Nano-MH協效阻燃LDPE體系的性能研究

張青莉 趙慧慧 董 兵 余洪玲 錢葉繼

(安徽省皖北煤電集團有限責任公司含山恒泰非金屬材料分公司 安徽 巢湖 2381711)

Nano-MH協效阻燃LDPE體系的性能研究

張青莉 趙慧慧 董 兵 余洪玲 錢葉繼

(安徽省皖北煤電集團有限責任公司含山恒泰非金屬材料分公司 安徽 巢湖 2381711)

采用低密度聚乙烯作為基體樹脂，考查了不同偶聯劑和處理方法對包覆效果的影響，獲得了納米氫氧化鎂表面處理的最優工藝。此外，研究了微膠囊紅磷阻燃協效劑對氫氧化鎂的協效阻燃作用，確定了微膠囊紅磷協效作用的最佳用量。

氫氧化鎂；微膠囊紅磷；協效阻燃

鹵系阻燃劑具有明顯的阻燃效果，但燃燒時伴有大量鹵化氫氣體的生成，同時還可能出現含鹵阻燃劑分解、腐蝕設備及燃燒時引起二次火災等問題。而無鹵阻燃劑由于它們不產生污染，又能與多種物質產生協同效應，且其穩定性好、無毒、不揮發，但在無鹵阻燃體系中，無機粒子是親水性物質，通常很難以較小的尺度與聚烯烴復合，Nano-MH與樹脂相容性極差，而且需要大量填充，嚴重的影響體系的力學性能直至喪失使用價值，因此本文用不同的偶聯劑改性氫氧化鎂，并考查改性工藝對填充體系力學性能的影響。同時在體系中添加一些阻燃協效劑，使制備的阻燃材料具有一定的應用價值。

1 實驗部分

1.1 原料

LDPE，2426H，大慶石化總廠生產；納米氫氧化鎂（Nano-MH），中科阻燃劑公司；微膠囊紅磷（MRP），安徽化工研究院；各種改性劑等市售

1.2 主要儀器及設備

10L高速混合器，SHR-10C，江蘇張家港市貝爾機械有限公司；萬能試驗機，CMT4104, 深圳新三思材料有限公司；氧指數儀，XZT-100型，河北承德試驗機有限公司；雙螺桿擠出機，CTE-50，科倍隆科亞(南京)機械有限公司；熔體流動，ZRZ1452，深圳新三思材料有限公司；注射成型機，HTL90-F5B，寧波海太。

1.3 樣品測試

拉伸強度、斷裂伸長率按GB1040－79進行；氧指數(OI)按GB2406－93進行

2 結果與討論

2.1 Nano-MH用量對聚乙烯體系阻燃性能和力學性能的影響

Nano-MH填充量對LDPE垂直燃燒等級以及氧指數的影響見表1 ,其中LDPE為100份(以下皆同)。由表1可見,隨著納Nano-MH填充量的增加,體系的阻燃性能明顯提高,垂直燃燒等級于40份達到FV-2級，發煙現象有所減緩。當Nano-MH添加50份時氧指數可達25.3%,在燃燒過程中火焰明顯減少。這是因為MH受熱分解時釋放出結晶水, 生成氧化物的過程是強吸熱反應起到冷卻聚合物的作用，同時反應產生的水蒸氣可以稀釋可燃氣體，抑制燃燒，產生的氧化物吸附煙塵顆粒, 起到抑煙的作用。

Nano-MH阻燃劑與聚烯烴材料之間的相容性和加工流動性都比較差，當其被添加到聚烯烴中時，對阻燃材料的力學性能和加工性能影響很大，甚至不能使用。其原因在于,MH是一種極性很強的無機化合物，其晶體表面帶有正電荷，具有親水性，晶體顆粒趨向于二次凝聚，及Nano-MH顆粒極易團聚等原因，導致其在聚烯烴中分散性差；MH與聚合物的熱膨脹系數不同，在加工成型時由于熱脹冷縮導致兩相界面處易形成細微的裂紋。為了克服上述缺點，需要對Nano-MH進行表面活性處理或使用偶聯劑對其表面進行多層包覆處理。由于表面處理劑的種類很多，而且不同的表面處理劑適用范圍和功效又有所區別，應根據不同的阻燃劑類型以及不同的聚合物體系來選擇表面處理劑類型和用量。

本文擬研究硅烷類偶聯劑、鈦酸酯偶聯劑、鋁酸酯、及硬脂酸和鋁酸酯的復配偶聯劑等對LDPE/Nano-MH體系的力學性能影響。選定一種最佳的改性劑，再考查處理工藝對力學性能和加工性能的影響見圖1。體系中LDPE是100phr（以下皆同），處理劑添加量為粉體質量的2.0%，分別按不同的添加份數填充LDPE。

由圖1可見，隨著Nano-MH用量的增加, 拉伸強度呈先上升后下降的趨勢, 斷裂伸長率呈下降趨勢。當用量達到40phr時, 拉伸強度達到最大值。其原因為當用量少時, 它的粒子本身阻止銀紋的作用比界面作用強烈, 從而拉伸強度出現峰值。當用量達到50phr時, 界面作用顯著,銀紋的發展加劇, 導致拉伸強度下降。斷裂伸長率下降的原因為人為的加入了大量的雜質,減小了高分子鏈的相互作用和纏結,從而使斷裂伸長率下降。可以得出，Nano-MH的用量在40phr，綜合性能最好。

