聚丙烯的增强改性及其阻燃性能研究

摘 要：以聚丙烯为基料，以短切玻璃纤维为增强材料，以多聚磷酸铵为阻燃剂，通过熔融共混加工得到了一种复合材料。探索了不同短切玻璃纤维和多聚磷酸铵用量对复合材料力学和阻燃性能的影响。结果表明，当短切玻璃纤维用量为14质量份、多聚磷酸铵用量为20质量份时，复合材料的拉伸强度可达39.4 MPa、弯曲模量和弯曲强度可达3 512、52.7 MPa，悬臂梁冲击强度可达8.2 kJ·m^-2，并且复合材料的极限氧指数可达29，垂直燃烧可达V-0级别，即复合材料具有良好的强度和阻燃性能。

关 键 词：聚丙烯；增强；短切玻璃纤维；阻燃；多聚磷酸铵

中图分类号：TQ327.6文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）09-1379-05

聚丙烯的用途广泛^[1-2]，在特定的环境中使用的聚丙烯需要具备相应的性能，如阻燃环境中使用的聚丙烯则需要具备较高的强度和良好的阻燃性，一般可以通过改性的方法^[3]在聚丙烯基料中添加一定配比的增强材料和阻燃剂即可达到要求的性能参数。

在聚丙烯增强材料中，短切玻璃纤维^[4]以具有耐热性强、绝缘性好和机械强度高等优点而常被使用；聚丙烯的阻燃剂主要包括无机阻燃剂^[5]、有机磷阻燃剂^[6]、有机卤素阻燃剂^[7]、硅系阻燃剂^[8]和磷氮阻燃剂^[9-10]等，其中磷氮阻燃剂因为其阻燃效率高、环保无毒等优点，在工程塑料方面被广泛应用^[11-12]。磷氮阻燃剂主要通过在燃烧时形成膨胀的碳层^[13]来达到阻燃效果，所以磷氮阻燃剂又被叫作膨胀型阻燃剂^[14-15]。

针对聚丙烯的力学性能增强和阻燃性能的提升进行了实验，选用短切玻璃纤维为增强材料、多聚磷酸铵为阻燃剂，通过配料、挤出造粒、标准样条注塑和性能测试整个过程对二者最佳的用量进行探索，得到最佳实验条件下的力学和阻燃性能参数，为聚丙烯的增强和阻燃相关的应用提供数据参考。

1 实验部分

1.1 原料、加工设备与测试仪器

1.1.1 原料

聚丙烯（中国石油大庆炼化公司）；玻璃纤维（6 mm，河北龙兴玮业玻璃纤维制品有限公司）多聚磷酸铵（99%，河北陌槿生物科技有限公司），抗氧剂1010（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）、抗氧剂168（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）。

1.1.2 加工设备

DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；GHJ型高速混合机（常州市齐宝干燥设备有限公司）；LMEDI-22/40型基础造粒机（广州市零点一度科技有限公司）；MA860G型注塑机（海天塑料机械（广州）有限公司）；SEIMIT-2060型电动缺口制样机（德恩斯仪器科技（无锡）有限公司）；LHS-50CH型恒温恒湿箱（上海鼎科科学仪器有限公司）。

1.1.3 测试仪器

MTS-CMT4503型万能材料实验拉力机（深圳市华奥斯机电科技有限公司）；KRT-W型三点弯曲实验机（昆山科瑞特实验仪器有限公司）；GT-7045-MDL冲击实验机（高铁检测仪器有限公司）；LT-101D型氧指数测定仪（上海理涛自动化科技有限公司）；ZRS-TC型水平垂直燃烧实验机（无锡滕川仪器设备有限公司）。

1.2 样品制备

聚丙烯的增强改性及其阻燃性能研究样品的制备包括配料、挤出造粒和标准样条注塑，整个实验工艺又包括性能测试部分。实验过程工艺流程如图1所示。

1.2.1 配料

以聚丙烯为基料，以玻璃纤维为增强材料，以多聚磷酸铵为阻燃剂，再向其中添加适量的抗氧剂1010和168。

共配制11批粉料，规定将每份配置完成的粉料总质量定为100质量份，每份粉料共1.5 kg，其中0#为清洗挤出造粒机时使用的粉料和注塑前清洗注塑机的粒料配比，1-5#配制仅短切玻璃纤维用量不同，6-10#配制仅多聚磷酸铵用量不同，此外抗氧剂1010和168的固定用量为0.2和0.3质量份。挤出造粒配方如表1所示。

1.2.2 挤出造粒

将上述称取完毕的原料依次放入高速混合机充分混合10 min。在挤出造粒前注意使用0#聚丙烯粉料3 kg对双螺杆挤出机进行清洗，然后再分别对混匀的不同配方的粉料进行挤出造粒，注意每批挤出粒料的前300 g舍弃。

