插層水滑石的抑煙性能研究

段金鳳 ，李樹新 ，王魯靜 ，劉彥余 ，王艷輝 ，肖學(xué)文 ，索偉

(1.山東泰星新材料股份有限公司，濟南 250200； 2.山東新升實業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，濟南 250215)

隨著合成和天然高分子材料的應(yīng)用遍布人類生活的各個領(lǐng)域，因其易燃性而帶來的火災(zāi)威脅就時刻存在。根據(jù)實驗和事實證明，阻燃處理過的高分子材料可有效減少火災(zāi)隱患、降低火災(zāi)風(fēng)險[1]。但是事實也表明，阻燃并非不燃，有燃燒就伴隨產(chǎn)生煙塵廢氣，有些阻燃塑料，尤其是鹵銻體系阻燃塑料的生煙量更甚[2]。在20 世紀70 年代，人們已經(jīng)意識到煙霧是火災(zāi)中致人死亡的首要危險因素[3]。因此材料的阻燃抑煙研究顯得格外的重要。

水滑石由于本身所具備的特殊結(jié)構(gòu)，其分子結(jié)構(gòu)中的氫氧化物層中存在著一些水分子，這些水分子可在不破壞層狀結(jié)構(gòu)的條件下除去，層間受熱脫出的水及羥基分解產(chǎn)生的水均能稀釋空氣中的氧氣和聚合物分解生成的可燃性氣態(tài)產(chǎn)物，水滑石結(jié)構(gòu)中的受熱分解放出的二氧化碳同時利于阻隔氧氣而起到阻燃效果。此外，水滑石層板上含有堿性位，對酸性氣體有吸附作用，可以有效地吸收產(chǎn)生的酸霧，而且水滑石在高溫?zé)岱纸馑a(chǎn)生的鎂鋁復(fù)合金屬氧化物具有較大的比表面積和表面吸附性，對燃燒時產(chǎn)生的煙霧具有較好的吸附性，因此理論上水滑石的特殊結(jié)構(gòu)能夠在材料燃燒時表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃抑煙性能[4–12]。

筆者主要是利用煙密度(Ds)測試箱對一種特殊結(jié)構(gòu)的插層水滑石在純乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVAC)樹脂、無鹵線纜料、熱塑性彈性體動態(tài)硫化橡膠(TPV)阻燃料、聚氯乙烯(PVC)阻燃料、三元乙丙橡膠(EPDM)等材料中的阻燃抑煙性進行研究，探索該插層水滑石在高分子材料中的實際抑煙性能，這些實驗結(jié)果可為水滑石在改性高分子材料中抑煙性方面應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，對水滑石在阻燃抑煙行業(yè)的使用具有指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1．1 主要原材料

插層水滑石：插層B／P，北京化工大學(xué)；

氫氧化鋁：HT-205，山東泰星新材料股份有限公司；

溴銻類阻燃劑1：山東泰星新材料股份有限公司；

溴銻類阻燃劑2：山東泰星新材料股份有限公司；

PVC：PSM–31，上海品塑實業(yè)有限公司；

EVAC(VA 含量28%)：日本三井集團；

TPV：山東道恩高分子材料有限公司；

天然橡膠：上海多康實業(yè)有限公司；

EPDM：上海多康實業(yè)有限公司；

乙烯-辛烯共聚物(POE)接枝料，聚乙烯(PE)(7042)：市售。

1．2 主要設(shè)備及儀器

雙螺桿擠出機：HT–30 型，南京橡塑機械廠；

開放式煉膠機：XK–16 型，青島學(xué)青橡膠機械有限公司；

平板硫化機：XLB–D 型，青島學(xué)青橡膠機械有限公司；

煙密度測試箱：NBS 型，莫帝斯燃燒技術(shù)(中國)有限公司。

1．3 樣品制備

EVAC 樣品、無鹵線纜樣品、TPV 樣品的制備：按照一定的配方加入高混機中，啟動低速檔，3 min后啟動高速檔，6 min 后出料?；旌虾玫奈锪辖?jīng)擠出機擠出造粒，經(jīng)壓片機制得一定厚度的樣片，利用裁刀按照檢測標準制得75 mm×75 mm 的正方形測試樣條。

PVC 樣品的制備：按照一定的配方在開煉機中開練得到混合均勻的物料，經(jīng)壓片機制得一定厚度的樣片，利用裁刀按照檢測標準制得75 mm×75 mm 的正方形測試樣條。