2.2 表面改性劑用量對nano-MH填充LDPE對體系力學性能的影響

偶聯劑的加入對體系力學性能有一定影響,在LDPE與Nano-MH質量比為100∶40的情況下，偶聯劑的種類和用量對體系拉伸強度及斷裂伸長率的影響見右圖2。

由圖2可見,隨偶聯劑的加入,體系的力學性能均得到較大提高,如當偶聯劑的用量為MH的2%時,拉伸強度和斷裂伸長率分別達到最大。偶聯劑之所以可以大幅度改善Nano-MH填充LDPE復合材料的強度。是因為偶聯劑在適當用量時可剛好形成包覆Nano-MH粒子的單分子層, 從而能有效降低MH分子的表面能,提高復合材料與聚合物基體間的相容性,促進了填料在基體中的分散性,因而材料能形成較好的界面梯度層,使材料在受外來應力作用時應力傳導容易。如偶聯劑添加過多,則會破壞此單分子層結構,反而形成多分子層的排斥,從而影響體系的分散。在拉伸強度改善上，鋁酸酯和硬脂酸復配＞硅烷＞鋁酸酯＞鈦酸酯；在斷裂伸長率改善上，鋁酸酯和硬脂酸復配比未改性體系增加最明顯，硅烷、鋁酸酯等改性體系比未改性體系有明顯增加，鈦酸酯處理的體系斷裂伸長率最差。用鋁酸酯和硬脂酸復配包覆使體系的拉伸強度和斷裂伸長率，比未改性體系分別提高了17.6%和44.3%?？傻贸?鋁酸酯和鈦酸酯復配用量為Nano-MH質量的2%，綜合力學性能最佳。

2.3 MRP阻燃協效劑對體系阻燃性能的影響

微膠囊紅磷（MRP）作為一種高效的阻燃協效劑，阻燃機理一般認為是微膠囊紅磷在實際火焰條件下主要被氧化成氧化磷、磷酸及磷酸衍生物，生成的氧化磷促使樹脂脫水、炭化，使可燃裂解物減少，同時由于磷酸、亞磷酸、聚偏磷酸的生成，在樹脂表面形成一層玻璃狀熔融物，阻止火焰向聚合物表面傳熱和由聚合物表面向外擴散分解產物，成為隔斷氧氣的障礙層，從而抑制了火焰的蔓延。另一方面上述過程具有吸熱作用，可降低聚合物自身的熱氧化，達到阻燃目的。從表2可以看出，綜合力學性能和阻燃性能，MRP的用量在6phr左右為最佳。

考慮到阻燃機理,嘗試添加MRP與改性后的Nano-MH進行協同以改善和提高體系的阻燃性能。不同配比對體系力學性能和阻燃性能的影響見表3。

由表3可以看到,在Nano-MH與微膠囊紅磷總份數不變的情況下,添加少量的紅磷對體系的阻燃性能有一定程度改善,添加5份紅磷可使垂直燃燒等級從FV-2升到V-0 級,氧指數也有一定程度提高。這是由于MH在達到一定溫度的時候脫水,會吸收大量的熱,降低表面溫度,分解后形成MgO可覆蓋表面隔絕空氣,而紅磷在燃燒時產生聚偏磷酸玻璃體覆蓋于燃燒體表面,形成保護膜,能隔絕氧氣起阻燃作用。同時,其為強酸,有很強脫水性,能使聚合物脫水炭化,形成炭化層。MT分解產生的水為紅磷燃燒生成偏磷酸的過程提供了水源,且聚偏磷酸脫水作用又促使MH脫水結晶吸熱,這在體系中形成了循環反應,兩者存在很好的阻燃協同效應。而微膠囊紅磷添加量的繼續增加不能有效增強這種協同作用,阻燃能力略有降低。同時可見,少量的微膠囊紅磷替代MH體系強度略有下降。

綜合考慮,采用LDPE為100phr,改性Nano-MH為45phr,微膠囊紅磷為5phr最佳阻燃配比。

3 結論

(1)偶聯劑改性的nano-MH可有效防止無機粉體發生團聚，增加體系的力學性能，但不同方法處理的粉體都體系性能影響很大，鋁酸酯和硬脂酸處理劑的綜合效果最優。填充40份鋁酸酯和硬脂酸復配改性MH時體系的拉伸強度和斷了伸長率，比未改性分別提高了17.6%和44.3%，體系氧指數達23.2 ,垂直燃燒等級達FV-2級，綜合性能最好。

(2)微膠囊紅磷是nano-MH高效的阻燃增效劑，紅磷在6phr時，氧指數達26.6 ,垂直燃燒等級達V-0級阻燃，體系綜合性能最佳。

(3)少量的微膠囊紅磷加入可與納米MH協同阻燃，同時少量的微膠囊紅磷替代nano-MH體系強度略有下降。綜合考慮,采用LDPE為100phr,改性nano-MH為45phr,微膠囊紅磷為5phr最佳阻燃配比。

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Study On Synergistic Flame-retardant And Mechanical Properties Of LDPE/Nano-MH Composite

Zhang Qingli Zhao Huihui Dong bin Yu Hongling Qian Yeji
(Anhui Province Wanbei Coal-ElectricityGroup Limited Liability Company Hanshan Hengtai Nonmetallic Material Technology Branch.,Chaohu 2388171，China)

The low density polyethylene used as the matrix resin, and coupling agent and different treatment methods on the coating effect was studied.The optimal process of surface treatment of magnesium hydroxide was obtained.In addition, synergistic effect of the red phosphorus to magnesium hydroxide fl ame retardant was studied and the optimal usage of red phosphorus was found.

Magnesium hydroxide；MRP；Synergistic fl ame retardant