PE/松木粉/微膠囊紅磷阻燃材料的成型工藝和性能研究

摘要：通過二次擠出造粒和注射成型法，制備阻燃木塑材料，研究了材料的成型工藝參數(shù)、力學(xué)性能和阻燃耐熱性能。結(jié)果表明，隨著MRP含量不斷增加，擠出造粒機頭壓力逐漸增大，需要的料筒溫度越來越高。在注模過程中，矩形樣條的料筒溫度比啞鈴形樣條的料筒溫度低。隨著MRP含量的增加，木塑材料的拉伸強度先下降后上升，斷裂伸長率上升。燃燒時，隨著MRP含量的增加，木塑材料的余焰時間縮短，余焰和余暉的總時間減少，逐漸離火自熄，煙霧由黑色轉(zhuǎn)為白色，阻燃效果越來越好。當(dāng)MRP含量達(dá)到12.5%時，阻燃等級達(dá)到V-0級。微膠囊紅磷是木塑材料非常適宜的阻燃劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：木塑材料；微膠囊紅磷；阻燃

目前，木塑復(fù)合材料受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。木塑材料具有較高的強度和硬度，耐酸堿、抗腐蝕、不含甲醛、不變形、易回收，在建材市場有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。由于原料屬于易燃材料，導(dǎo)致應(yīng)用受到了很大限制[3]。因此，木塑復(fù)合材料的阻燃研究勢在必行。Zhou Xuanzheng等[4]將聚乙烯亞胺、鈉蒙脫石（MMT）和石墨化多壁碳納米管組成的納米涂層沉積在WPC表面上。納米涂層可以產(chǎn)生熱和氣體屏障，防止材料燃燒過程中氧氣滲透和揮發(fā)性氣體釋放。Gibier Maximilien等[5]將含磷/氯阻燃劑通過輻射固化樹脂浸漬軟木和熱帶硬木制備木塑材料，研究表明含磷樹脂有效抑制了煙霧的釋放；與未改性的木材相比，阻燃木塑材料具有更好的機械性能。趙玉環(huán)[6]將改性聚磷酸銨（M-APP）和膨脹石墨（EG）組成復(fù)配阻燃劑制備木塑材料，結(jié)果表明阻燃材料的極限氧指數(shù)提高了44.4%，熱釋放速率峰值降低了80.1%，總煙量下降了91.6%。在無鹵的無機阻燃劑中，微膠囊紅磷（Microencapsulated Red Phosphorus，MRP）與聚合物的相容性好，是應(yīng)用前景廣闊的高效阻燃劑[7-8]。但是，MRP用于木塑材料的研究很少，因此，本文通過二次擠出造粒和注射成型法，制備阻燃木塑材料，研究其成型工藝參數(shù)、力學(xué)性能和阻燃耐熱性能，以期獲得最佳配方和最優(yōu)成型工藝條件。

1 實驗部分

1.1" 實驗用原料

LDPE（LD-163）、LLDPE（FV-149M）、松木粉（過80目分子篩）、微膠囊紅磷（2500目）、硬脂酸。

1.2" 實驗用儀器設(shè)備

雙螺桿擠出造粒機（LTE-26-32）、小型注模制樣機（RR/TSMP）、電子萬能試驗機（AG-IC100KN）、水平/垂直燃燒測試儀（PX03001）。

1.3" 實驗工藝流程

1.3.1" 木塑材料顆粒的制備

將LDPE和LLDPE（質(zhì)量比為1：1）、松木粉（添加量為PE總質(zhì)量的15%）、一定量的MRP（添加量分別為PE總質(zhì)量的0%、5%、7.5%、10%和12.5%）和硬脂酸（添加量為總質(zhì)量的3%）混合均勻，擠出造粒，擠出造粒機的料筒溫度由口模至料斗依次設(shè)置為160℃、165℃、175℃、180℃、180℃、165℃、155℃和140℃。再于同樣料筒溫度下進行二次造粒，備用。依據(jù)MRP的添加量，配方代號依次設(shè)置為M000、M050、M075、M100和M125。

1.3.2" 木塑材料樣條的制備

使用二次造粒的木塑顆粒制備矩形和啞鈴形試樣。

1.3.3" 性能測定

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定》進行拉伸性能測定，拉伸速度設(shè)定為5mm/min，每個配方做5個試樣，取平均值。依據(jù)GB/T 2408—2008《塑料 燃燒性能的測定水平法和垂直法（第1號修改單）》進行燃燒性能測定，每個配方做5個試樣，分析材料的阻燃性能。

