PVC/PS共混发泡阻燃材料的研究

任冠达， 张秀斌

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110142)

高分子材料因其性能优异、价格低廉而被广泛地应用于国民经济和人民生活的各个领域，但是大多数高分子材料属于易燃或可燃材料，在燃烧时热释放速率大，热值高，火焰传播速度快，不易熄灭，还产生浓烟和有毒气体，对人民的生命安全造成巨大威胁，对环境产生严重危害.因此，如何提高高分子材料的阻燃性，已经成为当前消防工作一个急需解决的问题［1］.

聚合物发泡材料是一种以树脂为基体、内部具有大量气泡的微孔材料，可以视为以气体为填料的固/气复合材料.聚合物基体中的气泡显著地影响聚合物的形态、结构和性能，因而这种兼具固体和气体特性的复合材料具有独特的性能［2］.因此，与通用塑料制品相比，发泡塑料制品具有密度小、比强度高、能量吸收能力强和隔音隔热性能好等特点，在日用品、包装、汽车、运输业及建筑等领域都得到了广泛的应用［3］.因此，本文研究发泡体系对材料成品性能和加工工艺的影响.

1 实验部分

1.1 实验原理

聚苯乙烯与聚氯乙烯均具有可发泡性.PS发泡产品工艺成熟，发泡倍率高，制品成本低，现在应用最广泛的外墙发泡保温板都为PS发泡制品;PVC中由于含有氯元素，具有阻燃性能，将这两者共混发泡，得到既具有高发泡率、低密度，又具有优良阻燃性的材料，减少火灾的发生［4］.

1.2 实验原料及设备

1.2.1 实验原料

聚苯乙烯、聚氯乙烯，工业品，淄博合创橡塑有限公司;轻质碳酸钙、发泡剂AC，工业品，河北宁宇化工有限公司;ABS，工业品，昆山斯科纳塑化有限公司;发泡调节剂、复合稳定剂、ACR401，工业品，浙江多元化工有限公司;硬脂酸、石蜡，工业品，石家庄茂丰化工有限公司.

1.2.2 实验仪器

塑炼机，XK-160，青岛环球机械股份有限公司;电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9070A，上海精宏实验设备有限公司;电子天平，JA2003N，上海精密仪器有限公司;电子拉力试验机，RG D-5，深圳市瑞格尔仪器有限公司;氧指数测定仪，JF-3，南京上元分析仪器有限公司;毛细管流变仪，XLY-II，吉林大学科教仪器厂;转矩流变仪，XSS-300，上海科创橡塑机械设备有限公司.

1.3 实验步骤

(1)称量药品:称量配方中各组分药品，并混合均匀.

(2)塑炼:将称量好的药品用塑炼机塑炼均匀，下片.

(3)发泡:由于实验条件的限制，实验采用的发泡工艺是将炼好的试样粉碎，用毛细管流变仪在不同的温度和载荷下压出成条，得到发泡样条.

(4)产品测试:测量从毛细管流变仪中挤出样条的密度.

1.4 性能测试

1.4.1 加工性能的表征

将配比好的配方混合，加入到转矩流变仪中，测试配方体系的最大转矩、平衡转矩以及塑化时间，并分析不同添加剂对配方体系加工流变性能的影响［5］.

1.4.2 发泡效果的表征

样品通过塑炼机混合压片以后，把样品粉碎，由于实验条件的限制，采用毛细管流变仪加热，在不同载荷下，将样品挤压成型，得到发泡样条.讨论不同用量发泡剂、调节剂和稳定剂以及加工助剂对配方发泡效果的影响.

1.4.3 力学性能的表征

由于填加发泡剂以后，发泡试样的泡孔无法分布均匀，对配方力学性能的影响较大，误差增大.所以，对配方的力学性能研究采用不填加发泡剂，对未发泡式样进行拉伸强度与模量、压缩强度和模量以及断裂伸长率的测试，分析不同PVC与PS的配比，以及轻质碳酸钙和增溶剂对试样力学性能的影响.

