摘 要：以聚丙烯為基料，以短切玻璃纖維為增強材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，通過熔融共混加工得到了一種復(fù)合材料。探索了不同短切玻璃纖維和多聚磷酸銨用量對復(fù)合材料力學(xué)和阻燃性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時，復(fù)合材料的拉伸強度可達39.4 MPa、彎曲模量和彎曲強度可達3 512、52.7 MPa，懸臂梁沖擊強度可達8.2 kJ·m^-2，并且復(fù)合材料的極限氧指數(shù)可達29，垂直燃燒可達V-0級別，即復(fù)合材料具有良好的強度和阻燃性能。

關(guān) 鍵 詞：聚丙烯；增強；短切玻璃纖維；阻燃；多聚磷酸銨

中圖分類號：TQ327.6文獻標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1379-05

聚丙烯的用途廣泛^[1-2]，在特定的環(huán)境中使用的聚丙烯需要具備相應(yīng)的性能，如阻燃環(huán)境中使用的聚丙烯則需要具備較高的強度和良好的阻燃性，一般可以通過改性的方法^[3]在聚丙烯基料中添加一定配比的增強材料和阻燃劑即可達到要求的性能參數(shù)。

在聚丙烯增強材料中，短切玻璃纖維^[4]以具有耐熱性強、絕緣性好和機械強度高等優(yōu)點而常被使用；聚丙烯的阻燃劑主要包括無機阻燃劑^[5]、有機磷阻燃劑^[6]、有機鹵素阻燃劑^[7]、硅系阻燃劑^[8]和磷氮阻燃劑^[9-10]等，其中磷氮阻燃劑因為其阻燃效率高、環(huán)保無毒等優(yōu)點，在工程塑料方面被廣泛應(yīng)用^[11-12]。磷氮阻燃劑主要通過在燃燒時形成膨脹的碳層^[13]來達到阻燃效果，所以磷氮阻燃劑又被叫作膨脹型阻燃劑^[14-15]。

針對聚丙烯的力學(xué)性能增強和阻燃性能的提升進行了實驗，選用短切玻璃纖維為增強材料、多聚磷酸銨為阻燃劑，通過配料、擠出造粒、標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑和性能測試整個過程對二者最佳的用量進行探索，得到最佳實驗條件下的力學(xué)和阻燃性能參數(shù)，為聚丙烯的增強和阻燃相關(guān)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 原料、加工設(shè)備與測試儀器

1.1.1 原料

聚丙烯（中國石油大慶煉化公司）；玻璃纖維（6 mm，河北龍興瑋業(yè)玻璃纖維制品有限公司）多聚磷酸銨（99%，河北陌槿生物科技有限公司），抗氧劑1010（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）、抗氧劑168（99%，天津利安隆新材料股份有限公司）。

1.1.2 加工設(shè)備

DZF-6050型真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；GHJ型高速混合機（常州市齊寶干燥設(shè)備有限公司）；LMEDI-22/40型基礎(chǔ)造粒機（廣州市零點一度科技有限公司）；MA860G型注塑機（海天塑料機械（廣州）有限公司）；SEIMIT-2060型電動缺口制樣機（德恩斯儀器科技（無錫）有限公司）；LHS-50CH型恒溫恒濕箱（上海鼎科科學(xué)儀器有限公司）。

1.1.3 測試儀器

MTS-CMT4503型萬能材料實驗拉力機（深圳市華奧斯機電科技有限公司）；KRT-W型三點彎曲實驗機（昆山科瑞特實驗儀器有限公司）；GT-7045-MDL沖擊實驗機（高鐵檢測儀器有限公司）；LT-101D型氧指數(shù)測定儀（上海理濤自動化科技有限公司）；ZRS-TC型水平垂直燃燒實驗機（無錫滕川儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 樣品制備

聚丙烯的增強改性及其阻燃性能研究樣品的制備包括配料、擠出造粒和標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑，整個實驗工藝又包括性能測試部分。實驗過程工藝流程如圖1所示。

1.2.1 配料

以聚丙烯為基料，以玻璃纖維為增強材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，再向其中添加適量的抗氧劑1010和168。

共配制11批粉料，規(guī)定將每份配置完成的粉料總質(zhì)量定為100質(zhì)量份，每份粉料共1.5 kg，其中0#為清洗擠出造粒機時使用的粉料和注塑前清洗注塑機的粒料配比，1-5#配制僅短切玻璃纖維用量不同，6-10#配制僅多聚磷酸銨用量不同，此外抗氧劑1010和168的固定用量為0.2和0.3質(zhì)量份。擠出造粒配方如表1所示。

1.2.2 擠出造粒

將上述稱取完畢的原料依次放入高速混合機充分混合10 min。在擠出造粒前注意使用0#聚丙烯粉料3 kg對雙螺桿擠出機進行清洗，然后再分別對混勻的不同配方的粉料進行擠出造粒，注意每批擠出粒料的前300 g舍棄。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑

