阻燃改性木粉/聚苯乙烯復(fù)合裝飾材料的性能

胡 靜

(中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院建筑工程系， 鄭州 451191)

木塑復(fù)合材料(WPC)是由木材和熱塑性塑料或熱固性塑料復(fù)合而成的一種新型環(huán)保材料[1]。木塑復(fù)合材料具有實(shí)用性高、可降解、無污染、成本低等優(yōu)點(diǎn)。與天然木材或傳統(tǒng)木塑復(fù)合材料(如刨花板或纖維板)相比，WPC的發(fā)展歷程雖然較短，卻已迅速應(yīng)用到各種工業(yè)領(lǐng)域，如建筑、室內(nèi)裝飾、門窗、地板和汽車內(nèi)飾。木塑復(fù)合材料由不同類型的天然纖維和熱塑性塑料復(fù)合而成，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乳酸(PLA)。因聚烯烴基塑料具有循環(huán)可再生的優(yōu)勢，其廣泛用于包括包裝在內(nèi)的各個領(lǐng)域。Zhao等[2]及Wang等[3]研究表明，發(fā)泡木塑復(fù)合材料是制備低密度、高力學(xué)性能木塑復(fù)合材料的有效基質(zhì)。構(gòu)成木塑復(fù)合材料的木粉和塑料極限氧指數(shù)(LOI)低于21都是可燃物[4]，復(fù)合材料的應(yīng)用受限于阻燃性能。因此，提高復(fù)合材料的阻燃性對于制備符合使用要求的木塑復(fù)合材料至關(guān)重要。

目前，適用于木塑復(fù)合材料的阻燃劑形式各樣。其中，非鹵系阻燃劑、含磷化合物由于其產(chǎn)生非常少的煙霧和有毒氣體而成為常用的阻燃劑[5-6]。它們通過形成難以點(diǎn)燃的焦炭在凝聚相中起著非常好的阻燃效果，焦炭可以抑制氣態(tài)產(chǎn)物擴(kuò)散到熱解區(qū)并保護(hù)聚合物表面免受熱和空氣的影響，起到延緩材料燃燒的作用[5-8]。屬于此類阻燃劑的聚磷酸銨(APP)是當(dāng)前WPC阻燃研究的熱點(diǎn)。APP具有熱穩(wěn)定性能好、無毒抑煙、阻燃性能高、能與其他物質(zhì)協(xié)效等優(yōu)點(diǎn)[9]。Zhao等[10]、Lim等[11]、Sain等[12]研究了聚磷酸銨(ammonium polyphosphate, APP)對天然纖維阻燃性的影響，發(fā)現(xiàn)APP比其他磷化合物如磷酸三丁酯、磷酸三烯丙酯或三烯丙基磷酰三胺更安全、便宜，且更能有效地改善天然纖維的塑料極限氧指數(shù)(limiting oxygen index, LOI)。李斌等[13]發(fā)現(xiàn)5wt%APP含量的黃麻纖維和椰子纖維具有最優(yōu)的線性燃燒率。Hristov等[14]研究了硼和磷酸鹽化合物對木粉-PP復(fù)合材料防火性能的影響，錐形量熱儀測試的熱釋放率表明磷酸鹽處理比硼處理的復(fù)合材料具有更好的阻燃性能。因此，APP對提高WPC的阻燃性效果更明顯。

近年來，APP改性WPC是當(dāng)前木塑復(fù)合材料阻燃性研究的熱點(diǎn)[15]。但是目前關(guān)于APP阻燃劑改性木纖維/PS復(fù)合材料的相關(guān)研究較少，現(xiàn)通過將APP加入到PS基木塑復(fù)合材料中，對比研究阻燃劑對木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料的阻燃性能、熱降解性能、熱穩(wěn)定性以及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PS原料采用食品、電子產(chǎn)品和家用電器的包裝材料，購自惠州信仁新材料股份有限公司。木粉購自日照森洋木粉制造有限公司，木粉平均粒徑大小為100～300 μm。聚磷酸銨(純度98%)購自天津化學(xué)試劑一廠。通過錐形同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)(Labtech LTE 20-40)擠塑和注塑生產(chǎn)樣品。

1.2 樣品制備

制備樣品前，將PS于110 ℃的烘箱中預(yù)熱15 min，在旋轉(zhuǎn)刀磨機(jī)中研磨成薄片，粒度范圍為5～15 mm。將木粉在烘箱105 ℃干燥24 h直至恒重。用PS薄片、APP(含量分別為0、5wt%、10wt%、15wt%、20wt%)和20wt%的木粉制備樣品。將混合物混勻，在錐形同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)中170～200 ℃下加工樣品。注塑機(jī)在160～190 ℃的機(jī)筒溫度和(40±2) ℃的模具溫度下進(jìn)行試樣生產(chǎn)。

1.3 性能測試

按照GB/T 2406.2—2009使用氧指數(shù)儀測定復(fù)合材料的塑料極限氧指數(shù)(LOI)；使用島津TGA-50熱重分析儀研究木粉/PS復(fù)合材料的熱降解性能。樣品在氮?dú)鈿夥?、氣流流速?0 mL/min時，從室溫升到700 ℃，升溫速度為20 ℃/min。在600 ℃下測得殘?zhí)柯省?/p>

