納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑阻燃LDPE研究

吳惠民, 彭超, 林宇霖(福州市福塑科學技術研究所有限公司，福建 福州 350008)

納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑阻燃LDPE研究

Study on fl ame retardant LDPE of nano kaolin synergistic with halogen antimony fl ame retardant

吳惠民, 彭超*, 林宇霖(福州市福塑科學技術研究所有限公司，福建 福州 350008)

研究了納米高嶺土與鹵銻阻燃劑復配阻燃LDPE，考察納米高嶺土添加量對LDPE阻燃復合材料的氧指數、拉伸強度、斷裂伸長率、沖擊強度以及熱失重等性能影響。實驗結果表明：從材料的阻燃、綜合力學性能及經濟效益出發，當高嶺土替代20 （wt%）Sb2O3時，阻燃LDPE的力學性能與阻燃綜合性能達到最優。

納米高嶺土；鹵銻阻燃劑；低密度聚乙烯；阻燃協效

低密度聚乙烯（LDPE）是一種常見的通用熱塑性塑料，廣泛應用于包裝材料、電線電纜、注塑成型等領域，但LDPE屬于易燃材料，其氧指數僅為18左右，在使用過程中容易燃燒引起火災，限制其使用范圍，所以要對其進行阻燃改性處理[1～2]。目前對于LDPE的阻燃改性主要以鹵銻阻燃劑為主，鹵銻阻燃劑具有添加量少，阻燃效果優異等優點而得到廣泛應用。但同時存在其毒性大，發煙量高、特別Sb2O3價格較為昂貴等缺點[3～5]。

基于以上原因，本實驗采用納米高嶺土替代部分Sb2O3，協同鹵銻阻燃劑研制阻燃LDPE材料，主要因為納米高嶺土具有來源豐富、環保價廉等優點，而且能有效降低材料成本。同時利用納米高嶺土為含水的硅酸鹽礦物，在燃燒過程中，表面形成了一種高性能的炭化硅酸鹽結構，釋放結晶水吸收熱量降低燃燒強度，對未燃材料起到隔熱和分離作用，減緩了分解產生的可揮發產物的擴散，降低了材料的質量損失速率，起到阻燃作用[6～9]。

1 實驗部分

1.1 主要實驗原料

低密度聚乙烯（LDPE），市售，大慶石化總廠；十溴二苯醚（DBDPO），市售，濟南金盈泰化工有限公司；三氧化二銻（Sb2O3），市售，湖南益陽生力材料科技有限公司；納米高嶺土，自制；其他試劑，市售。

1.2 主要儀器設備

高速混合機：SHR-5，5 L，張家港市日新機電有限公司；

雙螺桿擠出機：SJSH-30，石家莊市星爍實業公司；

塑料注射成型機：EM150-V，震德注塑機有限公司；

數顯簡懸組合沖擊機：ZBC-50型，深圳新三思材料檢測有限公司；

微機控制電子萬能實驗機：CMT4204-20 kN，深圳新三思計量技術有限公司；

氧指數測定儀：HC-2型,南京江寧縣分析儀器廠；

微機差熱天平：HCT-2型，北京恒久科學儀器廠；

1.3 試樣制備

按照表1分別稱取LDPE，DBDPO，Sb2O3，高嶺土及其他助劑，將上述原料置于高速混合機混合均勻，經雙螺桿試驗擠出機于160～170℃加工擠出造粒，將擠出的樣品在注塑機成型機注射成測試樣條，分別制得試樣A、B、C、D、E、F。

表1 阻燃LDPE復合材料的配方

1.4 樣品測試

氧指數根據GB/T 2406—2009進行測試；

沖擊強度根據GBT1043.1—2008進行測試；

拉伸強度根據GBT1040—2006進行測試；

熱重分析：熱重分析：稱取20 mg樣品，升溫速率5℃/min，氧氣氣氛，

流速20 mL/min，測試溫度范圍為25～700℃。

2 結果與討論

2.1 納米高嶺土對阻燃LDPE材料的阻燃性能影響

圖1為納米高嶺土對阻燃LDPE材料的阻燃性能影響。從圖1可以看出：加入納米高嶺土后，隨著納米高嶺土取代Sb2O3質量分數的增加，LDPE阻燃復合材料的氧指數呈現先增加后略有降低的趨勢，當納米高嶺土替代20(wt%)Sb2O3時，氧指數達到最高值26.5%，隨著納米高嶺土替代量增加，氧指數下降為25.8%，不過較之未加入高嶺土的LDPE阻燃材料的氧指數21.9%仍有明顯的提高，主要因為一方面納米高嶺土會對樹脂的大分子間產生一定的阻隔作用，另一方面由于加入納米高嶺土，會促使LDPE復合材料燃燒表面形成炭層，炭層阻隔與空氣的接觸，從而抑制聚合物的燃燒。成炭過程往往伴隨有水的生成，可稀釋氣體燃料，降低燃燒速率；炭層本身可作為熱傳導的壁壘，保護下層復合材料；成炭過程通常是吸熱反應，有利于降低周圍環境的溫度。說明高嶺土替代一定重量分數的Sb2O3對于提高LDPE阻燃復合材料的阻燃性能具有明顯的效果。

