时，与纯PVC面料相比，燃烧时间、氧气指数和烟密度分别提升了86%、40%与49%。同时，相比于纯PVC面料，其热扩散系数和热导率分别提高了166%和193%。当硅微粉（SF）的质量分数为20%时，加入SF和FM的PVC的热扩散系数相较于未加入阻燃剂时提升了166%，加入SF和氢氧化铝（FA）的PVC的热扩散系数为0.48，相较于未加入阻燃剂时提升了135%，效果明显。

关键词：聚氯乙烯复合阻燃面料;阻燃剂;性能研究;效果分析

中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2022）4-0108-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.024

Preparation and Properties of Flame Retardant PVC Fabric

ZHANG Shifeng ZHANG Zhigang

（Henan Yilong Industrial Co.， Ltd.， Jiaozuo 454850，China）

Abstract： Aluminum magnesium flame retardant and silicon powder were used as additives in the preparation of PVC flame retardant materials， and properties the prepared flame retardant materials were studied. The results show that when the mass fraction of magnesium hydroxide （FM ） is 10%， that is， the content of flame retardant is 10%， the combustion time， oxygen index and smoke density are increased by 86%， 40% and 49% respectively compared with pure PVC fabric. At the same time， compared with pure PVC fabric， its thermal diffusion coefficient and thermal conductivity increased by 167% and 193% respectively. When the mass fraction of SF is 20%， the thermal diffusion coefficient of PVC with SF and FM is 166% higher than that without flame retardant， and the thermal diffusion coefficient of PVC with SF and FA is 0.48， 135% higher than that without flame retardant.

Keywords：PVC composite flame retardant fabric; flame retardants;performance research; effect analysis

1 聚氯乙烯的研究现状及性能

聚氯乙烯（PVC）塑料是一种常见的热塑性塑料，通常具有较好的耐化学腐蚀性能，由于其拥有较高的性价比被大面积使用，常用于包装、电缆、皮革等生活与工业领域。但是在传热性能、阻燃性能方面，聚氯乙烯塑料仍具有一定的缺陷，需要对其进行相应的改进[1-2]。

聚氯乙烯在应用过程中会产生热不稳定性的问题，是因为自由基在聚合过程中会产生弱结构和异构体[3]。普通聚氯乙烯树脂的热降解包括一系列类似于氯化氢气体的损失和序列的形成，由此引发了较大的争议。有一些学者认为，引发降解的是一些不规则结构的聚合物，在试验过程中夹杂在空气中产生的湿气等导致了聚氯乙烯在初始阶段的不稳定性。有些学者则认为，聚氯乙烯本身的立构规整性的变化才是不稳定性的起因，特别是异同结构中的三联体结构。尽管已经有不少关于聚氯乙烯结构与不稳定性之间的研究，但是目前整个化学界仍然对该问题没有确切的回答[4-5]。降解过程是一个复杂的过程，经历了链的增长、终止和断裂，所以需要研究其复杂性，以及一些过程存在的可逆性。

聚氯乙烯面料具有耐热性、耐磨性、电绝缘性等优异的物理性能，并且能够长久使用、力学性能好。同时，还具有多样性的特点，能够通过添加增塑剂等制造出硬度不同、色彩不同的制品，用途广泛。另外，还可以回收再利用，碳排放量较少，生产过程中的能耗是通用树脂里相对较低的。但是，由于聚氯乙烯分子中存在碳元素、氯元素等，因而燃烧时会释放氯化氢、一氧化碳和苯等物质，具有自熄功能[6]。因此，PVC具有两个缺点：热不稳定性和脆性，限制了聚氯乙烯的发展。在光照或者受热的条件下，聚氯乙烯材料在80 ℃能够软化，当温度到达100 ℃能发生降解，同时颜色也逐渐由白色变到褐色再变成黑色，影响制品的外观。而硬质PVC材料的脆性也大，温度降低会导致脆性增大，影响使用[7]。为了改变聚氯乙烯分子的性质，可以加入增塑剂、润滑剂和填充剂等其他聚合物。

增强阻燃性能的有效办法有多种，其中包括在材料中增加阻燃剂。而常见的阻燃剂有铝镁系、氮系、磷系等，其中铝镁阻燃剂价格合理，并在试验过程中具有安全性，能控制生烟的速度，受到研究人员的重视。为了改善聚氯乙烯的阻燃性能，本试验将选择硅微粉和铝镁阻燃剂作为阻燃剂，分别对改进后的聚氯乙烯进行阻燃性能、热力学性能和力学性能的表征。

