氨基硅油对阻燃HDPE护套管的改性

氨基硅油对阻燃H DPE 护套管的改性　Ξ
王选伦,冯建民,杨鸣波3
(四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065)
摘要:通过加入无卤阻燃剂(氢氧化镁)和抑烟剂(水合硼酸锌)使高密度聚乙烯达到阻燃抑烟的效果。

测试了试样的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率、氧指数、维卡软化点,并进行了电镜分析。

针对无卤阻燃体系韧性下降很大的缺点,采用氨基硅油进行改性。

结果表明,氨基硅油可在一定程度上改善材料的韧性,但同时使材料的拉伸强度和模量大幅下降,且不能提高体系的氧指数。

关键词:阻燃;高密度聚乙烯;氢氧化镁;硼酸锌;无卤;低烟;氨基硅油
中图分类号:T Q32511+2 文献标识码:B 文章编号:1005-5770(2003)12-0016-03
自2000年以来,我国铁通和网通沿京汉、京沪
和胶济铁路合资修建了数千公里的多孔高密度聚乙烯(H DPE )管道(外管是H DPE 护套管)。

这种管道投入使用一年来,几乎所有光缆中断事故都是由火灾引起的。

所以长途光缆安全维护的首要任务是明设管道的防火问题[1]。

因此,对H DPE 护套管的无卤低烟阻燃研究十分重要。

国内外对氢氧化镁(MH )/硼酸锌(Z B )复配阻燃剂在E VA 、PVC 等基体中的应用做了较多研究[2,3],但对MH/Z B 复配阻燃H DPE 的研究很少。

本文主要研究了MH/Z B 阻燃H DPE 体系的力学性能和燃烧性能,以及氨基硅油对该体系的改性效果,并作了一些机理上的探讨。

1　实验部分
111　原料
H DPE :2480,齐鲁石化公司;超细MH :1200
目,安徽凤阳粉体材料厂;水合Z B (分子式为2ZnO ・3B 2O 3・315H 2O ):成都科龙化工试剂厂;抗氧剂1010:上海汽巴高桥化学有限公司;氨基硅油:中蓝晨光化工研究院;乙烯基三乙氧基硅烷:A151,中蓝晨光化工研究院。

112　主要设备及仪器 氧指数测定仪:HC -2,江宁县分析仪器厂;维卡耐热仪:RW -3,河北省承德市试验机厂;注射成型机:PS40E5ASE ,日本日精树脂工业株式会社;双螺杆挤出造粒机组:TSS J -50,中蓝晨光塑料机械研究所;高速混合器:SHR -10A ,张家港市大辰机械有限公司;悬臂梁冲击试验机:U J -40,河北省承德
市材料试验机厂;电子拉力试验机:RG T -10,深圳瑞格尔仪器有限公司;扫描电子显微镜:JS M -5900LV ,日本J E O L 仪器公司。

113　混料工艺
MH 与Z B 的质量比为10∶1,预先用A151共混处理,共混时间为10min 。

工艺流程:
MH
Z B
H DPE
→称量→高速混合机混料→双螺杆造粒→注塑制样→性能测试
114　制样
本实验采用精密注射成型机制备拉伸、冲击及氧指数样条,设定最高温度为200℃。

115　性能测试
拉伸性能:按G B/T 1040-1992测试,拉伸速率50mm/min ;缺口冲击强度:按G B/T 1843-1996测试;氧指数:按G B/T 2406-1993测试;维卡软化温度(T VS ):按G B/T 1633-2000测定,介质为硅油,升温速率120℃/h ,负荷1000g ;形态观察:电镜,试样液氮脆断,断面喷金。

2　结果与讨论
211　MH /ZB 阻燃H DPE 体系的燃烧和耐热性能
图1是MH 用量对体系LOI 和T VS 的影响。

从图1可以看出,阻燃体系的氧指数随MH 用量的增大而逐渐增大;在MH 用量为100phr 时,阻燃体系的氧指数达到了28%。

从图1还可以看出,阻燃体系的维卡软化温度随MH 用量的增大变化不明显,这说明MH 用量对体系的维卡软化温度的影响非常小。

它们
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61・塑料工业
CHI NA P LASTICS I NDUSTRY 第31卷第12期2003年12月
Ξ通讯联系人
作者简介:王选伦,男,硕士生,目前主要从事无卤抑烟阻燃聚烯烃的研究。

jiuyuanwang @tom 1com
的维卡软化点都在120℃以上。

图1　MH 用量对体系LOI 和T VS 的影响
Fig 1　E ffect of MH content on LOI and T VS of com posite
212　MH /ZB 阻燃H DPE 体系的力学性能
图2和图3是MH 用量对体系强度和韧性的影
响。

从图2、图3可以看出,经过表面处理的MH 和Z B 加入H DPE 中,体系的拉伸强度变化不大;但模量大幅度提高。

说明MH 确有填充增强的作用。

究其原因是硅烷偶联剂使填料与基体树脂之间的粘结强度增加,界面作用增强了。

但是过强的界面作用却使材料的脆性增加,使材料出现拉伸脆断行为。

图2　MH 用量对体系强度的影响
Fig 2　E ffect of MH content on strength of com
posite
图3　MH 用量对体系韧性的影响
Fig 3　E ffect of MH content on toughness of com posite
因此,阻燃剂与树脂基体间的粘结强度要适中。

如果在提高阻燃剂与树脂基体间粘结强度的同时,使复合材料具有一定厚度的柔性界面层,将有利于界面
应力松弛,以消除由于基体和阻燃剂膨胀系数相差较
大在加工成型时产生的内应力。