1.2.3 标准样条注塑

在标准样条注塑前同样需要使用0#聚丙烯粒料1 kg进行注塑机清洗。注意更换模具后控制面板上的压力、速度、位置和时间等参数需及时更改。

根据性能测试所需的标准样条尺寸和数量，每批粒料均需要分别使用不同的标准模具进行注塑。具体如下：使用170 mm×10 mm×4 mm标准模具注塑20根哑铃型标准样条，用来进行拉伸性能测试；使用80 mm×10 mm×4 mm标准模具注塑30根长条形标准样条，其中10根用来测试弯曲性能，10根需要在4 h内打出V形缺口来测试冲击性能，另10根用来测试极限氧指数；使用125 mm×13 mm×3.2 mm标准模具注塑10根长条形标准样条，用来进行垂直燃烧性能测试。

需要注意的是，所有注塑后的标准样条均需要在恒温恒湿箱内保持48h后再进行性能测试，恒温恒湿箱设置温度23 ℃，湿度60％。

1.3 性能测试

拉伸性能：复合材料拉伸强度的测试根据GB/T 1040.1的方法，使用注塑的哑铃形拉伸标准样条，设置拉伸速度为50 mm·min^-1，在23 ℃恒温条件下测试。

弯曲性能：复合材料弯曲模量和弯曲强度的测试根据GB/T 9341—2008的方法，使用注塑的长条形标准样条，设置挠度为6 mm、测试速度为2 mm·min^-1，在23 ℃恒温条件下测试。

冲击性能：复合材料悬臂梁冲击强度的测试根据GB/T 1843—2008的方法，使用注塑的长条形标准样条，并在注塑完成4 h内使用缺口制样机打出V形缺口，选用适宜能量的摆锤，在23 ℃恒温条件下测试。

极限氧指数：复合材料极限氧指数的测试根据GB/T 2406.2—2009的方法，使用注塑的长条形标准样条，通过观察其燃烧特性，在不同氧浓度下进行一系列实验，估算最低的氧浓度即极限氧指数。实验在23 ℃恒温条件下进行。通常极限氧指数小于22为易燃、22～27为可燃、大于27为难燃。

垂直燃烧：复合材料垂直燃烧的测试根据GB/T 2408—2021的方法，使用注塑的长条形标准样条，通过测量其燃烧的余焰和余晖时间、范围和颗粒滴落情况来评价燃烧行为。通常材料的垂直燃烧可分为V-0、V-1和V-2级。垂直燃烧级别指标如表2所示。

2 结果与讨论

2.1 短切玻璃纤维用量对复合材料综合性能的影响

2.1.1 短切玻璃纤维用量对复合材料拉伸性能的影响

不同短切玻璃纤维用量对复合材料拉伸强度的影响见图2。在其他条件相同时，只改变短切玻璃纤维用量，发现短切玻璃纤维用量在8～14质量份时，复合材料的拉伸强度随短切玻璃纤维用量增加而逐渐增加，最高可达到39.4 MPa，当用量为16质量份时拉伸强度降低。这是因为一定范围内适量的短切玻璃纤维对复合材料有增强的作用，但用量超过一定范围强度降低，是因为过量的短切玻璃纤维与聚丙烯基体发生部分相分离，所以拉伸强度下降。综上，当短切玻璃纤维用量为14质量份时拉伸性能最佳。

2.1.2 短切玻璃纤维用量对复合材料弯曲性能的影响

不同短切玻璃纤维用量对复合材料弯曲性能的影响见图3。在其他条件相同时，只改变短切玻璃纤维用量，发现短切玻璃纤维用量在8～14Dzu6iPpaZvO6IgTyEkKu3yDtTpjuvYibQZNqDdU3iC0=质量份时弯曲模量和弯曲强度均逐渐上升，说明此范围增加短切玻璃纤维用量可以增加复合材料的刚性；继续增加短切玻璃纤维的用量到16质量份，发现弯曲模量和弯曲强度大幅度下降，是因为此时短切玻璃纤维因为用量过多而一部分无法很好地与聚丙烯基体相融，导致弯曲性能测试时受到影响。综上，当短切玻璃纤维总量为14质量份时弯曲性能最佳。

2.1.3 短切玻璃纤维用量对复合材料冲击性能的影响

不同短切玻璃纤维用量对复合材料冲击性能的影响见图4。在其他条件相同时，只改变短切玻璃纤维用量，发现随短切玻璃纤维用量的增加，复合材料冲击强度呈先上升后下降的趋势。产生此现象的原因是，当短切玻璃纤维用量在合适范围内，短切玻璃纤维会对复合材料起到增强的作用，所以冲击强度会上升；但是当短切玻璃纤维用量超过14质量份时冲击强度小幅度下降，这是因为过多的短切玻璃纤维在聚丙烯基料中混合不均匀或者相分离导致强度降低，表现为冲击强度下降。综上，当短切玻璃纤维用量为14质量份时冲击性能最佳。