橡膠樣品的制備：按照一定的配方在密煉機中密煉得到初步混合均勻的物料，然后在開煉機上開練得到混合均勻的物料，經(jīng)壓片機制得一定厚度的樣片，利用裁刀按照檢測標準制得75 mm×75 mm的正方形測試樣條。

1．4 性能測試

Ds測試：用NBS 煙密度測試箱按照GB／T 8323–2008 標準進行Ds測試。

2 結(jié)果與討論

2．1 插層水滑石在純EVAC 樹脂中的抑煙性能

表1 是插層水滑石在純EVAC 樹脂中的實驗配方表，根據(jù)此配方表制備抑煙測試樣品，并采用NBS 煙密度測試箱按照 GB／T 8323–2008 進行Ds測試，測試結(jié)果如圖1 所示。

表1 插層水滑石在純EVAC 樹脂中的配方表

圖1 不同水滑石添加量時純EVAC 樹脂Ds

圖1 為純 EVAC 樹脂中分別添加 0，1%，3%，5%插層水滑石的EVAC 的Ds曲線圖。從圖1 可以看出，在純EVAC 樹脂中，隨著水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生煙速率也得到了大幅度的下降。當添加量為1%時，開始4 min時的煙密度能夠降低76%，最大煙密度(Dsmax)能夠降低65%。說明在純EVAC 樹脂中，水滑石在添加量很少的情況下即可起到較好的抑煙效果，水滑石的加入可大大減少EVAC 的發(fā)煙量。主要是因為EVAC 受熱產(chǎn)生的煙霧主要是熱解產(chǎn)物烯烴殘片環(huán)化聚合所形成的炭粒和燃燒釋放的酸性氣體以及水蒸氣等，水滑石高溫分解形成的復(fù)合金屬氧化物具有高的比表面積，可有效吸附材料釋放的酸性煙霧，表現(xiàn)出較好的抑煙性能[13]。然而，材料的抑煙效率并沒有隨水滑石添加量的增大而顯著增大，這是因為水滑石為層狀多羥基金屬氧化物，由于粒子的表面效應(yīng)而具有巨大的表面能，極易團聚；同時隨著水滑石添加量的提高其團聚的幾率增大，所以在添加量差距不大的情況下，在抑煙效率上并沒有表現(xiàn)出明顯的差別[14]。

2．2 插層水滑石在無鹵線纜料中的抑煙性能

表2 是插層水滑石在無鹵線纜料中的實驗配方表，根據(jù)此配方表制備抑煙測試樣品，并采用Ds測試箱按照GB／T 8323–2008 標準進行Ds測試，測試結(jié)果如圖2 所示。

表2 插層水滑石在無鹵線纜料中的配方

圖2 不同水滑石添加量時無鹵線纜料的Ds

圖2 為無鹵線纜料中分別添加0，1%，3%，5%，10%插層水滑石的無鹵線纜料的Ds曲線圖。從圖中可以看出，在無鹵線纜料中，隨著水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生煙速率也得到了大幅度的下降。當添加量為1%時，開始4 min 時的煙密度能夠降低67%，Dsmax能夠降低39%，但是隨著水滑石添加量的繼續(xù)增加，Ds下降不明顯。說明在無鹵線纜料中，水滑石在添加量很少的情況下即可起到較好的抑煙效果，水滑石的加入可大大減少無鹵線纜料的發(fā)煙量。另外，從圖中也可看出，無鹵線纜料在未加水滑石情況下，在測試時間16 min 之后，已檢測不到Ds，說明材料已燃燒完，而加入水滑石后，直到測試結(jié)束仍然可檢測到Ds，說明材料未燃燒完全，二者對比可說明水滑石對無鹵線纜料具有一定阻燃效果，可以延緩材料的燃燒速率?？紫槲脑谄湮恼轮幸驳贸鲞^相近結(jié)論[15]。

2．3 插層水滑石在TPV 中的抑煙性能

表3 是插層水滑石在TPV 阻燃料中的實驗配方表，根據(jù)此配方表制備抑煙測試樣品，并采用Ds測試箱按照GB／T 8323–2008 標準進行Ds測試，測試結(jié)果如圖3 所示。

表3 插層水滑石在TPV 阻燃料中的配方

圖3 不同水滑石添加量時TPV 阻燃料的Ds

圖3 為TPV 阻燃料中分別添加0，1%，5%插層水滑石的TPV 阻燃料的Ds曲線圖。從圖中可以看出，在TPV 阻燃料中，隨著水滑石添加量的增加，材料的Ds大幅度下降，材料的生煙速率也得到了大幅度的下降。當添加量為5%時，開始4 min 時的煙密度能夠降低61%，Dsmax能夠降低41%左右。說明水滑石在TPV 阻燃料中能起到較好的抑煙效果，添加水滑石于TPV 材料中可大大減少其發(fā)煙量，改性料廠家可根據(jù)需求添加適當比例的水滑石于配方中作抑煙劑使用。

