PS/OMMT纳米复合材料的阻燃性能研究

发布时间:2008-12-11 87

  付梦月,刘继纯,李睛媛,张玉清

(河南科技大学化工与制药学院,高分子科学与纳米技术重点实验室)

    摘要:将聚苯乙烯(PS)与有机蒙脱土(OMMT)直接进行熔融共混,得到了插层型PSOMMT纳米复合材料。采用水平燃烧、氧指数、热重分析、高温处理等方法对PSOMMT纳米复合材料的阻燃性能进行了研究。结果表明,OMMT的加人使PSOMMT纳米复合材料水平燃烧速度下降,氧指数增加,耐高温性能和阻燃性能增强。研究认为,OMMT硅酸盐片层对热量、氧气和分解产物传递的屏蔽和阻隔作用是造成PSOMMT纳米复合材料阻燃性能上升的主要原因。

    关键词:聚苯乙烯;有机蒙脱土;阻燃性能;热稳定性

    PS因具有良好的透明性、尺寸稳定性、电绝缘性能和加工性能而广泛应用。但是PS存在耐热温度不高、非常容易燃烧等缺点,燃烧过程中淌滴严重且释放大量黑烟,因此对其进行阻燃、抑烟处理以提高应用的安全性是十分必要的。近年来,利用插层复合法把层状硅酸盐(MMT)引入到聚合物基体中制得的聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料,不仅能够改善聚合物基体的力学性能、气体阻透性能及耐溶剂性能,而且其耐热温度和阻燃性能也有所提高,具有燃烧自熄特征,是一种环境友好的新型阻燃材料。本文利用熔融插层法制备了插层型PSOMMT纳米复合材料,并主要研究了复合材料的阻燃性能。

      1实验部分

      1.1主要原料 

      PSPG-383M,镇江奇美化工有限公司; 

      OMMTDK1N,浙江丰虹黏土化工有限公司。

      12主要设备及仪器 

    高速混合机,SHR,江苏省张家港市星火降解设备机械厂;

    开放式塑炼机,SK 160,无锡第一橡塑机械设备厂; 

    塑料粉碎机,SWP160,青岛宏达塑料辅机厂; 

    平板硫化机,TP1400,上海沃迪科技有限公司; 

    万能制样机,ZHYW,河北省承德实验机厂; 

      X射线衍射仪,DiffraktometerD8,德国Bruker公司;  

    氧指数测定仪,JF-3,南京市江宁区分析仪器厂;   

    热重分析仪,STA 409PC,德国Netzsch公司。

    13试样制备

    按照一定配比把PS树脂和OMMT加入到高速混合机中混合均匀,然后把混合后的物料在温度为175的开放式塑炼机上熔融混炼,混炼均匀后出片。将得到的物料在塑料粉碎机上粉碎,再把粉碎后的颗粒状物料在平板硫化机上于183℃下模压成厚度为3 mm的板材,裁切后分别用于X射线衍射、耐热性能、燃烧性能和耐高温性能测试。

    14性能测试与结构表征   

    X射线衍射分析:采用CuKα辐射源,加速电压为40 kv,电流为30 mA,扫描速度为3°/min,扫描范围为2°~15°;   

    按照GBT24081996GB/T24061993进行水平燃烧性能和氧指数的测定;   

    采用热分析仪测定OMMT的加入对复合材料热稳定性的影响,温度范围为30550℃,升温速率为10℃/min,氮气气氛,气体流速为10 mLmin   

    高温处理:从压制后的板材上剪下直径为30 mm的圆片,在高温电阻炉内于400℃下处理3 h后观察材料形貌的变化并拍照。

    2结果与讨论

    21 X射线衍射分析 

    根据Bragg方程:2dsinθ=λ (1)

    式中d——晶面问距,nm   θ——衍射角,°    λ ——X射线波长,nm   

    入射波长一定时,衍射角越小,MMT的层间距越大。图1为未进行处理的蒙脱土原土(NaMMT)、经有机化处理的蒙脱土(OMMT)以及熔融复合得到的PSOMMT复合材料的x射线衍射图。从图1可以看出,NaMMTOMMTPSOMMT的衍射角2θ分别为6.07°、385°和2.67°,对应的晶面间距分别为146nm2.29nm3.31nm。由此可知,NaMMT层间距最小,有机化处理后层间距明显增大。PS树脂与OMMT熔融复合后,OMMT层间距进一步增大,增加约1nm,表明PS的分子链进入到了OMMT的片层之间,形成了插层型的纳米复合材料。实验中发现,OMMT添加量从2份到20份,所得纳米复合材料的x射线衍射结果相同,从而可以认为,这种插层结构的形成与OMMT的用量没有关系。

