碱式硫酸镁晶须阻燃PVC/ABS合金的研究

唐开菊　王渴　翟松涛　唐龙祥　 胡国华

碱式硫酸镁晶须阻燃PVC/ABS合金的研究

唐开菊王渴翟松涛唐龙祥 胡国华

(合肥工业大学化学与化工学院, 安徽 合肥, 230009)

摘要：用碱式硫酸镁晶须(MOS)与不同的抑烟剂复合阻燃聚氧乙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PVC/ABS)合金，利用垂直燃烧、极限氧指数、热重分析、拉伸试验等手段研究了PVC/ABS合金的阻燃性能及力学性能。结果表明：质量分数20%MOS填充的PVC/ABS合金具有优异的阻燃性能和力学性能，且MOS和三氧化钼复合具有较好的抑烟作用。

关键词：碱式硫酸镁晶须聚氯乙烯丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物合金无卤阻燃抑烟

聚氯乙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PVC/ABS)合金具有优异的力学性能，广泛应用于汽车、电器、建筑等领域。然而，PVC，ABS在燃烧测试时生烟量颇高，影响其在低烟环保材料中的应用。关于PVC，ABS阻燃抑烟方面的研究已有大量的文献报道[1-2]。MOS[MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O]作为一种无卤阻燃剂，其高温受热分解产生大量的水蒸气，具有良好的阻燃效果。但是，MOS阻燃聚合物的文献报道很少[3]。本研究以MOS分别与蒙脱土(MMT)、硼酸锌(ZB)、三氧化钼(MoO3)及氧化铁(Fe2O3)4种抑烟剂复合阻燃PVC/ABS合金，以期制备出环保高阻燃、低烟的PVC/ABS合金。

1试验部分

1.1原料

PVC，SG7，浙江巨化股份有限公司；ABS ，GP-22，德国巴斯夫有限公司；MOS，153，长径比大于80，辽宁营口威斯特化学有限公司；稀土复合稳定剂，淄博天信化工有限公司；三氧化钼、氧化铁，国药集团化学试剂；硼酸锌，合肥烷燃新材料科技有限公司；有机蒙脱土，上海梁典化学品有限公司。

1.2样品制备

PVC，ABS和阻燃剂及稳定剂在XSS-300型转矩流变仪(上海科创有限公司产)密炼室内进行密炼，密炼温度180～190 ℃，密炼时间8 min。密炼所得的混合物经过平板硫化机在190 ℃下热压，制成厚分别为3 mm和1 mm的阻燃性能及力学性能测试样条。

1.3性能测试

垂直燃烧测试：按照GB/T 2048—1996标准在CZF-3型水平垂直燃烧仪(南京江宁分析仪器厂产)上进行，试样的尺寸为100.0 mm×13.0 mm×3.0 mm。

极限氧指数(LOI)测试：按照ASTM D2863标准在HC-2A型氧指数测定仪(南京江宁分析仪器厂产)上进行，试样的尺寸为100.0 mm×6.5 mm×3.0 mm。

烟密度测试：按照ASTM D2843 标准在JSC-2型塑料烟密度试验装置(南京江宁分析仪器厂产)上进行，试样的尺寸为25.0 mm×25.0 mm×3.0 mm。

热重分析试验：在TG-STA449F3热重分析仪(德国耐驰公司产)上进行，试验的气氛为空气，升温速率为10 ℃/min，温度为25～800 ℃。

力学性能测试：拉伸性能测试按照GB/T 528—2009在CMT-4000型电子万能试验机(深圳新三思材料检测公司产)上进行，样条在万能制样机上裁成宽为10 mm的长条状，拉伸速率为50 mm/min；冲击强度测试按照GB/T 3808—2002标准，悬臂梁，V型缺口，缺口深度为2 mm，试样的尺寸为60.0 mm×10.0 mm×3.0 mm，测试在室温下进行。

扫描电子显微镜(SEM)：用JSM-6490LV 钨灯丝SEM(日本制造有限公司产)观察燃烧后的炭层形貌。

2 结果与讨论

2.1 MOS的填充量对合金性能的影响

MOS填充量对PVC/ABS合金的阻燃与力学性能的影响见表1。从表1可以看出，质量分数20%MOS填充PVC/ABS合金达到V-0级别，LOI达到32%，阻燃性能远远优异于纯PVC/ABS合金的。一方面由于MOS填充所引起的应力集中所导致的材料拉伸强度降低，另一方面由于MOS是一种针状短纤维结构，具有力学补强作用[4]，能部分弥补MOS与PVC/ABS相容性差所造成的力学性能降低，所以综合两方面因素，拉伸强度仅小幅度降低。

表1　MOS的填充量对PVC/ABS合金性能影响

注:配方中PVC与ABS质量比为1∶1，稀土复合稳定剂质量分数5%，下同。

2.2 MOS与抑烟剂复合阻燃PVC/ABS合金

综合考虑PVC/ABS合金的阻燃性能和力学性能，取质量分数20%的MOS与质量分数5%的抑烟剂复合阻燃PVC/ABS合金，具体性能见表2。由表2可看出，相比较而言，质量分数20%MOS和质量分数5%MoO3复合阻燃PVC/ABS合金，不仅使材料具有优异的阻燃性能，而且可以起到抑烟的作用。与仅填充质量分数20%MOS的PVC/ABS合金相比，燃烧释放的烟量变小且烟雾气成白色，但目前钼类化合物抑烟的机理尚未完全确定[5]。另外，从表2亦可看出，加入抑烟剂后，MOS阻燃的PVC/ABS合金的拉伸强度和冲击强度均有小幅度降低。

