PE-RT/PP/氫氧化鎂微粉復合材料的研究

劉啟明,劉勇旭,李良波,孟平蕊

(1.濟南大學化學化工學院,山東濟南250022;2.山東省建設科技中心,山東濟南250001)

0 前言

近年來耐熱聚乙烯(PE-RT)因其耐熱和韌性,以及可以焊接、熱熔等特點,已廣泛應用于建筑采暖和熱水供應的工程中[1]。PE-RT是乙烯和辛烯共聚物,屬于中密度聚乙烯。材料在保留PE良好的柔韌性的條件下,提高了耐熱性能,且屬于非交聯制品。與交聯材料比較,除了熱熔焊接,材料還具有可以回收利用等優勢。但是與聚丙烯材料相比,在一定溫度條件下的拉伸強度不足,一般只在低溫、低壓的熱水體系中使用,如低溫地板輻射采暖等。對于承受較高內壓的暖氣片散熱采暖體系,則PE-RT材料的管道不宜選用。另外,用于暖氣片散熱的塑料輸送管道,有很大部分需要明敷安裝,存在燃燒風險。由于普通塑料管道的易燃性,明敷管道需要進行材料的阻燃改性,提高耐燃級別,降低燃燒風險。

氫氧化鎂微細粉具有良好的阻燃性能。由于分解溫度較高,適合于加工溫度較高的聚丙烯和耐熱型的共聚乙烯材料的阻燃改性[2]。

本研究在材料內共混了超細微粉的氫氧化鎂阻燃劑,提高了材料的阻燃性能,可以達到建筑內部裝飾裝修阻燃塑料材料的要求[3]。氫氧化鎂屬于無鹵阻燃劑。其阻燃機理是放出水蒸氣,驅散助燃氣體和有毒煙霧,降低溫度,燃燒本身不會釋放有毒成分。與其他阻燃劑比較,更有利于人身安全。雖然氫氧化鎂粉體能夠提高材料的阻燃性能,但是會影響材料強度。研究中使用了經過一定含量的硅烷處理的納米氫氧化鎂微粉,能夠達到與聚合物更好地分散和互容,能夠抑制團聚的發生,有利于該共混材料的機械性能。

1 實驗部分

1.1 實驗用原料

耐熱聚乙烯PE-RT粒料,韓國生產;聚丙烯粉料PP,燕化4220;抗氧劑168,1010,德國產;微粉Mg(OH)2,平均粒徑小于3μm,實驗室采用鹵水-氨沉淀法制備工藝;硅烷偶聯劑A-172,美國產。

1.2 實驗流程

(1)改性粒料的制備

(2)復合材料的制備

(3)管材制造

1.3 性能測試

拉伸強度按照 GB 1040-92,在萬能材料試驗機上進行,拉伸速率為25 mm/min;

氧指數按照 GB/T 2406-93,在 HC-2氧指數測定儀上測定;

使用本生燈燃燒材料試樣,觀察發煙狀況。

管材的液壓試驗按照 GB 6111-2003,在塑料管道液壓試驗儀上進行。

2 結果與討論

2.1 PP與材料體系力學性能的關系

在PE-RT與Mg(OH)2微粉及PP共混體系,在一定質量分數的Mg(OH)2條件下,改變體系中PP的質量分數,得到共混體系的機械性能,如表1所示。

表1 PP與材料機械性能的關系Tab.1 Effect of PP on material’s mechanical properties

由表1可見:材料的拉伸強度隨著PP的質量分數提高而上升。當達到20%時,材料的拉伸強度達到36 MPa,比不含PP的提高了25%以上。但隨著PP的加入,斷裂伸長率呈明顯的下降,材料的柔韌性降低。

2.2 Mg(OH)2微粉與材料體系機械性能的關系

在一定質量分數的聚丙烯的共混體系,使用不同質量分數的氫氧化鎂微粉,測試材料的機械性能,結果如圖1,2所示。結果表明:材料的拉伸強度和斷裂伸長率隨著氫氧化鎂的質量分數升高,都呈明顯下降的趨勢。氫氧化鎂微粉會導致材料的機械性能降低。

按照一定的份數,使用少量的硅烷偶聯劑對氫氧化鎂的表面進行改性,仍舊按原來的質量分數加入到共混復合材料體系中,檢測其不同氫氧化鎂的質量分數的材料機械性能,即:材料的拉伸強度和斷裂伸長率,其結果如圖1,2所示。

圖1 拉伸強度與氫氧化鎂的關系Fig.1 The relationship between Mg(OH)2and tensile strength

圖2 斷裂伸長率與氫氧化鎂的關系Fig.2 The relationship between Mg(OH)2and elongation at break

圖1、2可知:材料的機械性能仍舊隨著氫氧化鎂的質量分數增加呈下降趨勢,但是下降的幅度與沒有表面改性的氫氧化鎂微粉的明顯降低。硅烷表面改性的氫氧化鎂,對于改善該復合體系的機械性能是有效的。

2.3 Mg(OH)2微粉與材料阻燃性能的關系

在一定質量分數的聚丙烯的PE-RT與氫氧化鎂微粉及PP共混復合體系中,使用不同質量分數的氫氧化鎂微粉,測試其復合體系的氧指數和煙霧產生量,結果見表2。超微細氫氧化鎂的質量分數增加可以有效提高材料的氧指數,也有效地減少了煙霧的量。微細氫氧化鎂粉體有效提高了材料的阻燃性能。當其質量分數達到32%時,其氧指數可以達到28,滿足GB 50222-95建筑內部裝修設計防火規范關于B2級的氧指數大于等于27的要求。

表2 氫氧化鎂與材料阻燃性的關系Tab.2 Effect of Mg(OH)2on burn-resisiance

2.4 管材的內壓試驗

使用該復合材料在擠出機中擠出成型管材。所制管材壁厚度2 mm,外部直徑25 mm。在塑料管道水壓試驗儀中,對其進行了水壓試驗:管道內外水溫度為25°C,連續穩定水壓3.0 MPa承載6 h,結果管材無破裂和明顯變形,符合液壓試驗標準要求。

按照標準 GB 6111-2003計算環應力:δ= P(D-e)/2e。其中:δ表示環應力,P表示試驗壓力,D表示外部直徑,e表示管材最小壁厚。計算結果為環應力18 MPa,其常溫條件下的耐壓性能優異。

3 結論

使用耐熱聚乙烯、聚丙烯、氫氧化鎂微粉三元復合可以制得具有一定阻燃性能、拉伸性能、斷裂伸長率的復合共混材料。材料的拉伸性能隨著PP的質量分數增加而上升,斷裂伸長率則有所下降;氫氧化鎂微粉對于阻燃性能的改善顯著,在氫氧化鎂的質量分數為32%時,氧指數達到了28。該共混復合材料可以擠出成型,所制管材承受液壓載荷的環應力達到18 MPa。

[1] 張成武.耐熱聚乙烯(PE-RT)管材[J],塑料,2003,32(3): 78-83.

[2] 李良波,孟平蕊,解竹柏,等,超微細Mg(OH)2復合阻燃改性PP2R的研究[J],工程塑料應用,2004,32(7):12-14.

[3] GB 50222-95.《建筑內部裝修設計防火規范》[S].