若复合材料具有一定
厚度的柔性界面层,就可能自行消除所产生的微裂纹,亦能协调平衡其力学性能[4]。

213　氨基硅油对MH /ZB 阻燃H DPE 体系燃烧和耐热性能的影响
少量的氨基硅油具有柔软剂的作用,且可提高阻燃剂在基体中的分散效果,从而提高复合材料的阻燃性;同时,氨基硅油具有一定的分子极性[5],可以增加极性阻燃剂和无极性基体间的相容性。

基于此,我们采用氨基硅油对本体系进行了改性。

在氨基硅油的改性试验中,每个配方中MH 的用量都是100phr ,Z B 的用量是10phr 。

图4是氨基硅油对MH/Z B 阻燃HPDE 体系LOI 和T VS 的影响。

从图4可以看出,氨基硅油用量小于2phr 时,体系的氧指数略有降低;大于2phr 后,体系的氧指数有所回升,但仍低于未加氨基硅油的体系。

总趋势是变化不太大。

这说明加入氨基硅油并不能提高本体系的阻燃性;同时,氨基硅油对本体系的耐热性能影响不大。

图4　氨基硅油对体系LOI 和T VS 的影响
Fig 4　E ffect of amino silicone oil on LOI and T VS of com posite
214　氨基硅油对MH /ZB 阻燃H DPE
体系的改性
图5　氨基硅油用量对体系强度的影响
Fig 5　E ffect of amino silicone oil content on strength of com posite
图5和图6是氨基硅油用量对MH/Z B 阻燃H DPE 体系强度和韧性的影响。

从图5、图6可以看出,氨基硅油可以在一定程度上改善本体系的韧性;但同时
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71・第31卷第12期王选伦等:氨基硅油对阻燃H DPE 护套管的改性
大大降低了材料的拉伸强度和模量。

其原因可能是氨
基硅油的加入削弱了阻燃剂与树脂基体的粘结强度;同时氨基硅油包覆在阻燃剂表面,可能形成柔性界面层,使体系韧性增加;另外,氨基硅油提高了阻燃H DPE 的加工性,制品的表面光洁度增加。

图6　氨基硅油用量对体系韧性的影响
Fig 6　E ffect of amino silicone oil content on toughness of com posite
215　阻燃H
DPE 复合材料的相形态
a -未改性
b -硅油2phr
图7　改性前后的阻燃材料相形态
Fig 7　M orphology of flame retardant com posite before and
after m odification
图7是改性前后的阻燃材料相形态,改性前后试
样中MH 的用量都是100phr 。

从图7a 可以看出,MH 的颗粒大小很不均匀,在宽度方向有的小于1μm ,
而有的则在2μm 左右;且MH 与树脂基体的相界面清晰,说明它们之间的相容性较差。

从图7还可以明显看到大块的MH 颗粒存在,这既可能造成在颗粒较大处形成应力集中点,使体系的冲击强度等大幅下降;同时使阻燃剂在整个体系中分布不均匀,导致阻燃效果在试样不同的地方出现差异。

在我们的氧指数测试过程中,确实观察到了这种现象。

从改性前后试样的冷冻脆断断面可以明显看到,改性后的基体呈网状结构,呈现韧性材料断裂特征;这可能是改性后体系冲击强度等大幅提高的主要原因。

4　结论
1)随着MH/Z B 用量的增加,阻燃体系的韧性急剧降低,拉伸强度变化不大,弹性模量有很大增加。

2)为了得到比较均衡的力学性能,阻燃剂与树脂基体间粘结强度要适中,复合材料要具有一定厚度的柔性界面层。

3)阻燃剂的添加对阻燃体系维卡软化温度的影响很小。

4)氨基硅油可在一定程度上改善材料的韧性,但同时使材料的拉伸强度和模量大幅下降。

另外,氨基硅油不能提高体系的氧指数。

可以认为,添加氨基硅油是提高MH/Z B 高填充H DPE 阻燃材料韧性的廉价、方便和实用的途径。

参
考文献
1　邢朝阳,菅军1铁道通信信号,2002,38(2):232　黄小葳1阻燃材料与技术,2001,(3):93　孙大沂1电子元件,1996,(3～4):160
4　吴培熙,沈健1特种性能树脂基复合材料1北京:化学工
业出版社,2003171
5　谭武红1纺织科学研究,1999,(2):45
(本文于2003-08-23收到)
Study on Modification of F lame R etardant H DPE C able Sheathing Compound by Amino Silicone Oil
W ANG Xuan 2lun ,FE NGJian 2min ,Y ANG Ming 2bo
(C ollege of P olymer Sci 1and Eng 1,S ichuan University ,Chengdu 610065,China )
Abstract :In this paper ,halogen 2free flame 2retardant (magnesium hydroxide )and sm oke suppressant additives (zinc bo 2rate )were used to im prove the flame retardant behavior of H DPE 1The tensile strength ,elastic m odulus ,elongation at break ,oxygen index and T VS of the sam ples were tested ,and SE M was em ployed to observe the m orphology of the system 1Due to the obvious decrease of the im pact strength of halogen 2free flame retardant systems ,amino silicone oil was used to im prove the toughness of the system 1The results showed that amino silicone oil could im prove the im pact strength to a certain extent ,but als o made the tensile strength and m odulus decrease greatly 1At the same time the amino silicone oil could not im prove the oxy 2gen index of the system 1
K eyw ords :Flame Retardant ;H DPE ;Magnesium Hydroxide ;Z inc Borate ;Halogen 2free ;Low Sm oke ;
Amino Silicone Oil
・81・塑　料　工　业2003年。