蒙脱土对无卤阻燃PP/PA6复合材料的影响

段学召，梁玉蓉,，王林艳，胡 刚，杨汉祥

（1.中北大学，山西 太原 030051；2.太原工业学院，山西 太原 030008）

蒙脱土对无卤阻燃PP/PA6复合材料的影响

段学召1，梁玉蓉1,2，王林艳2，胡 刚1，杨汉祥1

（1.中北大学，山西 太原 030051；2.太原工业学院，山西 太原 030008）

将PA6、PP、阻燃剂、蒙脱土通过直接熔融共混制备无卤阻燃PP/PA6复合材料。通过水平燃烧、热重分析、氧指数、力学性能测试了蒙脱土在复合材料中的含量对PP/PA6复合材料性能的影响。结果表明，随着蒙脱土在复合材料中含量的增大，其阻燃性能和力学性能都得到了提高，当蒙脱土用量为2phr时，复合材料的综合性能达到最佳。

蒙脱土；PP/PA6复合材料；阻燃

随着高分子材料科学技术的高速发展及其成型加工技术的进步，高分子材料产品质量和档次逐步提高，被广泛地应用各个领域，为了解决高分子材料的易燃等问题，世界各国进行了大量的研究。

复配阻燃体系有着良好的阻燃增效抑烟作用，而许多阻燃剂的阻燃效果与它的粒度大小有很密切的关系[1-3]。层状硅酸盐的纳米复合材料有着无迁移、无污染等特有性能[4]。

蒙脱石晶体结构的硅（铝）氧四面体中的硅、铝离子被如Fe3+、Fe2+、Zn2+、Mn2+、Li+等的不等价阳离子所置换，导致其晶格发生变化，由于层状硅酸盐片层呈平面取向以及能在二维方向起到增强作用，PLSN力学性能有望优于常规补强剂增强聚合物体系，且复合材料具有优异的阻隔性及尺寸稳定性。

本工作基于复配阻燃体系的基础，以蒙脱土复配膨胀型阻燃剂磷酸密胺盐，采用熔融共混的方式制备PP/PA阻燃复合材料，探究蒙脱土的含量对复合材料的阻燃性能和力学性能的影响。

1 实验

1.1 主要原料

聚丙烯（PP），尼龙6（PA6），马来酸酐（MAH），过氧化二异丙苯（DCP，分析纯），三聚氰胺(分析纯)，钠基蒙脱土。

1.2 主要实验仪器

TSSJ-25双螺杆挤出机，CJ80M2塑料注射成型机，LJ-500拉力试验机，CZF-3型水平垂直燃烧测定仪，XJU-22型悬臂梁冲击试验机，KYKYEM3800扫描电子显微镜，Tensor 27，BRUKER红外光谱仪，ZYT-100氧指数测定仪，。

1.3 试样的制备

1.3.1 相容剂的制备

按PP∶MAH∶DCP=100∶3∶0.4的比例称取一定质量的PP、MAH、DCP，再称取少量抗氧剂1010，先用丙酮将MAH和PP溶解，与抗氧剂粉末一起加入干燥过的PP粒料中，搅拌混合均匀，通过双螺杆挤出机挤出造粒，即得聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）。

1.3.2 阻燃剂的制备

将1.0mol三聚氰胺直接加入到装有250mL蒸馏水的三口烧瓶中，溶解均匀。在恒温水浴锅中加热搅拌，升温至90℃，保持温度恒定，缓慢滴加磷酸96mL，在加入40mL的磷酸时，加大搅拌速度，以免凝固结块，磷酸全部滴加完毕时，保持90℃恒温，搅拌，反应 1.5h，冷却、烘干、研磨得到白色粉状固体磷酸密胺盐(MP)，密封保存。

1.3.3 复合材料的制备

(1)原料的预处理：PA6置于80℃烘箱中干燥6h，相容剂置于100℃烘箱中干燥4h。

(2)挤出造粒：按照工艺配方，将经过预处理的原料混合均匀，然后在双螺杆挤出机上挤出、造粒，完成熔融插层共混法制备阻燃复合材料。

(3)制备样条：将PP/PA6复合材料挤出造粒后进行干燥，在80℃温度下烘干6h，通过注塑成型机注塑制样。

1.4 性能检测

1.4.1 水平燃烧试验

按UL-94垂直燃烧试验标准进行试验，试样尺寸为10.2mm×4.2mm×130mm。燃烧等级的划定：材料的阻燃等级由HB、V-2、V-1向V-0逐级递增。

1.4.2 热重分析

在TGA热重分析仪上进行，以N2作为气氛，气流量为60mL·min-1，升温速率10℃·min-1。温度从23℃上升至600℃。

1.4.3 拉伸性能的测试

按GB /T 9341-2000，将样条在 LJ-500型拉力试验机上进行测试，试验速度为100mm·min-1。

1.4.4 极限氧指数的测定

按GB/T 2406-80规定在ZYT-100型氧指数测定仪上测定试样氧指数。

2 结构与讨论

2.1 PP/PA6热失重分析

图1是PP/PA6复合材料TGA曲线。由图1可以看出，体系的分解温度主要集中在300～400℃之间，随着蒙脱土添加量的增加，体系的初始分解温度变高，失重温差范围变宽，失重速率变慢，600℃时试样的质量残留率增加。当失重率为10%时，热失重对应的温度从301.09℃降低到了286.98℃，可以得出当蒙脱土的剂量增加时，PP/PA6复合材料失重10%时的温度得到了降低，则复合材料的热稳定性得到了好的改善。

