方曉鐘，高威威，張家貴

(1.安徽國風(fēng)木塑科技有限公司，安徽 合肥 230051；2.上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108)

0　前言

木塑復(fù)合材料(WPC)因價(jià)格低廉、原料來源廣泛、加工性能優(yōu)良以及對(duì)環(huán)境友好的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用。但是，由于WPC的主要原料是植物纖維與聚烯烴類塑料，易燃，具有消防安全隱患，這極大程度地限制了這種綠色環(huán)保產(chǎn)品的應(yīng)用，因此，近年來WPC阻燃性能的研究越來越受到人們的重視。

WPC阻燃性研究主要集中在阻燃劑的選擇上，目前常用的阻燃劑有鹵素阻燃劑和三氧化二銻(Sb2O3)配伍(“鹵-銻協(xié)同體系”)、磷-氮系阻燃體系、鋁-鎂系阻燃體系、膨脹型阻燃體系、硅系阻燃體系等[1]。其中膨脹型阻燃體系因其高效、低毒的特性而受到廣泛的關(guān)注[2-3]，其應(yīng)用于木塑產(chǎn)品中的研究也有報(bào)道[4]，但是這種阻燃劑會(huì)影響WPC產(chǎn)品的物理性能，同時(shí)使價(jià)格也不能滿足市場需求，所以市場中還沒有真正意義上的膨脹型阻燃木塑產(chǎn)品。本文以聚磷酸銨(APP)為酸源、三聚氰胺(MA)為氣源、季戊四醇(PER)為成炭劑，并復(fù)配以阻燃性塑料基體，制備了阻燃PE基木塑復(fù)合材料，研究了以APP為阻燃體系、以阻燃樹脂為協(xié)同體系的聚乙烯基WPC產(chǎn)品的阻燃性能和力學(xué)性能，探索了最優(yōu)阻燃配方及工藝條件，以期能生產(chǎn)出符合市場需求的阻燃木塑產(chǎn)品。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

木粉、回收HDPE：安徽國風(fēng)木塑科技有限公司；

APP：TF231，四川省什邡市太豐新型阻燃劑有限責(zé)任公司；

相容劑I：SZ11，黃山貝諾科技有限公司；

PER：保定市國秀化工有限責(zé)任公司；

PVC：SG-5，天津大沽化工股份有限公司；

氯化聚乙烯(CPE)：CPE135A，山東濰坊邦泰高分子材料有限公司；

氯化石蠟(CP)：CP-52型，合肥榮光化工有限公司；

輕質(zhì)碳酸鈣：D35，廣州福銀化工科技有限公司；

相容劑II-(EVA/VC-g-MA)：安徽國風(fēng)木塑科技有限公司自制；

抗氧劑：B225，上海締?；び邢薰?；

熱穩(wěn)定劑：FWR112，合肥榮光化工有限公司。

1.2　儀器和設(shè)備

同向雙螺桿混煉造粒機(jī)：JWE75/40型，蘇州大云塑料回收輔助設(shè)備有限公司；

漢語對(duì)外來詞的吸收改造功能則遠(yuǎn)不如日語，其對(duì)外來語的態(tài)度是一個(gè)至關(guān)重要的因素。與日本對(duì)外來文化的“拿來主義”不同，漢民族對(duì)外來文化本來就抱有一種警惕和排斥的心理。因此在外來詞的吸收過程中，也總是力圖與其劃清界限，盡可能避免直接使用外來詞或?qū)ζ溥M(jìn)行任何形式的改造，而是更多地采取意譯。

高速混合機(jī)：SHR-800/2500，張家港聯(lián)冠科技發(fā)展有限公司；

萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：CMT-4104，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；

簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJJ-5，承德市金建檢測儀器有限公司；

氧指數(shù)測定儀：HC-2，南京炯雷儀器設(shè)備有限公司；

錐形量熱儀：CCT，莫帝斯燃燒技術(shù)有限公司。

1.3　阻燃木塑復(fù)合材料的制備

將回收HDPE樹脂、PVC、CPE、相容劑II、抗氧劑、熱穩(wěn)定劑、潤滑劑等助劑加入高速混合機(jī)中混合后，加入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融共混、造粒，雙螺桿機(jī)筒溫度為175～200 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為80～120 r/min。