表2　MOS与抑烟剂复合阻燃对PVC/ABS合金性能的影响

2.3阻燃机理

图1给出了纯MOS，PVC/ABS，PVC/ABS/MOS(MOS质量分数20%)及PVC/ABS/MOS/MoO3(MOS质量分数20%，MoO3质量分数5%)的热失重(TG)和热失重微分(DTG)曲线。

从图1(b)可看出，纯MOS及其填充阻燃的PVC/ABS合金的DTG曲线都有2个热失重峰。对于纯MOS而言，第1个热失重峰的起始温度为268.3 ℃，其峰值温度为301.2 ℃。对照图1(a)可知，MOS的第1个热失重峰主要是因为MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O分子脱去结晶水所造成的，MOS的DTG曲线的第2个热失重峰起始温度为352.0 ℃，峰值温度为408.7 ℃，MOS的第2个热失重峰主要是因为MgSO4·5Mg(OH)2分子内脱水而引起的。对比PVC/ABS，PVC/ABS/MOS及PVC/ABS/MOS/MoO3的TG曲线看出，MOS的加入使得PVC/ABS合金的起始分解温度提高，最终分解温度延后，这主要是由于MOS高温分解释放大量水蒸气的缘故。MOS阻燃PVC/ABS合金的机理：1)MOS高温分解释放大量水蒸气的过程中会吸收部分的燃烧热且释放的大量水蒸气可起到稀释可燃气体浓度的作用；2)高温分解残余的金属化合物会残留在炭层中，该炭层覆盖在PVC/ABS合金表面，可隔绝或延缓部分的热及空气进入基体材料的内部。

2.4 炭层形貌

图2给出了PVC/ABS，PVA/ABS/MOS(MCS质量分数20%)及PVC/ABS/MOS/MoO3(MOS质量分数20%，MoO3质量分数5%)合金LOI测试后的炭层SEM照片。

图1 热分析

图2　SEM分析

从图2(a)中可看出，PVC/ABS合金燃烧残余的炭层松散破碎，不连续且有很多大的孔洞，这种炭层结构起不到很好的隔绝作用，外界的热和空气很容易进入基体材料的内部，所以阻燃性能不好。而图2(b)和图2(c)中的炭层相对连续致密，没有明显大的孔洞，这种炭层能起到很好的隔绝外界热和空气的作用，赋予材料优异的阻燃性能。图2(c)由于PVC抑烟剂及成炭剂MoO3的加入，使得炭层更致密平滑连续。

3结论

a)质量分数20%MOS填充的PVC/ABS合金材料具有优异的阻燃性能。

b)MOS/MoO3复合阻燃PVC/ABS合金，不仅赋予合金较高的LOI和UL-94 V-0级别，而且有效地抑制了PVC/ABS合金燃烧时产生的黑色漂浮物，黑烟变稀变淡。

参考文献

[1]胡婧, 李锦春. 磷酸酯与无机阻燃剂协同阻燃PC/ABS合金研究[J]. 现代塑料加工应用, 2011,23(1):53-56.

[2]SERGEL V, LEVCHIK, Edward DWell. Overview of the recent literature on flame retardant and smoke suppression in PVC [J]. Polymers for Advanced Technologies, 2005, 16(10):707-716.

[3]吴强华, 唐龙祥, 瞿保钧. 碱式硫酸镁晶须阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的研究[J]. 功能高分子学报, 2005, 18(6):255-259.

[4]陈尔凡, 田雅鹃, 周本廉. 晶须增强体及其复合材料研究进展[J]. 高分子材料科学与工程, 2002, 18 (4):1-5.

[5]朱新生, 石晓丽, 蒋雪璋, 等. 添加剂对 PVC 热稳定性和阻燃抑烟性能影响的机理分析[J]. 聚氯乙烯, 2006,34(4):19-24.

Studies on Flame Retarded PVC/ABS Alloys by Magnesium Sulfate Whisker

Tang Kaiju Wang Ke Zhai Songtao Tang Longxiang Hu Guohua

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Hefei University of Technology, Hefei,Anhui, 230009)

Abstract：PVC/ABS alloys were flame retarded by magnesium sulfate whisker (MOS) compound with different smoke suppression agents. The flame retardancy and mechanical properties of flame-retardant PVC/ABS alloys were studied by means of vertical burning, limiting oxygen index (LOI), thermogravimetry analysis (TGA) and tensile test ect. The results show that PVC/ABS alloys with 20% MOS owns excellent flame retardancy and mechanical properties. Moreover, MOS compound with molybdenum oxide has a good smoke suppression effect.

Key words：magnesium sulfate whisker; poly(vinyl chloride); acrylonitrile-butadiene-styrene compolymer; alloys； halogen-free flame-retardant；smoke suppression

收稿日期：2015-07-06;修改稿收到日期:2015-10-15。

作者简介：唐开菊，1989年生，合肥工业大学化工学院在读研究生，主要从事高分子材料功能化改性研究。E-mail：18255154143@163.com。

DOI：10.3969/j.issn.1034-3065.2016.01.014