PE-RT/PP/氫氧化鎂微粉復(fù)合材料的研究

劉啟明,劉勇旭,李良波,孟平蕊

(1.濟(jì)南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東濟(jì)南250022;2.山東省建設(shè)科技中心,山東濟(jì)南250001)

0 前言

近年來耐熱聚乙烯(PE-RT)因其耐熱和韌性,以及可以焊接、熱熔等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于建筑采暖和熱水供應(yīng)的工程中[1]。PE-RT是乙烯和辛烯共聚物,屬于中密度聚乙烯。材料在保留PE良好的柔韌性的條件下,提高了耐熱性能,且屬于非交聯(lián)制品。與交聯(lián)材料比較,除了熱熔焊接,材料還具有可以回收利用等優(yōu)勢。但是與聚丙烯材料相比,在一定溫度條件下的拉伸強(qiáng)度不足,一般只在低溫、低壓的熱水體系中使用,如低溫地板輻射采暖等。對于承受較高內(nèi)壓的暖氣片散熱采暖體系,則PE-RT材料的管道不宜選用。另外,用于暖氣片散熱的塑料輸送管道,有很大部分需要明敷安裝,存在燃燒風(fēng)險。由于普通塑料管道的易燃性,明敷管道需要進(jìn)行材料的阻燃改性,提高耐燃級別,降低燃燒風(fēng)險。

氫氧化鎂微細(xì)粉具有良好的阻燃性能。由于分解溫度較高,適合于加工溫度較高的聚丙烯和耐熱型的共聚乙烯材料的阻燃改性[2]。

本研究在材料內(nèi)共混了超細(xì)微粉的氫氧化鎂阻燃劑,提高了材料的阻燃性能,可以達(dá)到建筑內(nèi)部裝飾裝修阻燃塑料材料的要求[3]。氫氧化鎂屬于無鹵阻燃劑。其阻燃機(jī)理是放出水蒸氣,驅(qū)散助燃?xì)怏w和有毒煙霧,降低溫度,燃燒本身不會釋放有毒成分。與其他阻燃劑比較,更有利于人身安全。雖然氫氧化鎂粉體能夠提高材料的阻燃性能,但是會影響材料強(qiáng)度。研究中使用了經(jīng)過一定含量的硅烷處理的納米氫氧化鎂微粉,能夠達(dá)到與聚合物更好地分散和互容,能夠抑制團(tuán)聚的發(fā)生,有利于該共混材料的機(jī)械性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用原料

耐熱聚乙烯PE-RT粒料,韓國生產(chǎn);聚丙烯粉料PP,燕化4220;抗氧劑168,1010,德國產(chǎn);微粉Mg(OH)2,平均粒徑小于3μm,實(shí)驗(yàn)室采用鹵水-氨沉淀法制備工藝;硅烷偶聯(lián)劑A-172,美國產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

(1)改性粒料的制備

(2)復(fù)合材料的制備

(3)管材制造

1.3 性能測試

拉伸強(qiáng)度按照 GB 1040-92,在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為25 mm/min;

氧指數(shù)按照 GB/T 2406-93,在 HC-2氧指數(shù)測定儀上測定;

使用本生燈燃燒材料試樣,觀察發(fā)煙狀況。

管材的液壓試驗(yàn)按照 GB 6111-2003,在塑料管道液壓試驗(yàn)儀上進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP與材料體系力學(xué)性能的關(guān)系

在PE-RT與Mg(OH)2微粉及PP共混體系,在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg(OH)2條件下,改變體系中PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù),得到共混體系的機(jī)械性能,如表1所示。

表1 PP與材料機(jī)械性能的關(guān)系Tab.1 Effect of PP on material’s mechanical properties

由表1可見:材料的拉伸強(qiáng)度隨著PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而上升。當(dāng)達(dá)到20%時,材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到36 MPa,比不含PP的提高了25%以上。但隨著PP的加入,斷裂伸長率呈明顯的下降,材料的柔韌性降低。

