聚磷酸銨改性及對木塑復(fù)合材料阻燃和力學(xué)性能研究

周煜程 牛 兵 潘國棟 姜洪麗

(泰山醫(yī)學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院，山東 泰安 271016)

木塑復(fù)合材料是指采用木質(zhì)纖維和熱塑性塑料，經(jīng)混煉加工制成的新型綠色環(huán)保材料，它既保持了原材料的特點(diǎn)，又使各組分之間相互協(xié)同，形成了優(yōu)于原有材料的特性。在進(jìn)行木材高技術(shù)新材料的研究方面，木塑復(fù)合材料是最具潛力的一種新型結(jié)構(gòu)用材，這是因?yàn)槟静氖且环N大量可再生的且價格較為低廉的材料，而與之復(fù)合的高分子聚合材料通常是具有廣泛用途的工業(yè)材料，因此價格亦較低廉，將這兩種價格低廉、來源豐富的材料粘合在一起生產(chǎn)出新型的復(fù)合材料，它即能克服木材的強(qiáng)度低和變異性大等使用局限性，又具有比單一高分子材料較好的力學(xué)性能。木塑復(fù)合材料對保護(hù)森林資源和生態(tài)環(huán)境，充分回收、利用廢舊材料，化廢為寶，消除白色污染也有著顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，開發(fā)前景廣闊[1-3]。然而木材和塑料都具有易燃的特點(diǎn)，且燃燒時還會釋放出大量的濃煙和有毒氣體，因此對復(fù)合材料進(jìn)行阻燃成為了制備性能優(yōu)良的木塑復(fù)合材料的關(guān)鍵[4-5]。國內(nèi)外對木塑復(fù)合材料的阻燃研究主要集中于添加低煙、無鹵的磷系阻燃劑，尤其以聚磷酸銨(APP)的應(yīng)用研究最為引人注目。但是由于APP本身具有較強(qiáng)的吸濕性，高溫或者遇潮時，APP粒子易發(fā)生離析，使阻燃性能下降，同時APP高溫易分解，在有機(jī)物中分散能力差，相容性低，對材料加工和力學(xué)性能產(chǎn)生影響[6]。本研究采用乙烯基三甲氧基硅烷(A171)對聚磷酸銨(APP)進(jìn)行改性，制備改性聚磷酸銨(M-APP)，以改善APP在木塑復(fù)合材料中相容性差、力學(xué)性能低的缺點(diǎn)，以HDPE、木粉為主要原料，以改性聚磷酸銨(M-APP) 為阻燃劑，通過雙輥混煉機(jī)熔融共混制備HDPE/木粉復(fù)合材料，并對復(fù)合材料的力學(xué)性能、阻燃性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料

高密度聚乙烯(HDPE)，5000S，大慶石化公司；木粉(直徑178μm)，自制；聚磷酸銨，n>1000，山東世安化工有限公司；乙烯基三甲氧基硅烷，A171，濟(jì)南潤泉化工有限公司；馬來酸酐接枝PE(MAPE)，CMG9804，上海日之升新技術(shù)公司；抗氧劑1010，揚(yáng)子石化公司。

1.2主要儀器設(shè)備

鼓風(fēng)干燥箱，401A型，江都市明珠實(shí)驗(yàn)機(jī)械廠；雙輥混煉機(jī)，SK-100型，哈爾濱特種塑料制品有限公司；平板硫化壓機(jī)，SL-3型，哈爾濱特種塑料制品有限公司；氧指數(shù)儀，JF-3型，江寧縣分析儀器廠；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，RG-20型，深圳瑞格爾儀器有限公司；沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)，XJC-25D型，承德精密試驗(yàn)機(jī)廠。

1.3改性聚磷酸銨(M-APP)的制備

將100 g聚磷酸銨、2.5 ml A171和120 ml無水乙醇放入三口瓶，60 ℃下震蕩反應(yīng)1.5 h，攪拌子轉(zhuǎn)速100 r/min。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物過濾、洗滌，放入烘箱中烘干。

1.4實(shí)驗(yàn)材料的制備

將木粉在120 ℃下鼓風(fēng)干燥箱中烘干24 h脫水；將M-APP在微型粉碎機(jī)中粉碎成末。將木粉、HDPE、MAPE、M-APP、抗氧劑按比例混合均勻，將混合物在雙輥開煉機(jī)上混煉15 min，混煉溫度為165 ℃。然后在熱壓片機(jī)上模壓3 min成復(fù)合材料片材，制樣。