2．4 插層水滑石在PVC 中的抑煙性能

表4 是插層水滑石在PVC 阻燃料中的實驗配方表，根據(jù)此配方表制備抑煙測試樣品，并采用Ds測試箱按照GB／T 8323–2008 標準進行Ds測試，測試結(jié)果如圖4 所示。

表4 插層水滑石在PVC 阻燃料中的配方

圖4 不同水滑石添加量時PVC 阻燃料Ds

圖4 為 PVC 阻燃料中分別添加 0，2，4，6，8 份插層水滑石的PVC 阻燃料的Ds曲線圖。從圖中可以看出，在PVC 阻燃料中，隨著水滑石添加量的增加，材料的Ds逐漸下降。當添加量為8 份時，開始4 min 時的煙密度能夠降低21%，Dsmax能夠降低22.5%。整體來看，在PVC 阻燃料中，水滑石在添加量較少的情況下，抑煙效果不明顯，要想達到較好的抑煙效果，水滑石的添加量要在4 份以上。另外，鄭秀婷等發(fā)現(xiàn)水滑石在PVC 中的分散性對其應(yīng)用效果具有顯著影響[14]。因此，要想使水滑石充分發(fā)揮其抑煙效果，在材料加工過程中需要考慮其在材料中的分散性。

2．5 插層水滑石在天然橡膠中的抑煙性能

表5 為插層水滑石在天然橡膠復(fù)合料中的配方及Ds測試數(shù)據(jù)表，從表5 看出，插層水滑石添加到天然橡膠復(fù)合料中材料的Ds沒有得到降低，反而有升高的趨勢，說明水滑石不適合在天然橡膠復(fù)合料中作抑煙劑使用。

表5 插層水滑石在天然橡膠復(fù)合料中的配方及性能測試

2．6 插層水滑石在EPDM 中的抑煙性能

表6 是插層水滑石在EPDM 復(fù)合料中的實驗配方表。

表6 插層水滑石在EPDM 復(fù)合料中的配方

根據(jù)此配方表制備抑煙測試樣品，并采用NBSDs測試箱按照 GB／T 8323–2008 標準進行Ds測試，測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同水滑石添加量時EPDM 復(fù)合材料的開始4 min Ds 和Ds max

圖5 為 EPDM 復(fù)合料中分別添加 0，2，4，6，8份插層水滑石的EPDM 復(fù)合料的開始4 minDs和Dsmax曲線圖。從圖中可以看出，在EPDM 復(fù)合料中，隨著水滑石添加量的增加，材料的Ds逐漸下降。當添加量為8 份時，開始4 min 時的比光密度能夠降低28%，Dsmax能夠降低7%。說明水滑石加入在EPDM 復(fù)合料中能起到抑煙的作用。另外，根據(jù)劉義林等人文獻報道，水滑石在EPDM 中具有較好的阻燃效果[16]。綜合說明水滑石可在EPDM 復(fù)合料中作阻燃抑煙劑使用。

3 結(jié)論

通過Ds測試，研究了插層水滑石在純EVAC樹脂、無鹵線纜料、TPV 阻燃料、PVC 阻燃料、天然橡膠復(fù)合料、EPDM 復(fù)合料中的抑煙性能。結(jié)果表明，插層水滑石添加1%時的EVAC 樹脂其Dsmax較純EVAC 樹脂降低了65%，表現(xiàn)出了明顯的抑煙效果，但隨著水滑石添加量的增大，其抑煙效果提升并不明顯；添加1%時的無鹵線纜料其Dsmax較其空白對照配方降低了39%；添加5%時的TPV 阻燃料其Dsmax較其空白對照配方降低了41%；添加了8 份的PVC 阻燃料其Dsmax較其空白對照配方降低了22.5%；添加了8 份的EPDM 復(fù)合料其Dsmax較其空白對照配方降低了7%；但其在天然橡膠復(fù)合材料中未表現(xiàn)出相應(yīng)的抑煙性能。說明該插層水滑石可在純EVAC 樹脂、無鹵線纜料、TPV 阻燃料、PVC 阻燃料、EPDM 復(fù)合料中作阻燃抑煙劑使用，但不適合應(yīng)用于天然橡膠復(fù)合材料中。