2.2 納米高嶺土對阻燃LDPE材料拉伸強度的影響

圖1 納米高嶺土對阻燃LDPE材料的阻燃性能影響

圖2為納米高嶺土對阻燃LDPE材料拉伸強度的影響。從圖可知，隨著納米高嶺土質量分數的增加，LDPE阻燃復合材料的拉伸強度呈現下降趨勢，但變化不是很明顯，納米高嶺土替代30(wt%)Sb2O3時，拉伸強度為9.9 MPa，比未加入納米高嶺土時的10.5 MPa僅僅下降了0.6 MPa，這可能是由于在整個體系中納米高嶺土的添加量較少，對材料分子間的作用力影響較小的原因。

圖2 納米高嶺土對阻燃LDPE材料拉伸強度的影響

2.3 納米高嶺土對阻燃LDPE材料斷裂伸長率影響

圖3為納米高嶺土對阻燃LDPE材料斷裂伸長率的影響。從圖3可以看出：隨著納米高嶺土替代Sb2O3量的增加，LDPE阻燃復合材料的斷裂伸長率先升后降，當納米高嶺土替代20(wt%)Sb2O3時，LDPE阻燃復合材料的斷裂伸長率為164.7%，較未加入納米高嶺土時LDPE阻燃復合材料的斷裂伸長率154.3%提高了10%，納米高嶺土替代25 (wt%)Sb2O3時，LDPE阻燃復合材料的斷裂伸長率則下降為152.7%，因此當納米高嶺土替代20(wt%)Sb2O3時，LDPE阻燃復合材料斷裂伸長率達到最優。這是由于加入納米高嶺土后，復合材料的結構發生了很大變化。隨著納米粒子粒徑的變小，比表面積急劇增大，位于粒子表面的原子迅速增加，由于原子配位不足和具有高的表面能，使得納米粒子表現出強烈的表面效應，從而使其能與基體樹脂發生強鍵合作用分子間的鍵合力提高。從而提高材料的韌性，但當納米高嶺土含量達到或超過一定程度后，納米高嶺土開始團聚，進而導致材料的韌性下降。

圖3 納米高嶺土對阻燃LDPE材料斷裂伸長率的影響

2.4 納米高嶺土對阻燃LDPE材料沖擊強度的影響

圖4為納米高嶺土對阻燃LDPE材料沖擊強度的影響。從圖4可以看出，隨著納米高嶺土替代Sb2O3量的增加，LDPE阻燃復合材料的簡支梁缺口沖擊強度有了明顯的下降，當納米高嶺土替代30(wt%)Sb2O3時，較未加入納米高嶺土時，LDPE阻燃復合材料的簡支梁缺口沖擊強度從139.9 kJ/m2下降為76.6 kJ/m2，僅為未加入納米高嶺土時LDPE阻燃復合材料的簡支梁缺口沖擊強度的54%，明顯下降。這是由于納米高嶺土為無機填料，加入影響了分子的柔順性，阻礙分子運動，從而導致LDPE阻燃復合材料的簡支梁缺口沖擊強度下降。

2.5 納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑阻燃LDPE復合材料的熱分析

圖4 納米高嶺土對阻燃LDPE材料沖擊強度的影響

圖5為納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑阻燃LDPE復合材料的熱分析：從圖5可以看出：沒有加入阻燃劑的空白LDPE的熱分解速率最快，經加入鹵銻阻燃劑或者納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑制備的LDPE阻燃復合材料，在熱分解速率上都有明顯降低，說明在提高LDPE阻燃性能上有著明顯的效果，其中D組（即納米高嶺土替代20(wt%)Sb2O3時）熱分解速率最慢，說明D組阻燃效果最為明顯，這與前面D組材料氧指數最高相吻合。說明當納米高嶺土替代20(wt%)Sb2O3時阻燃協效性能達到優。

圖5 納米高嶺土對阻燃LDPE復合材料的熱分析

3 結論

（1）添加一定量的納米高嶺土替代Sb2O3對鹵銻阻燃劑阻燃LDPE具有良好的阻燃協效作用。

（2）實驗表明：在鹵銻阻燃劑阻燃LDPE復合材料中，當納米高嶺土替代Sb2O3的量為20（wt%）時，氧指數為26.5%，拉伸強度為10 MPa，斷裂伸長率164.7%，簡支梁缺口沖擊強度，97.8 kJ/m2，綜合性能最為均衡；

（3）利用納米高嶺土協同鹵銻阻燃劑研究阻燃LDPE復合材料，開發出既高效阻燃又價廉環保且綜合性能優良的阻燃LDPE材料，對于實際生產具有一定的指導意義。

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(R-03)

TQ314.248

1009-797X(2016)16-0070-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.16.019

吳惠民（1982-），男，工程師，主要從事分分子材料研發工作。

*通訊聯系人

2016-01-15