2 试验

2.1 试验原料

聚氯乙烯、偏苯三酸三辛酯（TOTM）、硅烷偶联剂、无水乙醇、氢氧化镁、氢氧化铝、硅微粉。

2.2 試验仪器

真空干燥箱，滨州博远科技有限公司;循环水式多用真空泵，SEB-II，深圳市恒泰仪器有限公司;双辊开炼机、模板硫化机，东莞炼胶机厂;导热系数仪，DR169A，张家港市锦冠机械有限公司;差示扫描量热分析仪、热失重仪，美国TA公司;电子万能试验机，CTM2050，上海宏德仪器设备有限公司;邵氏硬度测试仪，HR-150C，东莞市铭涛仪器设备有限公司;热机械分析仪，TMA/SDTA 2，莱州得川实验仪器有限公司;场发射扫描电镜（SEM），美国FEI公司;垂直水平燃烧仪，MT8909，上海梅特勒仪器有限公司;氧指数仪，MU3081，上海试验仪器厂;塑料烟密度试验机，MD-1，上海牟景实业有限公司。

2.3 样品制备

改性阻燃剂制备。放置于100 ℃真空干燥箱中干燥4 h，将阻燃剂和硅烷偶联剂以质量比95∶5混合均匀，加入一定量的硅微粉，混合均匀后将其放置在恒温的条件下4 h，完全干燥后用密封袋在干燥箱中备用保存。表1为PVC 阻燃面料的制备配方比。

3 试验结果

3.1 聚氯乙烯复合阻燃剂的阻燃性能

增强试验是在聚氯乙烯面料中分别加入硅微粉和铝镁系阻燃剂，通过熔融状态共混可以得到对应的PVC阻燃面料，表2体现的是PVC的阻燃性能。

由表2的数据分析得到，纯聚氯乙烯面料的两次燃烧时间相加为22 s，阻燃级别、氧指数、烟密度分别是V-1、22.7%与96 R/min，可以看出面料的阻燃级别较低，烟的密度也比较大，燃烧时间过长。而加入硅微粉后，阻燃级别不变，燃烧时间基本不变，虽然烟密度和氧指数有下降，但是只能说明只加入硅微粉对聚氯乙烯面料的阻燃性能影响较小。

当聚氯乙烯面料加入10%的FM和FA阻燃剂时，从表2中可出燃烧时间分别从22 s降到11 s和9 s，氧指数分别从22.7%增加到29.1%和29.6%。通过这些数值变化可以得知加入10%的FM和FA阻燃剂对聚氯乙烯的阻燃性能的提高效果明显。而当铝镁阻燃剂的含量调至20%时，由表2可见，燃烧时间分别为10 s和7 s，阻燃级别已经升至V-0，两次燃烧时间已经分别压缩至3 s与5 s，与未添加任何阻燃剂的聚氯乙烯纯材料相比，分别下降了86%与78%，氧指数较纯聚氯乙烯材料分别增加了41%与37%，可见对阻燃材料的性能改善效果非常明显。

纯聚氯乙烯面料在燃烧时产生的黑烟对人体会产生巨大的伤害，因此聚氯乙烯材料不仅要有阻燃功能，也要有相应的低烟密度。由表2可以看出，通过加入硅微粉和铝镁系阻燃剂，聚氯乙烯的阻燃面料的烟密度大大降低，分别为49 R/min和57 R/min，相比于纯聚氯乙烯材料的烟密度分别降低了48%与40%。

由以上分析可知，加入铝镁系阻燃剂可以大幅度提高PVC材料的阻燃性、降低其烟密度，同时，当共同加入硅微粉与铝镁系阻燃剂时，将会对烟密度有较大的改善。

3.2 聚氯乙烯复合阻燃材料的热扩散系数

在阻燃面料完全受热时，若热扩散系数越大，则表明热量的传递与扩散速度越快，从而能改善面料的阻燃性能。本试验对复合阻燃材料进行了热扩散系数的测试，图1是PVC复合阻燃材料的测试结果。

由图1可以看出，若未添加硅微粉SF，聚氯乙烯的热扩散系数在0.2 mm·s以下，而当SF的质量分数增加时，聚氯乙烯的热扩散系数逐渐增大。当SF的质量分数低于10%时，两种复合阻燃材料的热扩散系数相差不大，随着SF的质量分数逐渐增大，两种面料的热扩散系数差别变大，加入FM阻燃剂的热扩散系数显著高于加入FA的阻燃剂的热扩散系数。