图1 PP/PA6复合材料TGA曲线

表1 不同试样的TGA的质量残留率

从实验结果可以看出，添加阻燃剂后，燃烧时通过发生IFR脱水脱氮，形成膨胀炭层，可提高复合材料的热稳定性，同时降低了成炭初始的温度。当蒙脱土添加量为2.5phr时，体系热稳定性最好，600℃的残炭量达到16.1%。

2.2 MMT对复合材料水平燃烧性能的影响

水平燃烧实验数据表见表2。从表2可以看出，IFR体系能有效提高试样的阻燃等级，有较好的阻燃效果。当蒙脱土的添加量为0.5phr时虽然阻燃剂对试样的水平垂直燃烧速度影响并不大，但是在蒙脱土的添加量逐渐增大的时候，试样的发烟量和融滴现象都有较好的改善。当蒙脱土的添加量为1.5phr时，试样无融滴，且发烟量明显降低。在蒙脱土的添加量达到了2phr的时候，样条不仅无融滴而且发烟量微小,因此可以看出蒙脱土的添加量对于试样的阻燃效果起到了很好的作用。

表2 水平燃烧数据

2.3 MMT对复合材料氧指数的影响

表3是MMT对PP/PA6复合材料氧指数的影响。从表3可看出，加入由MP与PER构成的膨胀型无卤阻燃剂IFR后，PP/PA6的阻燃性能得到显著提高。当固定阻燃剂用量为30份，随着 MMT用量的增加，PP/PA6的极限氧指数逐渐提高，当MMT用量为2.0phr时，氧指数达到26.1%，说明由MMT与磷酸密铵盐（MP)和季戊四醇(PER)组成的膨胀型阻燃剂在比例适当时具有良好的阻燃效果。

表3 MMT对PP/PA6复合材料氧指数的影响

2.4 MMT对复合材料力学性能的影响分析

表4列出了MMT的添加量对复合材料力学性能的影响。从表中可看出，复合材料的拉伸强度、冲击强度和弹性模量都呈现出随着MMT用量的增加而先升后降的现象；拉伸强度在 MMT用量为2份时达到最大值33.6MPa ，比单独添加膨胀阻燃剂时增加了20%。这是由于蒙脱土片层厚度仅为几个纳米，与膨胀阻燃剂粒径相比可以较均匀地分布拉伸应力，插层结构也可起到增强作用，同时由于蒙脱土片层长径比很大，与聚合物基体有着良好的界面结合，对基体树脂起到了类似纤维增强的作用，在复合材料受到拉伸时，蒙脱土片层易与基体一起移动，所以材料拉伸强度有所提高。而当 MMT用量继续增加时，复合材料的拉伸强度有所回落，当蒙脱土添加量过大时，可能出现团聚、插层效果降低等现象，导致复合材料力学性能下降。材料的拉伸弹性模量则从209.4MPa下降到155.5 MPa，下降较明显，这是由于阻燃剂与复合材料PP/PA6之间相容性不够好,在基体中分散不均匀，在剪切应力作用下,材料表面很容易产生裂缝,导致材料破坏。

表4 MMT对复合材料力学性能的影响

3 结论

(1)随着蒙脱土用量的增加复合材料体系的热稳定性逐渐提高， 据TGA曲线图可知当蒙脱土添加量为2.5phr时，体系热稳定性最好，600℃的残炭量达到16.1%。

(2)随着蒙脱土用量的增加复合材料PP/PA极限氧指数和力学性能都明显得到提高，当蒙脱土用量为2phr时，其阻燃性能和力学性能达到最优。

[1]欧育湘，陈宇，等.阻燃高分子材料[M].北京：国防工业出版社，2001.

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[8]Balabanovich A L, Engelmann J. Polym Degra and Stab, 2003(79):85-92.

Halogen-free Flame Retardant PP/PA6 Montmorillonite Composites

DUANG Xue-zhao1, LIANG Yu-rong1, WANG Lin-yan2, HU Gang1, YANG Han-xiang1
(1. North University of China, Taiyuan 030051,China;2.Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 03008,China )

Halogen-free flame retardant PP/PA6 composites was prepared with PA6, PP, flame retardants, montmorillonite by direct melt blending preparation. Through horizontal burning, thermogravimetric analysis, oxygen index and mechanical performance test, the content of montmorillonite in the composite material effect on the properties of PP/PA6 composites was test. The results showed that with the increase of the content of montmorillonite in the composite material, its flame retardant properties and mechanical properties were improved, when the amount of 2phr montmorillonite, the comprehensive performance of composite material was achieved the best.

montmorillonite; PP/PA6 composite materials; flame retardant

TQ 314.24+8

A

1671 -9905(2014)03 -0010-03

2014-01-13