1.4.4 阻燃效果的表征

因为PVC具有阻燃性，所以，实验的配方中不填加阻燃剂，只依赖PVC的阻燃性，研究不同PVC与PS配比的阻燃效果，在不影响力学性能的情况下，选择阻燃效果最好的配方［6］.

2 结果与讨论

作为PVC/PS共混材料，配方中两种基体树脂的用量配比直接决定配方中其他填料的使用量，在确定了两种树脂的配比用量以后，从力学性能、加工性能、发泡工艺、阻燃效果等方面，研究配方中助剂用量对共混材料性能的影响［7］.

2.1 PVC/PS共混材料力学性能的研究

对于任何共混材料，其力学性能是不可或缺的性能指标之一，但是由于发泡材料在发泡以后会形成泡孔，对于材料的力学性能的测试影响较大，所以，在研究力学性能的时候，采用不加发泡剂，对未发泡的共混材料进行力学性能研究［8］.

由图1可以看出:随着体系中PS质量的增加，共混材料的拉伸强度降低，在 m(PVC)/m(PS)为60/40时，体系的拉伸强度有明显的下降，所以，可能是PVC与PS的相容性不太好，导致拉伸强度的变化趋势不成线性关系;但是在加入量为1∶1时，体系的拉伸强度有十分明显下降;而PVC和PS树脂都属于刚性材料，断裂伸长率都不大，在10%以内［3］.

图1 PVC/PS的质量配比对共混材料拉伸性能的影响Fig.1 The quality of PVC/PS blend material proportion on influence of tensile behavior

从图2可以看到共混材料的弯曲性能.聚苯乙烯的弯曲强度和模量在通用塑料里很高，因此，在共混体系里加入PS，就是利用其优异的弯曲性能.随PS含量的增加，材料的弯曲强度和弯曲模量大大增强.为了得到高模量的共混材料，需要增加PS的量来满足要求.但是PS的阻燃性远不及PVC，为了提高共混材料的阻燃性，也要保证PVC的加入量.

图2 PVC/PS的质量配比对共混材料弯曲性能的影响Fig.2 The quality of PVC/PS blend material proportion on influence of bending behavior

2.2 发泡体系和发泡温度的确定和影响

2.2.1 发泡剂用量对PVC/PS共混材料发泡效果的影响

从3图可知:在不同的温度下，发泡剂的加入量直接影响材料的密度，发泡剂越多，发泡效果越好，共混材料密度越小，但是当发泡剂加入量为4%以后，材料的密度几乎没有变化，所以，加入4%的发泡剂为宜.且当温度为180～200℃时，材料的密度都在0.7 g/cm-3左右.

图3 发泡剂的量对发泡效果的影响Fig.3 The amount of foaming agent for foam effect

2.2.2 发泡调节剂对PVC/PS共混材料发泡效果的影响

PVC发泡调节剂实际上也是丙烯酸酯类加工助剂，它具备PVC加工助剂的所有基本特点，与PVC通用加工助剂的唯一不同就在于分子量的不同，发泡调节剂的分子量比助剂大.下面讨论发泡调节剂对共混材料发泡效果的影响.

加入调节剂后，在与上组实验相同的配方和工艺下，材料的密度较未加入发泡调节剂时有明显的变化(见图4)，在190℃和200℃下，4%的AC发泡剂加入量已经可以使共混材料的密度达到0.5 g/cm-3左右，可见发泡调节剂对体系的发泡效果有很好的影响.从图5可以看出:加入发泡调节剂后材料的密度有所降低，在加入10%到15%组分的调节剂后，材料的密度下降明显，再增加调节剂的用量，材料的密度反而有所增加.所以，选择发泡调节剂的用量为15%.

图4 加入调节剂后发泡剂对发泡效果的影响Fig.4 To join regulator after the effects of foaming agent on foaming

图5 发泡调节剂对发泡效果的影响Fig.5 Foam regulator on foaming effect

由图6可以清楚的看到:当不加入发泡调节剂的时候，材料的泡孔大且相互连通，在加入15%发泡调节剂后，泡孔变小，分布较均匀，连通的泡孔减少.由于发泡调节剂为大分子，分子量很大，影响了体系在加工过程中的流动性，增加了熔体的黏度，使发泡剂分解产生的气体可以更佳地包含在材料的体系中，从而减小了泡孔的大小，优化了发泡效果.

