Nylon6復(fù)合材料的阻燃性能研究

王 超，李迎春，胡國(guó)勝

（中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030051）

Nylon6是當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用極為廣泛的工程塑料之一，通常應(yīng)用于汽車、機(jī)械以及電子電器產(chǎn)品的功能性部件．但其阻燃性能差，燃燒過程中放出有毒有害的氣體，導(dǎo)致其應(yīng)用場(chǎng)合受到限制．為了使Nylon6獲得更好的應(yīng)用，Nylon6 材料的阻燃研究日益受到人們的重視．由于含鹵阻燃劑的阻燃效果明顯，以往的Nylon6阻燃材料大多選取含鹵化合物作為阻燃劑［1－5］．然而，含鹵阻燃劑受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒煙氣，對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，大大損害人身和環(huán)境的安全．因而，Nylon6材料的開發(fā)越來越傾向于無鹵阻燃方向．作為一種高效的環(huán)境友好型阻燃劑，三聚氰胺尿酸鹽（MCA）在Nylon6中表現(xiàn)出較好的阻燃性能．但由于其燃燒時(shí)呈現(xiàn)氣相阻燃機(jī)理，單獨(dú)使用其阻燃性能較差．因此只添加MCA 很難得到理想的阻燃效果，熔滴現(xiàn)象嚴(yán)重．滑石粉作為一種防熔滴劑添加到Nylon6 中可以防止其在燃燒過程中發(fā)生熔滴現(xiàn)象，同時(shí)改善制品的收縮率、吸水率，熱變形溫度和降低成本［4－11］．同時(shí)由于OMMT 具有低廉、無毒、促進(jìn)成炭等突出優(yōu)點(diǎn)而成為迅速發(fā)展的Nylon6用阻燃劑．

目前雖然有單獨(dú)使用三聚氰胺尿酸鹽（MCA）、滑石粉、OMMT 對(duì)Nylon6性能影響的研究報(bào)道，但同時(shí)添加這三種填料的研究到目前為止未見報(bào)道．本論文研究了Nylon6 與MCA、滑石粉、OMMT 復(fù)合對(duì)Nylon6復(fù)合材料各種性能的影響規(guī)律，獲得最佳的力學(xué)性能和阻燃性能［7，12－17］．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所需原料見表1．

表1 主要實(shí)驗(yàn)藥品Tab．1 Experimental materials and reagents

1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用主要儀器設(shè)備見表2．

表2 主要儀器設(shè)備Tab．2 Main experimental instruments and equipments

1．3 實(shí)驗(yàn)配方

實(shí)驗(yàn)配方見表3．

表3 實(shí)驗(yàn)配方Tab．3 Experimental recipes

1．4 阻燃Nylon6試樣制備

將一定量的MCA、滑石粉、OMMT 與Nylon6 通過雙螺桿擠出機(jī)熔融共混，在料筒溫度250～260 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速60r／min下擠出造粒．粒料由注塑機(jī)分別注塑成標(biāo)準(zhǔn)沖擊、拉伸試樣．

1．5 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按GB／T1040－1992測(cè)定；

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB／T 1843—1996測(cè)定；熔融指數(shù)測(cè)試采用XRZ－400熔融指數(shù)儀測(cè)定阻燃Nylon6熔體指數(shù)，測(cè)試條件為溫度235 ℃，負(fù)荷2．16kg．將試樣拉伸斷面噴金處理后用SEM 觀察斷面并拍照．極限氧指數(shù)按GB／T 2046－1993測(cè)定．