2.1.4 短切玻璃纤维用量对复合材料极限氧指数的影响

图5为不同短切玻璃纤维用量对复合材料极限氧指数的影响图。

在其他条件都相同时，只改变短切玻璃纤维用量，发现复合材料的极限氧指数一直随短切玻璃纤维的用量的增加而升高，这是因为短切玻璃纤维在复合材料中不仅有增强力学性能的作用，还有阻燃的作用，其阻燃性与用量正相关，即用量越多阻燃性能越好，表现为极限氧指数的增加。同时协同使用阻燃剂多聚磷酸铵，会得到一种既力学性能得到增强、又提高阻燃性的复合材料。又因为极限氧指数小于22为易燃、22-27为可燃、大于27为难燃，当短切玻璃纤维用量为12质量份时的极限氧指数为26，阻燃性能不理想；当短切玻璃纤维用量大于14质量份时的极限氧指数最低为29，阻燃性能良好。

2.1.5 短切玻璃纤维用量对复合材料垂直燃烧性能的影响

表3为不同短切玻璃纤维用量对复合材料垂直燃烧性能的影响。根据国标所述的详细实验方法，发现只有短切玻璃纤维的用量为8质量份时，垂直燃烧时会发生熔融滴落，垂直燃烧级别仅为V-2级；当短切玻璃纤维用量大于等于10质量份时，不再发生滴落；当短切玻璃纤维用量为10-12质量份时复合材料垂直燃烧等级为V-1级；当短切玻璃纤维用量为14和16质量份时的复合材料符合V-0级别。

2.2 多聚磷酸铵用量对复合材料综合性能的影响

已经根据1-5#实验得到了最佳的短切玻璃纤维的用量为14质量份，且具有最佳的综合性能，接着以此参数设置的6-10#实验将考察最佳多聚磷酸铵的用量。不同多聚磷酸铵用量对复合材料综合性能的影响见表4。

根据表4列出的不同多聚磷酸铵用量的复合材料的力学和阻燃性能数据，可见：拉伸强度、弯曲模量、弯曲强度冲击强度和极限氧指数均随多聚磷酸铵的用量的增加呈先增加后降低的趋势，当添加量为20质量份时具有最佳性能数据。另外垂直燃烧当多聚磷酸铵用量为20和24质量份时达到V-0级别，其他均为V-1级别，说明当短切玻璃纤维用量一定时，过多或过少使用多聚磷酸铵阻燃剂达到的垂直燃烧性能均不理想。

当短玻璃纤维用量为14质量份、多聚磷酸铵用量为20质量份时，复合材料的力学强度和阻燃性能均可达到较为理想的状态。

3 结论

以聚丙烯为基料，以短切玻璃纤维为增强材料，以多聚磷酸铵为阻燃剂，通过熔融共混合加工，得到了一种复合材料。探索了不同短切玻璃纤维和多聚磷酸铵用量对复合材料力学和阻燃性能的影响。

结果显示，当短切璃纤维用量为14质量份、多聚磷酸铵用量为20质量份时，复合材料具有最佳的力学强度和阻燃性能，其中拉伸强度可达到39.4 MPa、弯曲模量和弯曲强度可达到3 512 MPa和52.7 MPa，悬臂梁冲击强度可达到8.2 kJ·m^-2，并且复合材料的极限氧指数可达到29，垂直燃烧可达到V-0级别。

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Study onEnhancement Modification and Flame

Retardancyof Polypropylene

CHEN Jieqin

（Guangdong TianxiongNew MaterialTechnology Co.，Ltd.， Foshan Guangdong 528000， China）

Abstract：Usingpolypropylene as the base material， short cut glass fiber as the reinforcing material， and ammonium polyphosphate as the flame retardant，a composite materialwas obtainedthrough melt blending processing. The effects of different amounts of short cut glass fibers and ammonium polyphosphate on the mechanical and flame retardant of composite materialswere investigated. The results showedthat when the amount of short cut glass fiber was14 parts by mass and the amount of ammonium polyphosphate was20 parts by mass， the tensile strength of the composite material couldreach 39.4 MPa， the bending modulus and bending strength couldreach 3512 MPa and 52.7 MPa， the impact strength of the cantilever beam couldreach 8.2 kJ·m^-2， and the ultimate oxygen index of the composite material couldreach 29 and the vertical combustion couldreach the V-0 level， indicating that the composite material has good strength and flame retardancy.

Key words：Polypropylene; Enhancement; Short cut glass fiber;Flame retardant;Ammonium polyphosphate