一種新型三元膨脹阻燃劑的設(shè)計及其阻燃性能的研究

張 咪 李嘉瑋 王新龍

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，南京，210094)

乙酸-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）是目前使用最廣泛的乙烯類共聚物，已被用于發(fā)泡材料、汽車與電氣配件、絕緣材料、薄膜熱熔膠等眾多領(lǐng)域[1-3]。但是EVA是易燃材料，且燃燒時會產(chǎn)生熔滴和有毒氣體，對人身安全及自然環(huán)境均會造成嚴(yán)重威脅。因此，對EVA進(jìn)行阻燃改性對拓寬其應(yīng)用范圍以及降低安全隱患都意義重大[4]。

酒糟（DDGS）是白酒工業(yè)的副產(chǎn)物，來源廣泛，成本低廉，且含碳量高，可作為膨脹系阻燃劑的炭源來使用[5]。三聚氰胺聚磷酸鹽（MPP）含P、N等阻燃元素，在受熱分解時會產(chǎn)生NH3，能起到稀釋氧氣和可燃?xì)怏w濃度的作用，同時生成的磷酸類產(chǎn)物能夠以液膜的形式覆蓋在材料表面形成保護(hù)層[6]。因此MPP能同時起到酸源和氣源的作用。金屬元素鋯具有良好的催化成炭作用，能夠改善炭層結(jié)構(gòu)，減緩燃燒速率。鋯離子與有機(jī)配體ATMP（結(jié)構(gòu)如圖1所示）組成的納米氮基三亞甲基磷酸鋯(Zr-ATMP)尺寸小，熱穩(wěn)定性好，有機(jī)配體ATMP還能夠改善阻燃劑與樹脂基體的相容性，是良好的協(xié)效阻燃劑[7]。

圖1 ATMP結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of ATMP

下面以DDGS為炭源，MMP為酸源和氣源，Zr-ATMP為協(xié)效阻燃劑，EVA為基體，通過熔融共混的方式制備出EVA/DDGS/MPP/Zr-ATMP復(fù)合材料，同時研究了該復(fù)合材料的性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料及儀器

EVA，EVA460，熔點 88 ℃，美國杜邦公司；三聚氰胺聚磷酸鹽（MPP），鎮(zhèn)江星型阻燃劑有限公司；白酒酒糟（DDGS），洋河酒廠有限公司；納米氮基三亞甲基磷酸鋯（Zr-ATMP），自制。

雙螺桿擠出機(jī)，JAS-10型，微型注塑機(jī)，SZS-15型，均為武漢市瑞鳴塑料機(jī)械制造公司；切粒機(jī)，DQ型，泰州鑫力橡塑機(jī)械有限公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 酒糟的預(yù)處理及納米Zr-ATMP的制備

酒糟需進(jìn)行預(yù)處理以除去其表面的各種雜質(zhì)。方法是：先將酒糟晾曬約72 h以充分揮發(fā)乙醇；將晾曬后的酒糟粉碎并過60目標(biāo)準(zhǔn)篩。將篩出的酒糟粉末按照酒糟∶水=1∶100的質(zhì)量比例加到去離子水中，攪拌40 min，靜置沉降。充分沉降后進(jìn)行抽濾，將濾出的酒糟50℃烘干，再次粉碎并過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，收集粉末備用。參考文獻(xiàn)[7]所述方法制備納米Zr-ATMP粒子。

1.2.2 膨脹阻燃復(fù)合材料的制備

在膨脹阻燃復(fù)合材料中，EVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在50%，炭源質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%，酸源、氣源和Zr-ATMP總量為37.5%，通過少量添加并改變Zr-ATMP的添加量，來測試膨脹阻燃復(fù)合材料的性能，并分析納米Zr-ATMP起到的作用。

按表1的配比稱取EVA，DDGS，MPP以及納米Zr-ATMP等原料并混合均勻，置于烘箱中50℃干燥12 h。利用雙螺桿擠出機(jī)在195℃下將混勻的原料進(jìn)行2次擠出、冷卻、造粒過程。再利用注塑機(jī)在模具溫度50℃下將復(fù)合材料注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條備用。

表1 EVA/DDGS//MPP/Zr-ATMP膨脹阻燃復(fù)合材料配方列表Tab.1 Formulae of EVA composites samples

1.3 性能測試及表征

掃描電鏡測試（SEM）：采用日本日立公司的Joel-6380LV型掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料的斷面特征和燃燒殘?zhí)康谋砻嫘蚊策M(jìn)行分析。

維卡軟化溫度測試 (VST)：依照國標(biāo)GB/T1633-2000，試樣為厚 3～6.5 mm，長 10×10 mm 的正方形，采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司的ZWK1302-B微機(jī)控制熱變形維卡軟化點試驗機(jī)測試。砝碼質(zhì)量50 N負(fù)荷，升溫速率120℃/h，位移上限為1 mm。