2 結(jié)果與討論

2．1 MCA、滑石粉、OMMT 含量對(duì)Nylon6拉伸強(qiáng)度的影響

圖1為不同滑石粉、MCA 和有機(jī)蒙脫土用量對(duì)Nylon6拉伸強(qiáng)度的影響．從圖中可以看出，隨著填料用量的增加，Nylon6拉伸強(qiáng)度都有不同程度的增加，其中添加滑石粉的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa增加到87．33 MPa，增加11．7%．添加MCA 的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa增加到90．65 MPa，增加16%．添加蒙脫土的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa 增加到89．47 MPa，增加14．5%．這三種填料中MCA 對(duì)提高Nylon6拉伸強(qiáng)度最為顯著，其次是蒙脫土，滑石粉的增強(qiáng)效果最差．這是因?yàn)閺?fù)合材料力學(xué)性能很大程度上取決于無機(jī)填料在樹脂中的分散狀態(tài)和界面結(jié)合力．在這三種填料中，MCA 與尼龍的極性相近，界面結(jié)合力最強(qiáng)，所以增強(qiáng)效果最佳；有機(jī)蒙脫土與尼龍相似相溶，界面結(jié)合良好；滑石粉與尼龍的界面結(jié)合最弱．當(dāng)無機(jī)填料的含量較低時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物基體的有效增強(qiáng)，增強(qiáng)效果不太明顯；當(dāng)填料的含量較高時(shí)，增強(qiáng)效果明顯．當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10%時(shí)，Nylon6復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為85．54 MPa，比純Nylon6 的拉伸強(qiáng)度78．13 MPa，提高將近10%．

圖1 阻燃劑種類和用量對(duì)Nylon6拉伸強(qiáng)度的影響Fig．1 Tensile strength effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．2 MCA、滑石粉、OMMT 含量對(duì)Nylon6沖擊強(qiáng)度的影響

圖2為不同滑石粉、MCA 和有機(jī)蒙脫土用量對(duì)Nylon6沖擊強(qiáng)度的影響．從圖中可以看出，隨著填料用量的增加，Nylon6沖擊強(qiáng)度都有不同程度的降低．表明添加無機(jī)填料后，內(nèi)聚能密度降低，Nylon6 的韌性降低．當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10% 時(shí)，Nylon6 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為5．54kJ／m2，比純尼龍的沖擊強(qiáng)度7．2kJ／m2，降低了將近23%．繼續(xù)增加滑石粉、MCA、蒙脫土的用量，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅度下降．由此表明，無機(jī)填料的添加對(duì)Nylon6沖擊強(qiáng)度有不同程度的降低，大量添加無機(jī)填料后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅度降低．

圖2 阻燃劑種類和用量對(duì)Nylon6沖擊強(qiáng)度的影響Fig．2 Impact strength effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．3 熔融指數(shù)測(cè)定

圖3 為不同滑石粉、MCA 和蒙脫土用量對(duì)Nylon6熔融指數(shù)的影響．從圖中可以看出，隨著填料用量的增加，Nylon6熔融指數(shù)呈整體下降的趨勢(shì)．表明添加無機(jī)填料后，Nylon6的流動(dòng)性降低，加工性能變差．當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10%時(shí)，Nylon6復(fù)合材料的熔融指數(shù)為0．78g／10 min，比純尼龍的熔融指數(shù)為0．87g／10min 降低將近10%．減少或增加滑石粉、MCA、蒙脫土的用量，復(fù)合材料的熔融指數(shù)都將低于該值，表明當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10%時(shí)，Nylon6復(fù)合材料的加工性能最佳．熔融指數(shù)太小會(huì)導(dǎo)致材料無法注射成型而且表觀性能也不佳．

圖3 阻燃劑種類和用量對(duì)Nylon6熔融指數(shù)的影響Fig．3 Melt index effects of Nylon6with types and dosages of fire retardants

2．4 掃描電鏡測(cè)試

圖4 為不同純Nylon6 和不同有機(jī)蒙脫土含量的拉伸斷面掃描電鏡圖．從圖中可以看出，純尼龍的拉伸斷面比較粗糙，隨著有機(jī)蒙脫土含量的增加，表面變得更加粗糙．當(dāng)有機(jī)蒙脫土含量為10份時(shí)，拉伸斷面的溝壑非常明顯，材料拉伸過程中由于分子鏈的取向吸收更多的能力，對(duì)應(yīng)其拉伸強(qiáng)度最高，繼續(xù)增加有機(jī)蒙脫土的用量，斷面的粗糙程度降低，表面變得越來越光滑，其力學(xué)性能降低．

