阻燃软质PVC的性能研究

阻燃软质PVC的性能研究
张乐;丁雪佳;刘佳;魏永飞;王国胜
【摘要】系统研究了无机阻燃剂(氢氧化铝、硼酸锌、三氧化二锑)对软质聚氯乙烯(PVC)阻燃性能的影响.首先研究了氢氧化铝、三氧化二锑单独使用对软质PVC阻燃性能的影响,研究发现氢氧化铝阻燃效率低于三氧化二锑;然后研究了二元体系氢氧化铝和三氧化二锑、氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC性能的影响,研究发现氢氧化铝和三氧化二锑、氢氧化铝和硼酸锌对软质PVC均具有协同阻燃作用.
【期刊名称】《弹性体》
【年(卷),期】2014(024)003
【总页数】4页(P15-18)
【关键词】阻燃聚氯乙烯;氢氧化铝;三氧化二锑;硼酸锌
【作者】张乐;丁雪佳;刘佳;魏永飞;王国胜
【作者单位】北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京100029;北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京100029;北京化工大学北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室,北京100029;新乡市驼人医疗器械有限公司,河南长垣453400;新乡市驼人医疗器械有限公司,河南长垣453400
【正文语种】中文
【中图分类】TQ325.3
聚氯乙烯(PVC)是最早工业化的塑料品种之一，目前产量仅次于聚乙烯，位居第二位,具有耐腐蚀、可增塑、绝缘性好等优点。

PVC的应用极为广泛，从建筑材料到
汽车制造业，从工农业制品到日常生活用品，涉及到多个行业及领域，例如用于电气行业中如电气用耐热电线电缆及电线电缆的护套；用于汽车行业中如方向盘、顶盖板等；用于建筑行业如各种管材、板材、片材、装潢材料等。

PVC制品分为硬
质和软质2大类，软质PVC中因添加大量的增塑剂，而导致氧指数下降至22%，因此软质PVC材料的阻燃研究十分重要[1]。

目前用作阻燃软质PVC的阻燃剂很多，包括氯化石蜡、磷酸酯、氢氧化铝、三氧化二锑、硼酸锌及红磷。

本文研究了三氧化二锑、硼酸锌和氢氧化铝单独使用及并用对软质PVC阻燃性能的影响。

1 实验部分
1.1 原料
PVC：SG-4,齐鲁石化公司；氧化锑：星贝达(北京)化工材料有限公司；氢氧化铝：中国铝业股份有限公司山东分公司；硼酸锌：北京中西科仪科技有限责任公司。

1.2 仪器设备
双辊开炼机：XH-4L1B，锡华精密检测仪器厂；万能试验机：UTM-1432，承德
市金建检测仪器有限公司；极限氧指数仪：JF-3,南京江宁区分析仪器厂；扫描电
子显微镜(SEM)：S-4700，日本日立公司。

1.3 阻燃PVC的制备方法
将PVC树脂粉、增塑剂和稳定剂按PVC/增塑剂/稳定剂(100/40/1.8)的质量比置
于搅拌机中，制得软质PVC粉。

将改性PVC、阻燃剂等原料按确定比例称量，混合均匀后，在160～165 ℃的双辊混炼机上混炼7 min后放入模具中，在180 ℃下用加硫成型试验机压制10 min成片。

将所制样片在常温下放置24 h后，用万
能制样机裁成氧指数和拉伸样条并测其性能，扫描电镜测试所用样条需在液氮中进
行脆断。

1.4 阻燃PVC的性能测试
氧指数按照GB/T 2406—1993测试；拉伸性能按照GB/T 1040.1—2006测试，样条规格为115 mm×6 mm哑铃型，拉伸速率为50 mm/min。

2 结果与讨论
2.1 三氧化二锑单独使用对软质PVC性能的影响
三氧化二锑对软质PVC阻燃性能及力学性能的影响如图1所示。

三氧化二锑用量/份(a) 氧指数
三氧化二锑用量/份(b) 拉伸强度及断裂伸长率图1 三氧化二锑对软质PVC阻燃性能及力学性能的影响
从图1(a)可以看出，随着三氧化二锑用量的增加，材料的氧指数明显升高，加入4份(质量份，下同)三氧化二锑后氧指数提高了14%。

分析认为，三氧化二锑与Cl
元素生成氯锑化合物[2]，具有明显的协同阻燃效果。

三氧化二锑填充到高分子材
料中时，与基体结合力差，往往会造成高分子材料力学性能下降，如图1(b)所示，材料的拉伸强度和断裂伸长率随着三氧化二锑用量的增加而降低，加入4份三氧
化二锑,拉伸强度下降了12%。