在標(biāo)準(zhǔn)樣條注塑前同樣需要使用0#聚丙烯粒料1 kg進行注塑機清洗。注意更換模具后控制面板上的壓力、速度、位置和時間等參數(shù)需及時更改。

根據(jù)性能測試所需的標(biāo)準(zhǔn)樣條尺寸和數(shù)量，每批粒料均需要分別使用不同的標(biāo)準(zhǔn)模具進行注塑。具體如下：使用170 mm×10 mm×4 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑20根啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條，用來進行拉伸性能測試；使用80 mm×10 mm×4 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑30根長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，其中10根用來測試彎曲性能，10根需要在4 h內(nèi)打出V形缺口來測試沖擊性能，另10根用來測試極限氧指數(shù)；使用125 mm×13 mm×3.2 mm標(biāo)準(zhǔn)模具注塑10根長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，用來進行垂直燃燒性能測試。

需要注意的是，所有注塑后的標(biāo)準(zhǔn)樣條均需要在恒溫恒濕箱內(nèi)保持48h后再進行性能測試，恒溫恒濕箱設(shè)置溫度23 ℃，濕度60％。

1.3 性能測試

拉伸性能：復(fù)合材料拉伸強度的測試根據(jù)GB/T 1040.1的方法，使用注塑的啞鈴形拉伸標(biāo)準(zhǔn)樣條，設(shè)置拉伸速度為50 mm·min^-1，在23 ℃恒溫條件下測試。

彎曲性能：復(fù)合材料彎曲模量和彎曲強度的測試根據(jù)GB/T 9341—2008的方法，使用注塑的長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，設(shè)置撓度為6 mm、測試速度為2 mm·min^-1，在23 ℃恒溫條件下測試。

沖擊性能：復(fù)合材料懸臂梁沖擊強度的測試根據(jù)GB/T 1843—2008的方法，使用注塑的長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，并在注塑完成4 h內(nèi)使用缺口制樣機打出V形缺口，選用適宜能量的擺錘，在23 ℃恒溫條件下測試。

極限氧指數(shù)：復(fù)合材料極限氧指數(shù)的測試根據(jù)GB/T 2406.2—2009的方法，使用注塑的長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，通過觀察其燃燒特性，在不同氧濃度下進行一系列實驗，估算最低的氧濃度即極限氧指數(shù)。實驗在23 ℃恒溫條件下進行。通常極限氧指數(shù)小于22為易燃、22～27為可燃、大于27為難燃。

垂直燃燒：復(fù)合材料垂直燃燒的測試根據(jù)GB/T 2408—2021的方法，使用注塑的長條形標(biāo)準(zhǔn)樣條，通過測量其燃燒的余焰和余暉時間、范圍和顆粒滴落情況來評價燃燒行為。通常材料的垂直燃燒可分為V-0、V-1和V-2級。垂直燃燒級別指標(biāo)如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料綜合性能的影響

2.1.1 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料拉伸性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料拉伸強度的影響見圖2。在其他條件相同時，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)短切玻璃纖維用量在8～14質(zhì)量份時，復(fù)合材料的拉伸強度隨短切玻璃纖維用量增加而逐漸增加，最高可達到39.4 MPa，當(dāng)用量為16質(zhì)量份時拉伸強度降低。這是因為一定范圍內(nèi)適量的短切玻璃纖維對復(fù)合材料有增強的作用，但用量超過一定范圍強度降低，是因為過量的短切玻璃纖維與聚丙烯基體發(fā)生部分相分離，所以拉伸強度下降。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份時拉伸性能最佳。

2.1.2 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料彎曲性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料彎曲性能的影響見圖3。在其他條件相同時，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)短切玻璃纖維用量在8～14Dzu6iPpaZvO6IgTyEkKu3yDtTpjuvYibQZNqDdU3iC0=質(zhì)量份時彎曲模量和彎曲強度均逐漸上升，說明此范圍增加短切玻璃纖維用量可以增加復(fù)合材料的剛性；繼續(xù)增加短切玻璃纖維的用量到16質(zhì)量份，發(fā)現(xiàn)彎曲模量和彎曲強度大幅度下降，是因為此時短切玻璃纖維因為用量過多而一部分無法很好地與聚丙烯基體相融，導(dǎo)致彎曲性能測試時受到影響。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維總量為14質(zhì)量份時彎曲性能最佳。