圖4 Nylon6及其復(fù)合材料的拉伸斷面掃描電鏡圖Fig．4 Tensile fracture SEM of Nylon6and its composites

2．5 氧指數(shù)測(cè)試

圖5 為有機(jī)蒙脫土用量對(duì)Nylon6 復(fù)合材料氧指數(shù)的影響．從圖中可以看出，隨著有機(jī)蒙脫土用量的增加，氧指數(shù)逐漸增加，當(dāng)有機(jī)蒙脫土含量為10%時(shí)，Nylon6 復(fù)合材料的氧指數(shù)由20．71% 升高到27．89%，增加了35%，繼續(xù)增加有機(jī)蒙脫土用量，氧指數(shù)增加不明顯．表明當(dāng)有機(jī)蒙脫土含量為10%時(shí)，有機(jī)蒙脫土在燃燒過程中已經(jīng)形成了致密的炭層，所以繼續(xù)增加有機(jī)蒙脫土的用量，氧指數(shù)增加不大．

圖5 有機(jī)蒙脫土用量對(duì)Nylon6氧指數(shù)的影響Fig．5 Oxygen index effects of Nylon6with different dosages of OMMT

3 結(jié) 論

本文主要研究了滑石粉、MCA、有機(jī)蒙脫土的用量對(duì)Nylon6力學(xué)性能和阻燃性能的影響，可以得出以下結(jié)論：

1）隨著填料用量的增加，Nylon6拉伸強(qiáng)度都有不同程度的增加，其中添加滑石粉的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa增加到87．33 MPa，增加了11．7%．添加 MCA 的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa增加到90．65 MPa，增加了16%．添加蒙脫土的拉伸強(qiáng)度從空白的78．13 MPa增加到89．47 MPa，增加了14．5%．這三種填料中MCA對(duì)提高Nylon6 拉伸強(qiáng)度最為顯著，其次是蒙脫土，滑石粉的增強(qiáng)效果最差．

2）隨著填料用量的增加，Nylon6沖擊強(qiáng)度都有不同程度的降低．表明添加無機(jī)填料后，內(nèi)聚能密度降低，Nylon6的韌性降低．當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10% 時(shí)，Nylon6 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為5．54kJ／m2，比純尼龍的沖擊強(qiáng)度7．2kJ／m2，降低了將近23%．繼續(xù)增加滑石粉、MCA、蒙脫土的用量，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅度下降．由此表明，無機(jī)填料的添加對(duì)Nylon6沖擊強(qiáng)度有不同程度的降低，大量添加無機(jī)填料后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度大幅度降低．

3）隨著填料用量的增加，Nylon6熔融指數(shù)呈整體下降的趨勢(shì)．表明添加無機(jī)填料后，Nylon6的流動(dòng)性降低，加工性能變差．當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10%時(shí)，Nylon6 復(fù)合材料的熔融指數(shù)為0．78g／10min，比純尼龍的熔融指數(shù)為0．87g／10min降低將近10%．減少或增加滑石粉、MCA、蒙脫土的用量，復(fù)合材料的熔融指數(shù)都將低于該值，表明當(dāng)滑石粉的用量為20%，MCA 的用量為10%，蒙脫土的用量為10%時(shí)，Nylon6復(fù)合材料的加工性能最佳．

4）有機(jī)填料的加入可以提高Nylon6 的氧指數(shù)，當(dāng)有機(jī)蒙脫土含量為10%時(shí)，Nylon6復(fù)合材料的氧指數(shù)由20．71%升高到27．89%，增加了35%，繼續(xù)增加有機(jī)蒙脫土用量，氧指數(shù)增加不明顯．

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