     22 PSOMMT复合材料的燃烧性能   

    从表1可以看出,各配方的样品均不能自熄,水平燃烧级别均为3级,燃烧比较旺盛,燃烧火焰呈橙色。纯PS点燃后极易燃烧,燃烧速度达到34.08 mmmin,燃烧时滴落严重并且释放大量浓黑烟,无任何残留物。加入OMMT后,燃烧火焰较纯Ps减小且发烟量也降低,燃烧速率显著下降,残留量增加。随着OMMT含量的增加,复合材料的熔滴滴落逐渐减少,燃烧速率逐渐下降。OMMT含量超过15份后,样条燃烧时不再滴落,发烟量明显减小,燃烧残余物呈长条形卷曲状,残留量很大。

 

    从图2可以看出,加入2份的OMMT即可使PS的氧指数从175%增加到189%,表现出显著的阻燃效应。与纯PS的氧指数(175)相比,加入适量OMMT均可以提高复合体系的氧指数水平,并且随着OMMT用量增加,复合材料的氧指数逐渐增大。

    表1和图2表明,与纯PS相比,PSOMMT纳米复合材料的阻燃性能显著增强。这主要是由于OMMT的硅酸盐片层对插入层片之间的聚合物大分子链起到屏蔽作用,当样品燃烧时,延缓了燃烧界面以外的热量和氧气向材料内部迁移的速度,使燃烧界面内部聚合物的分解速度和燃烧速度降低。同时,硅酸盐片层还可以阻止聚合物分解后形成的可燃性小分子分解产物向燃烧界面迁移,从而使燃烧速率降低,氧指数上升。此外,由于PSOMMT纳米复合材料燃在燃烧时能够形成较致密且连续的炭层,所以OMMT的加入使得材料的发烟量也有所降低。

23 OMMT对复合材料热分解行为的影响   

    图3和表2分别为不同组成的PSOMMT纳米复合材料的热失重分解曲线和相应的热失重分析数据。由图3和表2可以看出,加入2PSOMMT即可使材料失重10%和50%的温度分别提高102℃和207℃,随着OMMT含量的增加,复合材料的耐热温度进一步提高,高温分解后的残留百分率逐渐增加,材料最大失重速度所对应的温度也有较大提高。这清楚地表明,PSOMMT纳米复合材料的热稳定性与纯PS相比有了显著提高。这主要是由于当材料温度升高时,OMMT的无机片层的屏蔽作用不仅延缓了燃烧界面以外的热量和氧气向材料内部迁移的速度,而且使燃烧界面内部聚合物的分解速度降低,从而起到隔热作用;同时由于加入OMMT的复合材料燃烧时能形成较致密且连续的炭层,且残留量较大,从而使得传热速率下降,材料热分解的速度和分解的数量都下降。随着OMMT含量增加,这种下降效应越明显。

      2.4高温处理试验

      PS经高温处理后几乎没有残留,只剩下轮廓;OMMT含量为2份时,残留物为很薄的一层渣状物,且铺展开来;OMMT含量为6份时残留物铺展较小,炭渣表面裂开;OMMT含量为15份时,残留物为致密且连续的炭层,基本没有铺展。这清楚地表明,PSOMMT纳米复合材料的热稳定性能和阻燃性能比纯PS有明显地提高,且随着OMMT含量的增加,复合材料的阻燃性能变好,这与燃烧性能和热重分析的实验结果一致。

3结论    

(1)用熔融复合混炼的方法可以使PS分子链在熔融状态下进入OMMT片层之间,形成插层型纳米复合材料;   

(2)OMMT的加入使纳米复合材料水平燃烧速度下降,氧指数增加,耐高温陛能和阻燃性能增强;   

(3)OMMT硅酸盐片层对热量、氧气和分解产物的屏蔽和阻隔作用是造成纳米复合材料阻燃性能提高的主要原因。

 

文章来源:中国塑料