ZPT對聚氯乙烯性能影響的研究

余東棟，鄧 玲，周文佩

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.湖北工業(yè)大學(xué)綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068；3.湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，湖北 武漢 430068；4.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

聚氯乙烯(PVC)具有優(yōu)異的化學(xué)及物理性能及易于加工的特點，使其廣泛地應(yīng)用于家具、建材及包裝等領(lǐng)域。對于不同產(chǎn)品的需求同時也使PVC加工方便，需要對其進(jìn)行塑化處理。PVC建材主要運(yùn)用于建筑的井道或裝修，在有限的空間內(nèi)，一旦失火聚氯乙烯往往會燃燒不完全，從而產(chǎn)生大量的黑煙，對人體影響是及其不利。由此可見PVC燃燒發(fā)煙行為會嚴(yán)重限制其使用范圍，抑煙與阻燃效果的提升是擴(kuò)大PVC使用范圍的重要因素。

含鉬、鐵、鋅、銅及其他過渡金屬的化合物是常見的阻燃劑和抑煙劑[1-2]，通常將兩種助劑進(jìn)行物理混配而達(dá)到阻燃抑煙的作用，本文采用自制的磷鎢酸鋅雜多酸鹽(ZPT)將鋅、鎢及磷三種元素結(jié)合在一個分子結(jié)構(gòu)中作為阻燃抑煙劑，研究其對PVC性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚氯乙烯(PVC)：SG-5，新疆中泰化學(xué)股份有限公司；鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)：工業(yè)級，杭州潛陽科技股份有限公司；稀土復(fù)合穩(wěn)定劑：工業(yè)級，青島拓智科技有限公司；聚乙烯蠟：工業(yè)級，粵江新材料(廣州)有限公司；磷鎢酸：分析純，麥卡希試劑；堿式碳酸鋅：分析純，麥卡希試劑。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙調(diào)頻開煉機(jī)：WQ-1006-S，東莞市卓勝機(jī)械設(shè)備有限公司；平板硫化機(jī)：XLB-“350×350”，上海奇才液壓機(jī)械有限公司；高速粉碎機(jī)：YF-111,瑞安市永歷制藥機(jī)械公司；煙密度測試儀：JCY-2，南京江寧分析儀器有限公司；簡支梁沖擊試驗機(jī)：XJJ-50，河北承德試驗機(jī)廠：拉力試驗機(jī)：XLS-20，承德金建檢測儀器有限公司。

1.3 樣品的制備

1.3.1 ZPT的制備

稱取22.12g磷鎢酸和適量的蒸餾水加入燒瓶中，升溫至60℃進(jìn)行攪拌直至渾濁溶液變成透明清液。稱取2.98g堿式碳酸鋅加入蒸餾水中攪拌，混勻后滴入磷鎢酸清液中控制溶液pH值為2.0左右進(jìn)行反應(yīng)，持續(xù)反應(yīng)直至氣泡釋放殆盡。將反應(yīng)完畢的澄清液體干燥后得到灰白色粉末待測。

1.3.2 PVC與ZPT復(fù)合材料樣品制備

復(fù)合樣品配比如下：PVC為100phr、穩(wěn)定劑5 phr、PE蠟0.4phr、DOP為20phr，ZPT的加入量分別為0、2、5、8phr；分別稱取各個樣品組分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅?60℃下使用開煉機(jī)在混煉塑化4min后放入模具中，分別在液壓機(jī)和平板硫化機(jī)中壓制成型待測。

1.4 測試與表征

紅外測試：采用溴化鉀壓片法，按照ZPT∶KBr=1∶200稱取一定量后研磨壓片，采用Nexus型紅外光譜儀測定；煙密度測試：按照國標(biāo)GB/T8627-2007檢測煙密度曲線；拉伸強(qiáng)度測試：按照GB/T 1040.2-2006標(biāo)準(zhǔn)測試PVC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度；沖擊強(qiáng)度測試：按照GB/T21189-2007標(biāo)準(zhǔn)測試PVC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 ZPT的紅外表征

圖1 ZPT紅外光譜圖

2.2 PVC/ZPT復(fù)合材料煙密度表征

從圖2中可以看出，PVC/ZPT復(fù)合材料的最大煙密度等級(MSD)和煙密度等級(SDR)均隨著ZPT含量的增加而降低。與ZPT添加量為0的空白樣相比，復(fù)合材料的MSD和SDR明顯降低，其中ZPT分別加了2,5,8phr的復(fù)合材料的MSD分別降低了9.08%，16.76%和19.94%，SDR分別降低了13.29%，17.06%和21.48%。這是因為在燃燒過程中鋅和鎢元素能夠與Cl反應(yīng)而形成強(qiáng)Lewis酸，通過Lewis酸機(jī)理形成穩(wěn)定的交聯(lián)聚合物從而減少煙量產(chǎn)生[4]，同時高溫條件下磷能夠反應(yīng)生成磷酸及聚偏磷酸，由于其酸性極強(qiáng)可以作為脫水劑從而使高聚物脫水而形成致密的碳層，隨著溫度不斷上升交聯(lián)結(jié)構(gòu)會進(jìn)一步的碳化，形成熱穩(wěn)定性能更好的碳質(zhì)。

圖2 復(fù)合材料的MSD和SDR

2.3 PVC/ZPT復(fù)合材料力學(xué)性能表征

將助劑及填料加入塑料基體后，通過檢測其中力學(xué)性能的變化可以進(jìn)一步的研究分析多者之間相容性的問題。圖3為PVC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度。由圖可知，在實驗用量的范圍內(nèi)且相對于未加ZPT的PVC，沖擊強(qiáng)度隨著ZPT添加量上升變化不顯著。拉伸強(qiáng)度在ZPT添加量增加的范圍內(nèi)，其變化程度會有小幅度減少的趨勢，2phrZPT/PVC、5phrZPT/PVC及8phrZPT/PVC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度相對于空白樣分別減少了1.6MPa、2.1MPa、2.9MPa，證明ZPT與PVC有較好的相容性，在提高PVC阻燃抑煙性能的同時對PVC的力學(xué)性能影響較小。

圖3 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度

3 結(jié)論

本研究通過自制磷鎢酸鋅雜多酸鹽作為阻燃抑煙劑，PVC/ZPT復(fù)合材料的最大煙密度等級(MSD)和煙密度等級(SDR)中隨著ZPT含量的增加而降低，表明ZPT能夠提高PVC的阻燃抑煙性，且對PVC力學(xué)性能影響不大。