而当SF的质量分数达到20%时，聚氯乙烯复合阻燃材料的热扩散系数分别达到了最大值，为0.48 mm²·s和0.40 mm²·s，相比于未添加任何阻燃剂时提升了166%和135%。这是因为当SF的质量分数较低时，分散在聚氯乙烯面料中的SF还没有形成良好的热传导网络，而随着含量的增加，热传导网链逐渐形成，加速面料的热量扩散。

3.3 聚氯乙烯复合阻燃面料的热传导率

图2为聚氯乙烯热传导率随SF的质量分数变化的关系图。从图2可以看出，SF的质量分数与热传导率呈正相关关系。在未添加SF时，PVC/FM与PVC/FA的热传导率分别是0.27 W/（m·K）和0.25 W/（m·K），当SF的质量分数逐渐增加时，聚氯乙烯面料的热传导率也逐渐上升。当加入10%的SF时，两者的热传导率分别增加至0.48 W/（m·K）与0.4 W/（m·K），与未加入SF时相比提高了74%和70%。对比图2中两条曲线可以看出，加入FM的面料热传导率比加入FA的更大，原因是FM本身的热传导率更强。而从变化趋势来看，在SF质量分数小于10%时，热传导率的上升速度较慢，原因是SF的质量分数较小时，还没有在面料上形成热导的网络，热导率相对较小，而随着质量分数的逐步增加，导热链就会逐渐完成并形成较小的热阻。

3.4 聚氯乙烯复合阻燃面料力学测试

由前文可知，添加FM阻燃剂比添加FA在抑烟性能、阻燃性能、热扩散系数以及导热性能方面均表现优秀，因此，可以推知FM阻燃剂形成的复合材料在各方面比FA形成的复合材料表现优秀。

对聚氯乙烯复合阻燃面料的力学性能进行测试。通过测试结果可以发现，当SF的含量逐渐增加时，聚氯乙烯阻燃面料的拉伸强度逐渐降低。这是由于添加剂与聚氯乙烯面料分子之间的缠绕降低了其间的相互作用，另一方面是阻燃剂与聚氯乙烯分子的相容性不好，会产生较多的小洞，当受到外力影响时无法有效地传递力量。在未添加SF时，聚氯乙烯阻燃面料的拉伸强度和断裂生长率分别达到了19 kPa和31.9%;而当SF的质量分数为10%时，拉伸强度和断裂生长率分别降低到18 kPa和257%，相较于未添加SF时分别降低了6%和19%。结果表明，添加SF有利增强聚氯乙烯复合阻燃面料的硬度，虽然聚氯乙烯阻燃面料的拉伸强度和断裂生长率都降低了，而当SF质量分数为20%时，聚氯乙烯阻燃面料的硬度增加了6%。由此可以看出，聚氯乙烯阻燃面料有最佳性能时，SF的质量分数为10%。

3.5 聚氯乙烯复合阻燃面料的DMA分析

由图3得知，试样3和试样6分别在55.5 ℃和62 ℃开始玻璃化，加入SF之后，由于分子链发生活动的温度较高，但是两者相差不多，仅相差6.9 ℃，足以表明加入SF对于聚氯乙烯分子链的柔性改动较小。

4 结语

从上文可以得出以下几个结论。

①在纯净的聚氯乙烯面料中只加入阻燃剂，且级别为V-1时，对于面料的燃烧时间、氧指数、烟密度影响不大，仅仅下降了一点，对于面料的阻燃性能效果也一般。当同时加入SF和铝镁系阻燃剂时，PVC的燃烧时间缩短、氧指数变高、阻燃级别也变高，对于PVC复合阻燃面料的改善效果是较好的。

②在热扩散系数和热导率方面，两种改性剂都对PVC阻燃面料的改善很明显。

③在热稳定性方面，添加SF有利于聚氯乙烯阻燃面料的碳化，形成的东西也更加紧密，孔洞率小，這对阻燃性能和阻燃效果有利。

④DMA的测试结果表明，当加入SF之后，聚氯乙烯面料的分子链运动速率的温度与单加入FM的聚氯乙烯阻燃面料的差别不大，结果表明两种改性剂其实对聚氯乙烯阻燃面料的分子链柔性处于影响力较小的状态。

参考文献：

[1] 赵新新.聚氯乙烯阻燃面料的制备及性能研究[J].塑料科技，2021，49（7）：12-16.

[2] 权开玉.聚氯乙烯行业的生产现状及发展趋势[J].橡塑技术与装备，2018，44（24）：32-39.

[3] 任浩华，王帅，王芳杰，等.PVC热解过程中HCl的生成及其影响因素[J].中国环境科学，2015，35（8）：2460-2469.