阻燃木塑材料基礎(chǔ)配方如表1所示。1#樣品是安徽國風(fēng)木塑科技有限公司普通WPC產(chǎn)品的配方，由于2#、3#、4#樣品中增加了大量的APP、MA等無機(jī)物，因此與1#樣品相比，其配方中作為普通填料輕鈣的比例有所下降。另外，由于3#、4#樣品中增加了PVC、CPE等阻燃塑料成份，故其配方中HDPE的含量有所下降，但總的塑料含量基本不變。

表1　阻燃木塑材料基礎(chǔ)配方

1.4　性能測試

塑料拉伸性能試驗(yàn)按照GB/T 1040.2—2006進(jìn)行，采用1A型試樣，試驗(yàn)速度為1 mm/min；簡支梁沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1043.1—2008(常溫?zé)o缺口)進(jìn)行，采用1型試樣，2J擺錘，常溫?zé)o缺口沖擊；氧指數(shù)(OI)按照GB/T 2406.2—2009進(jìn)行；燃燒性能按照EN13501-1：2007+A1：2009(E)進(jìn)行。

2　結(jié)果與討論

2.1　力學(xué)性能和OI比較

表2是幾種基礎(chǔ)配方制備的WPC力學(xué)性能與OI的比較。1#樣品力學(xué)性能性能較好，但氧指數(shù)值偏低，阻燃性能較差。2#樣品添加了膨脹阻燃劑，氧指數(shù)提高了31.25%，但仍不夠理想，拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度分別下降了27.48%和19.96%，這是由于添加了大量的阻燃劑、且這些阻燃劑與樹脂的相容性差的原因，所以單獨(dú)使用該種類的阻燃劑無法達(dá)到產(chǎn)品性能要求。3#樣品增加了阻燃性塑料基體，使得氧指數(shù)提高了62.50%，但是由于PVC、CPE等與HDPE相容性差，使得其力學(xué)性能最差。4#樣品在力學(xué)性能略有下降的情況下，氧指數(shù)提高了58.33%，這是因?yàn)橄嗳輨㊣I增加了HDPE與PVC、CPE等阻燃塑料的相容性，使得其力學(xué)性能和阻燃性能均有較大程度提高。

表2　阻燃WPC力學(xué)性能和OI比較

2.2　錐形量熱儀(CONE)分析

對(duì)幾種配方的WPC進(jìn)行了CONE分析，主要結(jié)果見表3。添加APP樣品的2#樣品，其各項(xiàng)阻燃性能均優(yōu)于1#樣品，說明膨脹體系中的PER炭源，能夠在高溫環(huán)境下快速降解炭化形成致密的炭化層，三聚氰胺(氣源)受熱分解生成難燃的氣體N2、NH3、H2O等，使受熱物表面周圍空氣稀釋，并使炭化層體積膨脹，以達(dá)到協(xié)助阻燃的目的，所以有效燃燒熱(EHC)和成炭率有較大變化，從而導(dǎo)致在熱釋放速率(HRR)、熱釋放速率峰值(PHRR)、總熱釋放量(THR)均有較大程度減少。

表3　不同實(shí)驗(yàn)配方的WPC錐形量熱儀分析(熱流速率50 kW/m2)

3#、4#樣品由于添加了CPE和PVC，其阻燃性能比2#樣品有較大提高，成炭率均高于20%，點(diǎn)火時(shí)間達(dá)到30 s，F(xiàn)IGRA0.4MJ最為優(yōu)異，能夠達(dá)到GB/T 20284—2006和GB/T 20284—2006阻燃C或Cf1級(jí)別要求。CONE測試的阻燃性能與氧指數(shù)有較好的相關(guān)性。