1.5性能測試

力學(xué)性能測試：彎曲強(qiáng)度和彎曲模量參照GB9341-88測試；懸臂梁沖擊強(qiáng)度參照GB/T9341-88測試。極限氧指數(shù)測試(LOI)：參照GB2046-80測試。

2 結(jié)果與討論

2.1阻燃性能分析

在本實(shí)驗(yàn)中，HDPE/木粉復(fù)合體系中均含有固定比例的MAPE(5%MAPE)。表1給出了采用M-APP阻燃的各種不同HDPE/木粉配比的木塑復(fù)合材料極限氧指數(shù)(LOI)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表1中可知， HDPE和木粉配比為70∶30的復(fù)合材料氧指數(shù)為18.6，而配比為50∶50的材料氧指數(shù)為19.2，說明以易燃的HDPE和木粉為原料獲得的HDPE/木粉復(fù)合材料也是易燃材料。通過研究不同M-APP添加量對復(fù)合材料的LOI的影響可知，隨著M-APP添加量的增加，復(fù)合體系的極限氧指數(shù)也隨之增加。比如在HDPE∶木粉=70∶30體系中，當(dāng)M-APP的添加量為5%時，材料的極限氧指數(shù)為22.7%，而M-APP的添加量為25%時，其極限氧指數(shù)為27.3%，極限氧指數(shù)提高了20.3%，說明M-APP的加入，能明顯改善復(fù)合材料的阻燃性能。這是由于M-APP高溫分解產(chǎn)生聚磷酸催化木粉中的聚糖發(fā)生脫水反應(yīng)，生成的氣態(tài)水對復(fù)合材料熱解后產(chǎn)生的揮發(fā)物有稀釋作用。在M-APP體系填充量不變的情況下，隨著木粉含量的增加，材料的氧指數(shù)也有一定的增加。如：在填充15%M-APP體系時，HDPE∶木粉=70∶30的體系中氧指數(shù)為25.2%，HDPE∶木粉=50∶50體系中則為26.1%，這說明木粉的添加有利于復(fù)合材料的阻燃，這可能是因?yàn)椴牧先紵龝r，木粉形成炭層覆蓋在表面，起了成炭劑的作用。

表1 不同HDPE/木粉配比下的極限氧指數(shù)(%)

注：每組HDPE/木粉復(fù)合材料中含有固定比例的MAPE(5%MAPE)

2.2力學(xué)性能分析

不同HDPE/木粉配比下木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖1和圖2。圖1中的三條曲線分別表示三種不同HDPE/木粉比例體系復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨M-APP添加量的變化。由圖可知，隨著木粉含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增大，說明木粉對材料的拉伸性能有增強(qiáng)作用，特別是HDPE∶木粉=50∶50體系,在無添加M-APP下，材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)32.7 MPa；隨著M-APP添加量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度隨之下降，尤其是M-APP添加量大于15%后，拉伸強(qiáng)度下降明顯。比如HDPE∶木粉=60∶40體系中，拉伸強(qiáng)度由29.6MPa(15%M-APP添加量)降低到27.5MPa(25%M-APP添加量)，降低了7.1%。

圖1 IFR添加量和木粉含量對HDPE/木粉復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 IFR添加量和木粉含量對HDPE/木粉復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

圖3 IFR添加量和木粉含量對HDPE/木粉復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

從圖2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，與拉伸強(qiáng)度一樣，隨木粉添加量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有明顯增加，則說明木粉增加了材料的剛性。在相同HDPE/木粉比例體系中，隨M-APP添加量增加，M-APP的添加對復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度影響不大。

圖3給出了材料懸臂梁非缺口沖擊強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。沖擊強(qiáng)度是評價材料韌性的重要指標(biāo)。與彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的變化相反，隨著木粉添加量的增加，材料的沖擊強(qiáng)度下降。在相同HDPE/木粉比例體系中，隨M-APP添加量增加，材料的沖擊強(qiáng)度也明顯地降低。在HDPE∶木粉=50∶50體系中，沖擊強(qiáng)度由18.7 KJ·m-2降低到8.9 KJ·m-2，降低了52%。在M-APP添加量達(dá)到25%時，三個體系的沖擊強(qiáng)度數(shù)值接近。

3 結(jié) 論

(1) 氧指數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著木粉含量的增加，材料的極限氧指數(shù)提高；在HDE/木粉配比相同條件下，材料的阻燃性隨M-APP添加量的增加而增大，M-APP的加入使復(fù)合材料具有良好的阻燃性能。 (2) 力學(xué)性能測試表明隨著木粉添加量的增加, HDPE/木粉復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度增加，而沖擊強(qiáng)度降低，但隨著M-APP添加量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度有明顯降低，彎曲強(qiáng)度變化不大。

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