图6 发泡调节剂对发泡材料泡孔的影响Fig.6 Foam regulator on foaming material bubble hole influence

2.2.3 发泡温度对PVC/PS共混材料发泡效果的影响

从图7可以看出:在未填加发泡调节剂时，发泡温度在190℃时发泡效果最佳，密度达到0.69 g/cm3，当发泡温度增加到200℃时，材料的密度反而增大.这是由于200℃已经超过了发泡剂分解的最高温度，发泡效果已经开始降低.由图8可知:在体系加入发泡调节剂后，共混材料发泡效果同样在190℃时达到最好，为0.5 g/cm3;再继续升温后，材料的密度在200℃几乎没有变化，所以，证明发泡体系在190℃时已经达到最佳.为了成本和能源的考虑，确定发泡温度为190℃.

图7 未加入调节剂时发泡温度对发泡效果的影响Fig.7 Not join regulator，foaming temperature on foaming effect

图8 加入调节剂后发泡温度对发泡效果的影响Fig.8 To join regulator，the foaming temperature on foaming effect

图9是当发泡温度为170、190和200℃时，材料的泡孔形态.

图9 发泡温度对材料泡孔的影响Fig.9 Foaming temperature on the influence of material bubble hole

由图9可以比较清晰地看出:在相同的倍率下，随着温度的升高，材料的泡孔逐渐增多增大;当发泡温度为200℃时，泡孔和材料断面极不均匀，可能是温度过高，PVC已经开始发生分解，影响了材料的泡孔形态;当发泡温度为170℃时，材料的泡孔分布和数量明显不及190℃，可见随着发泡温度的升高，AC发泡剂的分解效率增加，发泡效果增强，但也要综合考虑树脂的最高加工温度.

2.3 PVC/PS共混材料阻燃性能的研究

从图10可以明确地看到:在PVC与PS两种树脂的配比中，聚苯乙烯的加入影响了聚氯乙烯原本的阻燃性能.但是，当已经确定最佳配比，即m(PVC)/m(PS)为60/40时，共混发泡材料的燃烧氧指数已经达到31.7%，聚氯乙烯的阻燃性完全符合共混材料对阻燃效果的要求，所以，配方中不用再加入阻燃剂来增强材料的阻燃性.

图10 PVC与PS的用量对材料氧指数的影响Fig.10 PVC and the dosage of the PS materials to the influence of the oxygen index

2.4 发泡调节剂对加工性能的影响

发泡调节剂对加工转矩的影响见图11.

图11 发泡调节剂对加工转矩的影响Fig.11 Foam regulator for processing the influence of torque

由于发泡调节剂为大分子，所以多少会对体系的加工流变行为产生影响.下面先讨论调节剂对加工流变性的影响.由图11可知:发泡调节剂的加入会使体系的转矩增大，并直接影响了平衡转矩的大小.由于发泡调节剂为大分子，增加了熔体的黏度，所以，增大了加工转矩.

3 结论

实验通过对力学性能、发泡效果、阻燃性、加工性能几个方面的研究，得到了发泡倍率良好、阻燃效果优良的PVC/PS共混阻燃发泡材料的配方，并使其密度达到0.501g/cm3，燃烧氧指数达到31.7%.由于实验条件和实验设备的限制，该数据只为实验室环境下得到的结论，具体产品的性能指标还有待工厂和专业设备的验证.

［1］ 李南，高子栋，胡宝柱，等.建筑外墙外保温防火安全性现状与应对策略［J］.21世纪建筑材料，2010，2(6):6-8.

［2］ 宋长友，黄振利，季广其，等.外墙外保温防火技术现状及其问题探讨［J］.建筑科学，2008(2):1-5.

［3］ 牧保文，李晶.硬质PVC低发泡窗饰片材的工艺配方研究［J］.聚氯乙烯，2001(6):27-29.

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［5］ 巩桂芬，陈德忠，张玉军，等.硬质低发泡PVC板材挤出工艺的研究［J］.工程塑料应用，2004，32(12):28-31.

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