力學(xué)性能測試：依照國標(biāo)GB/T 1040.1-2006來測試材料的力學(xué)性能，測試采用注塑得到20×3×2 mm的啞鈴狀樣條，采用深圳新三思材料檢測有限公司的CMT型萬能試驗機(jī)。

熱失重分析(TGA)：采用日本 Shimadzu公司的DTG-60型熱重分析儀在N2氣氛中測試。稱取樣品質(zhì)量3～5 mg，設(shè)置氣體流量為20 mL/min，從20℃升溫至800℃，升溫速率20℃/min。

阻燃實驗：氧指數(shù)測試（LOI）和垂直燃燒實驗（UL-94）依照國標(biāo) GB/T 10707-2008，利用注塑成型得到100×8×3 mm的長條形樣條進(jìn)行試驗，采用南京江寧儀器分析廠的JF-3型氧指數(shù)儀和CZF-3型水平垂直燃燒測定儀。

紅外光譜分析（FTIR）：溴化鉀壓片法，KBr與樣品粉末以 1∶（50～100）比例混合研磨壓片，采用日本shimadzu公司的FT-IR-8400S型紅外光譜儀測試，掃描范圍400～4000 cm-1。

X射線衍射分析(XRD)：采用德國Bruker公司的D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析殘?zhí)康慕Y(jié)晶性能，掃描范圍 5°～80°。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷面形貌分析

圖2 EVA復(fù)合材料斷面SEM圖 (a)：EVA-0(b)：EVA-3 Fig.2 SEM of EVA composite section

圖 2（a）、（b）分別是樣品編號為 EVA-0 和 EVA-3的斷面SEM圖。從（a）中可明顯觀察到，僅添加DDGS/MPP的EVA-0樣品斷面存在一定的裂縫和孔洞。這是由于MPP和DDGS極性較強(qiáng)，與EVA基體的相容性較差[8]。而納米Zr-ATMP粒子的引入提高了阻燃體系與EVA基體的相容性，如圖（b）所示，EVA-3樣品斷面的裂縫大大減少，孔洞基本消失。

2.2 力學(xué)性能分析

圖3展示了EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率。實驗結(jié)果表明，膨脹阻燃劑的引入會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。僅添加DDGS/MPP時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為5.69 MPa和90.3%，較純EVA分別下降了8.44 MPa和78.8%。這是因為DDGS和MPP與EVA基體的相容性差，復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力集中點增多，力學(xué)性能下降。當(dāng)添加少量（≤2%）的納米Zr-ATMP時，填料和基體的相容性增加，力學(xué)性能有所提高。當(dāng)添加量進(jìn)一步增大時，由于粒子團(tuán)聚而產(chǎn)生應(yīng)力集中點，使得復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

圖3 EVA復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of EVA composites

2.3 熱性能分析

圖4 EVA復(fù)合材料TG曲線及質(zhì)量殘留率Fig.4 TG curves and mass residue rates of EVA composites

圖4 是復(fù)合材料TG曲線及質(zhì)量殘留率。從圖中可以看出，隨著膨脹阻燃劑的引入，EVA在高溫下的熱穩(wěn)定性得到改善，同時其殘?zhí)柯蚀蠓岣摺腡G曲線可以看出，膨脹阻燃EVA復(fù)合材料的分解半壽溫度t50%較純EVA均有小幅提升。同時，比較樣品EVA-0至EVA-5的t50%可以發(fā)現(xiàn)，納米Zr-ATMP的引入可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料在高溫下的熱穩(wěn)定性，隨著Zr-ATMP添加量的提高，復(fù)合材料的T50%呈先增后減趨勢且在添加量為3%時達(dá)到最大值482.9℃。類似的情況也發(fā)生在樣品的殘?zhí)柯噬希S著阻燃劑的引入，復(fù)合材料的殘?zhí)柯瘦^純EVA均有很大提高。只添加DDGS/MPP的EVA-0樣品的殘?zhí)柯蔬_(dá)到12.5%；在此基礎(chǔ)上分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～5%的納米Zr-ATMP后，復(fù)合材料的殘?zhí)柯实玫竭M(jìn)一步提升且在添加量為4%時達(dá)到最大值21.9%。