2.2 氢氧化铝单独使用对软质PVC性能的影响
氢氧化铝对软质PVC阻燃性能及力学性能的影响如图2所示。

从图2(a)可以看出，材料的氧指数随着氢氧化铝用量的增加而升高，加入20份氢氧化铝后氧指数提高了4%。

分析认为，氢氧化铝在200～350 ℃左右发生脱水反应，失去结晶水，同时吸收燃烧产生的热量，降低燃烧时的温度，阻止燃烧反应的进行[3],明显地提高了PVC的阻燃性能。

从图2(b)可以看出，随氢氧化铝添加量
的增加,材料的拉伸强度和断裂伸长率降低，这是由于氢氧化铝是无机填充剂，填
充于高分子材料中时，与高聚物之间的相容性很差，因此拉伸强度随其添加量的增
加而降低[4]。

氢氧化铝用量/份(a) 氧指数
氢氧化铝用量/份(b) 拉伸强度及断裂伸长率图2 氢氧化铝对软质PVC阻燃性能及力学性能的影响
2.3 氢氧化铝和三氧化二锑并用对软质PVC性能的影响
氢氧化铝和三氧化二锑并用对软质PVC阻燃性能的影响如图3所示，氢氧化铝和三氧化二锑并用对软质PVC力学性能的影响如图4所示。

由图3可知，当三氧化二锑的用量固定为3份时，氢氧化铝和三氧化二锑配合使
用能够大幅度地提高PVC的氧指数，20份氢氧化铝中加入3份三氧化二锑，PVC 的氧指数提高了15%。

分析认为，三氧化二锑和卤素反应，对PVC产生协效阻燃[2-3,5]，而氢氧化铝受热时释放结晶水，对聚合物产生进一步冷却作用，因此氢
氧化铝和三氧化二锑并用可大幅度提高PVC的氧指数。

如图4所示，拉伸强度和断裂伸长率随着氢氧化铝用量的增加而降低。

氢氧化铝用量/份图3 氢氧化铝和三氧化二锑并用对软质PVC阻燃性能的影响
氢氧化铝用量/份图4 氢氧化铝和三氧化二锑并用对软质PVC力学性能的影响
2.4 氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC性能的影响
氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC阻燃性能的影响如图5所示，氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC力学性能的影响如图6所示。

氢氧化铝用量/份图5 氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC阻燃性能的影响
氢氧化铝用量/份图6 氢氧化铝和硼酸锌并用对软质PVC力学性能的影响
由图5可以看出，与单独使用氢氧化铝作为阻燃剂相比，在氢氧化铝中加入硼酸
锌后PVC的氧指数可升高，当氢氧化铝用量为20份时，加入3份的硼酸锌后PVC的氧指数提高了5%。

分析认为，硼酸锌和氢氧化铝产生协效阻燃作用[6-7]，能够促进碳层的形成从而隔绝氧气，同时阻止内部可燃小分子向外挥发，从而达到
阻燃抑烟作用。

如图6所示，随着氢氧化铝用量的增加,拉伸强度和断裂伸长率均
降低，加入20份氢氧化铝后PVC的拉伸强度下降了15%。

2.5 SEM分析
纯PVC和双组分阻燃体系断面放大1 000倍的SEM照片如图7所示。

(a) 纯PVC
(b) m(PVC)/m(氢氧化铝)/m(三氧化二锑)=100/40/3
(c) m(PVC)/m(氢氧化铝)/m(硼酸锌)=100/40/3图7 样品材料的SEM照片
PVC是高聚物，受到破坏时，其断面表现为韧性断裂。

但是添加大量无机阻燃剂
可能会导致其断裂韧性，从而转变为脆性断裂，降低材料的力学性能。

由图7可
以看出，3张图断口表面比较粗糙，有细小连结丝，均为韧性断裂。

3 结论
(1) 氢氧化铝的阻燃效率低于三氧化二锑，当三氧化二锑的用量为4份时，软质PVC氧指数能够提高14%。

(2) 氢氧化铝复配硼酸锌对软质PVC具有协同阻燃效用，在20份氢氧化铝中加入3份硼酸锌，材料氧指数可提高5%。

(3) 氢氧化铝复配三氧化二锑对软质PVC具有协同阻燃效用，加入20份氢氧化铝和3份三氧化二锑，材料氧指数可提高15%。

参考文献：
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