2.2 Mg(OH)2微粉與材料體系機(jī)械性能的關(guān)系

在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯的共混體系,使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鎂微粉,測試材料的機(jī)械性能,結(jié)果如圖1,2所示。結(jié)果表明:材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著氫氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高,都呈明顯下降的趨勢。氫氧化鎂微粉會導(dǎo)致材料的機(jī)械性能降低。

按照一定的份數(shù),使用少量的硅烷偶聯(lián)劑對氫氧化鎂的表面進(jìn)行改性,仍舊按原來的質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入到共混復(fù)合材料體系中,檢測其不同氫氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料機(jī)械性能,即:材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率,其結(jié)果如圖1,2所示。

圖1 拉伸強(qiáng)度與氫氧化鎂的關(guān)系Fig.1 The relationship between Mg(OH)2and tensile strength

圖2 斷裂伸長率與氫氧化鎂的關(guān)系Fig.2 The relationship between Mg(OH)2and elongation at break

圖1、2可知:材料的機(jī)械性能仍舊隨著氫氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈下降趨勢,但是下降的幅度與沒有表面改性的氫氧化鎂微粉的明顯降低。硅烷表面改性的氫氧化鎂,對于改善該復(fù)合體系的機(jī)械性能是有效的。

2.3 Mg(OH)2微粉與材料阻燃性能的關(guān)系

在一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯的PE-RT與氫氧化鎂微粉及PP共混復(fù)合體系中,使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鎂微粉,測試其復(fù)合體系的氧指數(shù)和煙霧產(chǎn)生量,結(jié)果見表2。超微細(xì)氫氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加可以有效提高材料的氧指數(shù),也有效地減少了煙霧的量。微細(xì)氫氧化鎂粉體有效提高了材料的阻燃性能。當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到32%時,其氧指數(shù)可以達(dá)到28,滿足GB 50222-95建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范關(guān)于B2級的氧指數(shù)大于等于27的要求。

表2 氫氧化鎂與材料阻燃性的關(guān)系Tab.2 Effect of Mg(OH)2on burn-resisiance

2.4 管材的內(nèi)壓試驗(yàn)

使用該復(fù)合材料在擠出機(jī)中擠出成型管材。所制管材壁厚度2 mm,外部直徑25 mm。在塑料管道水壓試驗(yàn)儀中,對其進(jìn)行了水壓試驗(yàn):管道內(nèi)外水溫度為25°C,連續(xù)穩(wěn)定水壓3.0 MPa承載6 h,結(jié)果管材無破裂和明顯變形,符合液壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

按照標(biāo)準(zhǔn) GB 6111-2003計算環(huán)應(yīng)力:δ= P(D-e)/2e。其中:δ表示環(huán)應(yīng)力,P表示試驗(yàn)壓力,D表示外部直徑,e表示管材最小壁厚。計算結(jié)果為環(huán)應(yīng)力18 MPa,其常溫條件下的耐壓性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

使用耐熱聚乙烯、聚丙烯、氫氧化鎂微粉三元復(fù)合可以制得具有一定阻燃性能、拉伸性能、斷裂伸長率的復(fù)合共混材料。材料的拉伸性能隨著PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而上升,斷裂伸長率則有所下降;氫氧化鎂微粉對于阻燃性能的改善顯著,在氫氧化鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%時,氧指數(shù)達(dá)到了28。該共混復(fù)合材料可以擠出成型,所制管材承受液壓載荷的環(huán)應(yīng)力達(dá)到18 MPa。

[1] 張成武.耐熱聚乙烯(PE-RT)管材[J],塑料,2003,32(3): 78-83.

[2] 李良波,孟平蕊,解竹柏,等,超微細(xì)Mg(OH)2復(fù)合阻燃改性PP2R的研究[J],工程塑料應(yīng)用,2004,32(7):12-14.

[3] GB 50222-95.《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計防火規(guī)范》[S].