2.4 阻燃性能分析

圖5 EVA復(fù)合材料的阻燃性能Fig.5 Flame retardant behaviors of EVA composites

圖5 是EVA膨脹阻燃體系極限氧指數(shù)及垂直燃燒實驗結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，加入DDGS和MPP后，樣品EVA-0的極限氧指數(shù)較純EVA有明顯提高，達(dá)到27.0%，且UL-94垂直燃燒測試達(dá)到V-2級。但熔滴現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這說明MPP催化成炭作用比較有限，無法生成比較致密的膨脹炭層，因而抗熔滴性能較差。隨著Zr-ATMP添加量的提高，復(fù)合材料的阻燃性能得到改善，添加量為3%的樣品EVA-3極限氧指數(shù)達(dá)到30.5%，垂直燃燒達(dá)到V-0級。這說明Zr-ATMP對酒糟成炭起到了很大的催化作用，炭層變得連續(xù)、致密，抑制了熔滴現(xiàn)象。但是進(jìn)一步提高Zr-ATMP的添加量，材料的阻燃性能下降，添加量為5%的樣品EVA-5的極限氧指數(shù)只有27.5%，同時垂直燃燒也只能達(dá)到V-1級。這可能是因為Zr-ATMP加入量增加后會因為團(tuán)聚使分布變得不均勻。

2.5 殘?zhí)糠治?/h3>

圖 6 樣品 EVA-3的殘?zhí)糠治?（a）、（b）殘?zhí)?SEM 圖 （c）殘?zhí)康腦RD （d）樣品燃燒后的形貌Fig.6 Analysis of carbon residue of Sample EVA-3:(a)&(b)SEM photos;(c)XRD images and(d)Morphology of the sample after combustion

圖 6（a）、（b）、（c）、（d）是樣品 EVA-3 燃燒后的殘?zhí)糠治?，其中（a）、（b）是殘?zhí)?SEM 圖，（c）是殘?zhí)康腦RD，（d）是樣品氧指數(shù)測試后的形貌圖。由圖（d）可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在燃燒之后形成了明顯炭層，圖（a）、（b）證明該炭層連續(xù)且致密，能夠在凝聚相中起到良好的阻燃效果。圖（c）中在2θ=24°附近有一個寬峰出現(xiàn)，是典型的石墨（002）晶面衍射峰，說明DDGS/MPP/Zr-ATMP阻燃EVA時能夠促進(jìn)體系生成炭層，同時炭層有石墨結(jié)構(gòu)，熱屏蔽效應(yīng)較好，使得阻燃性能有明顯的提升。另外，譜圖中位于 18.2°、21.5°、24.0°、27.1°、30.7°、36.3°、49.7°處的這些衍射峰對應(yīng)于焦磷酸鋯的（111）、（200）、（210）、（211）、（220）、（311）、（420）等晶面。這說明Zr-ATMP在自身催化成炭的過程中，降解生成焦磷酸鋯，這一產(chǎn)物粒徑小、熱穩(wěn)定性好，起到了增強(qiáng)炭層穩(wěn)定性的作用[9]。

綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)：在膨脹阻燃體系的燃燒過程中，MPP能夠同時發(fā)揮氣相阻燃和凝聚相阻燃的作用。MPP在阻燃過程中會產(chǎn)生大量不燃?xì)怏w，稀釋了氧氣及可燃?xì)怏w的濃度，起到氣相阻燃作用；燃燒過程中形成的連續(xù)且致密的炭層起到了凝聚相阻燃的效果[10]。而Zr-ATMP在阻燃體系中充分發(fā)揮了對成炭的促進(jìn)作用，同時，殘?zhí)勘砻娓街恍╊w粒狀物質(zhì)，這是Zr-ATMP在受熱分解后形成的磷酸鋯類產(chǎn)物，該產(chǎn)物在炭層內(nèi)部起到了支撐作用，這樣也提升了炭層的強(qiáng)度，有利于提升復(fù)合材料的阻燃性能。

3 結(jié)論

（1）在EVA基體中添加DDGS/MPP阻燃劑會造成EVA力學(xué)性能的下降；繼續(xù)引入納米Zr-ATMP后，阻燃劑與基體的相容性變好，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到改善；當(dāng)三組分添加量分別為12.5%、35.5%、2%時，復(fù)合材料的力學(xué)性能最好。

（2）DDGS/MPP/Zr-ATMP膨脹阻燃體系可以提高EVA在高溫下的熱穩(wěn)定性和殘?zhí)柯?。?dāng)Zr-ATMP的添加量為3%，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好；添加量為4%時，殘?zhí)柯蔬_(dá)到21.9%。

（3）DDGS/MPP/Zr-ATMP膨脹阻燃體系可以同時發(fā)揮氣相阻燃和凝聚相阻燃作用，可以明顯提高EVA的阻燃性能。當(dāng)三組分添加量分別為12.5%、35.5%、3%時，復(fù)合材料的極限氧指數(shù)達(dá)到30.5%，UL-94可實現(xiàn)V-0級。

（4）由樣品殘?zhí)糠治鼋Y(jié)果可知，DDGS/MPP/Zr-ATMP膨脹阻燃體系可以使EVA在燃燒過程中生成石墨結(jié)構(gòu)的炭層，且炭層致密均一，可有效發(fā)揮隔熱隔氧作用。