通過Bruker Tensor 27光譜儀獲得LOI測試后所有樣品的衰減全反射紅外(FTIR-ATR)光譜。

按照GB/T 1040—2006和GB/T 9341—2006，使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別測定木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱降解性能分析

通過熱重分析(TGA)研究木粉/PS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如表1所示，可知木粉/PS復(fù)合材料重量損失5%時的溫度(T5%)。起始分解溫度為264.2 ℃，而用APP(5wt%～20wt%)改性的木粉/PS復(fù)合材料的T5%=297.5～304.7 ℃。這是因?yàn)槟舅軓?fù)合材料在掃描溫度下阻燃劑分解，在PS基質(zhì)和木粉降解之前，APP傾向于從樣品中釋放出來。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品的熱重特征數(shù)據(jù)

2.2 阻燃性

圖1 不同APP含量下木塑復(fù)合材料的LOIFig.1 LOI value of WPC with different APP contents

LOI是用作評估火災(zāi)自熄、確定聚合物材料阻燃性能的簡單而精確的方法。材料的LOI越大，阻燃性能越高?？諝獾难踅M成為21vol%，LOI小于21的材料容易在空氣中燃燒；LOI在21vol%～27.9vol%為緩燃材料；大于27.9vol%為自熄材料。圖1給出了不同含量的APP對改性木粉/PS復(fù)合材料的LOI數(shù)值影響。由圖1可以看出未經(jīng)改性的APP木粉/PS復(fù)合材料易燃燒，其LOI僅為18，這是由于PS和木粉都是易燃材料。 當(dāng)這些樣品用5wt%～20wt%的APP改性時，木粉/PS復(fù)合材料的LOI從19.5增加到24.3。這表明，添加阻燃劑后，LOI隨著APP阻燃劑的用量增加而提高，材料燃燒耗氧量提高，材料的阻燃性能提高。但是，對比APP含量為0、15wt%、20wt%的樣品，LOI隨APP添加量的增加而提高，當(dāng)APP添加量為15wt%時，LOI比未添加APP組分的樣品提高了28vol%，阻燃效果顯著，再提高阻燃劑含量，氧指數(shù)變化不顯著。這一結(jié)果也與樣品的TGA特征曲線中發(fā)現(xiàn)的殘?zhí)柯室恢?。由圖1可知，殘?zhí)苛侩S著APP含量的增加而增加。燃燒過程中阻燃劑形成的焦炭起到保護(hù)層的作用，從而防止氧擴(kuò)散到樣品表面。這一結(jié)果也與用APP改性的聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)木塑復(fù)合材料的結(jié)果一致。

2.3 殘?zhí)克p全反射紅外光譜分析

圖2 APP改性木粉/PS復(fù)合材料殘?zhí)康腁TR光譜Fig.2 ATR spectrum of carbon residue in APP modified WF/PS composites

2.4 木粉/PS復(fù)合材料的力學(xué)性能

表2為用不同含量APP改性的木粉/PS復(fù)合材料的彎曲性能。由表2可知，與沒有添加APP的樣本對比，隨著APP含量的增加，相應(yīng)復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度都明顯下降。分析可知，APP添加含量為20wt%時，抗彎強(qiáng)度由71.3 MPa降低到54.2 MPa, 降低了24%; 拉伸強(qiáng)度從35.5 MPa降低到24.8 MPa, 降低了30%。 在APP改性木粉-PP復(fù)合材料中也存在相同現(xiàn)象，這可能是因?yàn)锳PP是高極性聚合物，添加到木粉和聚苯乙烯體系中，降低了基體之間的相容性，使纖維表面與聚合物基質(zhì)之間的界面相容性較差，木粉和PS基質(zhì)不能很好的結(jié)合，從而使加入APP后木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。

表2 APP改性木塑復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度

2.5 掃描電鏡分析

圖3為添加15wt%APP的阻燃改性木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料斷層的電鏡掃描圖。由斷口SEM圖顯示，木粉和PS混合均勻，復(fù)合材料沒有出現(xiàn)孔隙和裂紋等缺陷；材料斷裂時木粉纖維可以從聚苯乙烯基體中拔出，造成APP改性木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能降低，這可能是APP在木塑復(fù)合材料中分散性和相容性較差引起的。

3 結(jié)論

研究了APP對木粉/PS復(fù)合材料的熱降解性能、阻燃性和機(jī)械性能的影響。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析得出以下結(jié)論。

(1)以APP為阻燃劑改性木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料，加入APP提高了木塑復(fù)合材料的阻燃性能，但是力學(xué)性能有所下降。

(2)通過探討不同含量APP對木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料的影響，發(fā)現(xiàn)隨著APP含量的增加，木粉/PS復(fù)合材料的熱降解速率從13.02%/min降至11.63%/min；促使復(fù)合材料成炭，阻燃性增加。