2.3　APP用量對(duì)力學(xué)性能和OI的影響

圖1是APP用量對(duì)于WPC力學(xué)性能和OI的影響(基于4#樣品配方)。從圖1中可以看出,隨著APP用量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度一直下降，沖擊強(qiáng)度先略有上升后下降，而氧指數(shù)先增加明顯，然后變化平緩。這是由于APP填充了復(fù)合材料的空隙，受到外力沖擊時(shí)起到鈍化樹脂裂紋，能吸收一定的沖擊作用，起到增韌劑的作用，故沖擊強(qiáng)度增大；但當(dāng)APP用量繼續(xù)增大后，復(fù)合材料的各組分界面相容性負(fù)面影響起主要作用，所以拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均下降。從氧指數(shù)來看，APP能夠顯著提高復(fù)合材料的阻燃性能，但超過一定量時(shí)效果不明顯。實(shí)驗(yàn)證明APP用量為90～110份時(shí)，各項(xiàng)性能相對(duì)較好。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，三聚氰胺、PER等其他無機(jī)組分都有類似的現(xiàn)象。

圖1　APP用量對(duì)木塑力學(xué)性能和OI能的影響

2.4　APP用量對(duì)CONE分析的影響

基于4#樣品配方，隨著APP用量增加(見表4)，WPC產(chǎn)品具有更低的總熱釋放量、釋熱速率和有效燃燒熱以及更高的成炭率，HRR、PHRR、THR、質(zhì)量損失速率(MLR)和FIGRA0.4MJ都逐漸減小，其他參數(shù)近似于常數(shù)，說明APP阻燃體系在燃燒過程中形成了更厚的膨脹阻燃炭層結(jié)構(gòu)，且作為酸源的APP，其阻燃機(jī)理主要為物理作用[5]，對(duì)TTI和有害氣體方面作用不大。

2.5　PVC、CPE用量對(duì)力學(xué)性能和OI的影響

基于4#樣品配方，為潤滑劑的CP用量固定，CPE和PVC固定總量為90份，考察了PVC和CPE的用量對(duì)WPC力學(xué)性能和OI的影響(見圖2)。從圖2可以看出，隨著CPE增加，PVC的減少，體系的沖擊強(qiáng)度略有下降，但拉伸強(qiáng)度卻略有所改善。這是由于在復(fù)合材料體系內(nèi)引入了新的相界面，其在抵抗瞬時(shí)沖擊能的時(shí)候顯示出較為薄弱的缺陷對(duì)能量的傳遞過程。但總體而言，添加CPE組分之后并未對(duì)WPC的力學(xué)性能造成顯著影響，同時(shí)隨著CPE用量的增加，PVC用量的減少，氧指數(shù)逐漸降低，這是由于所用的CPE的含氯量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(35%)比PVC(57%)低，其阻燃效率也較低。

表4　APP含量對(duì)CONE的影響(熱流速率50 kW/m2)

圖2CPE與PVC用量對(duì)WPC力學(xué)性能和OI的影響

2.6　PVC、CPE用量對(duì)CONE分析的影響

隨著CPE用量的增加、PVC用量的減少(見表5)，樣品阻燃性能逐漸減低，而TTI和有害氣體方面變化不大，證明CONE測試的阻燃性能與氧指數(shù)測試的阻燃性能有較好的相關(guān)性。

3　結(jié)論

(1) 單獨(dú)使用APP阻燃體系，可提高WPC的各項(xiàng)阻燃性能，但會(huì)使其力學(xué)性能降低，通過自制相容劑可以有效提高材料的力學(xué)性能。

(2) APP阻燃體系與CPE、PVC阻燃樹脂復(fù)配，可顯著提高WPC的各項(xiàng)阻燃性能，但有害氣體產(chǎn)量變化不大，產(chǎn)品力學(xué)性能變化較小，產(chǎn)品各項(xiàng)能滿足市場要求，阻燃樹脂的使用可以減少膨脹型阻燃劑的用量，從而提高產(chǎn)品加工性能和力學(xué)性能。

(3) 從產(chǎn)品的成本、性能、環(huán)保等綜合比較來看，是一種符合市場需求的木塑產(chǎn)品。

表5　不同CPE含量的WPC錐形量熱儀分析(熱流速率50 kW/m2)