2 結(jié)果與討論

2.1" 阻燃劑對成型工藝參數(shù)的影響

隨著MRP含量的增加，機頭壓力逐漸增大，這也是由于一次造粒時，物料之間的剪切作用更大造成的。而二次造粒時，物料之間的潤滑作用大一些，對機頭造成的壓力較小。兩次擠出造粒的工藝參數(shù)見表1。

在注模過程中，矩形樣條雖然體積較大，但比啞鈴形樣條成型時熔體受到的阻力小（啞鈴形樣條注模時經(jīng)歷流道收窄的過程），因此矩形樣條的料筒溫度較低。隨著MRP含量的增加，阻燃熔體黏度越來越大，物料的流動性越來越差，需要的料筒溫度越來越高。木塑材料樣條的注模參數(shù)見表2。

2.2" 阻燃劑對木塑材料力學(xué)性能的影響

隨著MRP含量的增加，木塑材料的拉伸強度下降，這可能是由于材料形成“海島結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致應(yīng)力集中效應(yīng)的產(chǎn)生；當(dāng)MRP添加量＞7.5%，微膠囊的有機囊外殼使其與PE之間具有較好的界面結(jié)合，產(chǎn)生“補強作用”，材料的拉伸強度上升。隨著MRP含量的增加，木纖維和PE之間的部分結(jié)合被破壞，PE的分子運動能力增加，表現(xiàn)出斷裂伸長率的增加。木塑材料的拉伸強度和斷裂伸長率見圖1。

2.3" 阻燃性能分析

隨著MRP含量的增加，木塑材料的余焰時間縮短，余焰和余暉的總時間減少，逐漸離火自熄，煙霧由黑色轉(zhuǎn)為白色，阻燃效果越來越好。當(dāng)MRP含量達(dá)到12.5%時，離火自熄，阻燃等級達(dá)到V-0級，木塑材料具有優(yōu)異的阻燃性能。樣品燃燒現(xiàn)象見表3。

3 結(jié)束語

本文通過二次擠出造粒和注射成型法，制備阻燃木塑材料，研究了阻燃木塑材料的成型工藝參數(shù)、力學(xué)性能和阻燃耐熱性能，得到如下結(jié)論：第一，隨著MRP含量的增加，擠出造粒機頭壓力逐漸增大，二次造粒的機頭壓力比一次造粒低一些。第二，在注模過程中，矩形樣條的料筒溫度比啞鈴形樣條的料筒溫度低。隨著MRP含量的增加，需要的料筒溫度越來越高。第三，隨著MRP含量的增加，木塑材料的拉伸強度先下降后上升，而斷裂伸長率上升。第四，隨著MRP含量的增加，木塑材料的余焰時間縮短，余焰和余暉的總時間減少，逐漸離火自熄，煙霧由黑色轉(zhuǎn)為白色，阻燃效果越來越好。當(dāng)MRP含量達(dá)到12.5%時，阻燃等級達(dá)到V-0級。綜上所述，微膠囊紅磷是木塑材料非常適宜的阻燃劑，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]劉科，鄧夕鵬.廢紙/PETG木塑復(fù)合材料的性能研究及其在環(huán)保型園林中的應(yīng)用[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2024，43（7）：47-50+64.

[2]王明亮，邸亞森，鐘陳鑫，等.咖啡殼粉對木塑復(fù)合材料耐候性能的影響[J].云南化工，2024，51（9）：32-38.

[3]李雪麗，李航，解澍嘯，等.功能性木塑復(fù)合材料的研究進展[J].天津造紙，2024，46（1）：1-7.

[4]Zhou Xuanzheng，F(xiàn)u Qiliang，Zhang Zhijun，et al.Efficient

flame-retardant hybrid coatings on wood plastic composites by layer-by-layer assembly[J].Journal of Cleaner Production，2021，321：128949.

[5]Gibier Maximilien，Lacoste Clement，Corn Stephane，et al.

Flame retardancy of wood-plastic composites by radiation-curing phosphorus-containing resins[J].Radiation Physics and Chemistry，2020，170：108547.

[6]趙玉環(huán).復(fù)配阻燃劑協(xié)同改性木粉/聚丙烯復(fù)合材料的制備與阻燃性能研究[J].塑料科技，2024，52（1）：67-70.

[7]陸金杰，王芳，韓沛岑，等.紅磷包覆技術(shù)及有效含量檢測研究進展[J].當(dāng)代化工研究，2022（23）：47-49.

[8]劉鋼，蔡海濤，王翠花，等.紅磷微膠囊單組分室溫硫化有機硅防火型密封膠的研制[J].中國建筑防水，2021（12）：24-28.