2.1.3 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料沖擊性能的影響

不同短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料沖擊性能的影響見圖4。在其他條件相同時，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)隨短切玻璃纖維用量的增加，復(fù)合材料沖擊強度呈先上升后下降的趨勢。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是，當(dāng)短切玻璃纖維用量在合適范圍內(nèi)，短切玻璃纖維會對復(fù)合材料起到增強的作用，所以沖擊強度會上升；但是當(dāng)短切玻璃纖維用量超過14質(zhì)量份時沖擊強度小幅度下降，這是因為過多的短切玻璃纖維在聚丙烯基料中混合不均勻或者相分離導(dǎo)致強度降低，表現(xiàn)為沖擊強度下降。綜上，當(dāng)短切玻璃纖維用量為14質(zhì)量份時沖擊性能最佳。

2.1.4 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料極限氧指數(shù)的影響

圖5為不同短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料極限氧指數(shù)的影響圖。

在其他條件都相同時，只改變短切玻璃纖維用量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的極限氧指數(shù)一直隨短切玻璃纖維的用量的增加而升高，這是因為短切玻璃纖維在復(fù)合材料中不僅有增強力學(xué)性能的作用，還有阻燃的作用，其阻燃性與用量正相關(guān)，即用量越多阻燃性能越好，表現(xiàn)為極限氧指數(shù)的增加。同時協(xié)同使用阻燃劑多聚磷酸銨，會得到一種既力學(xué)性能得到增強、又提高阻燃性的復(fù)合材料。又因為極限氧指數(shù)小于22為易燃、22-27為可燃、大于27為難燃，當(dāng)短切玻璃纖維用量為12質(zhì)量份時的極限氧指數(shù)為26，阻燃性能不理想；當(dāng)短切玻璃纖維用量大于14質(zhì)量份時的極限氧指數(shù)最低為29，阻燃性能良好。

2.1.5 短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料垂直燃燒性能的影響

表3為不同短切玻璃纖維用量對復(fù)合材料垂直燃燒性能的影響。根據(jù)國標(biāo)所述的詳細實驗方法，發(fā)現(xiàn)只有短切玻璃纖維的用量為8質(zhì)量份時，垂直燃燒時會發(fā)生熔融滴落，垂直燃燒級別僅為V-2級；當(dāng)短切玻璃纖維用量大于等于10質(zhì)量份時，不再發(fā)生滴落；當(dāng)短切玻璃纖維用量為10-12質(zhì)量份時復(fù)合材料垂直燃燒等級為V-1級；當(dāng)短切玻璃纖維用量為14和16質(zhì)量份時的復(fù)合材料符合V-0級別。

2.2 多聚磷酸銨用量對復(fù)合材料綜合性能的影響

已經(jīng)根據(jù)1-5#實驗得到了最佳的短切玻璃纖維的用量為14質(zhì)量份，且具有最佳的綜合性能，接著以此參數(shù)設(shè)置的6-10#實驗將考察最佳多聚磷酸銨的用量。不同多聚磷酸銨用量對復(fù)合材料綜合性能的影響見表4。

根據(jù)表4列出的不同多聚磷酸銨用量的復(fù)合材料的力學(xué)和阻燃性能數(shù)據(jù)，可見：拉伸強度、彎曲模量、彎曲強度沖擊強度和極限氧指數(shù)均隨多聚磷酸銨的用量的增加呈先增加后降低的趨勢，當(dāng)添加量為20質(zhì)量份時具有最佳性能數(shù)據(jù)。另外垂直燃燒當(dāng)多聚磷酸銨用量為20和24質(zhì)量份時達到V-0級別，其他均為V-1級別，說明當(dāng)短切玻璃纖維用量一定時，過多或過少使用多聚磷酸銨阻燃劑達到的垂直燃燒性能均不理想。

當(dāng)短玻璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時，復(fù)合材料的力學(xué)強度和阻燃性能均可達到較為理想的狀態(tài)。

3 結(jié)論

以聚丙烯為基料，以短切玻璃纖維為增強材料，以多聚磷酸銨為阻燃劑，通過熔融共混合加工，得到了一種復(fù)合材料。探索了不同短切玻璃纖維和多聚磷酸銨用量對復(fù)合材料力學(xué)和阻燃性能的影響。

結(jié)果顯示，當(dāng)短切璃纖維用量為14質(zhì)量份、多聚磷酸銨用量為20質(zhì)量份時，復(fù)合材料具有最佳的力學(xué)強度和阻燃性能，其中拉伸強度可達到39.4 MPa、彎曲模量和彎曲強度可達到3 512 MPa和52.7 MPa，懸臂梁沖擊強度可達到8.2 kJ·m^-2，并且復(fù)合材料的極限氧指數(shù)可達到29，垂直燃燒可達到V-0級別。

參考文獻：

[1]徐潤君.國內(nèi)聚丙烯市場供需分析[J].齊魯石油化工，2019，47（2）：159-164.

[2]龍鵬程.車用復(fù)合材料阻燃與力學(xué)性能研究[D].北京：機械科學(xué)研究總院，2019.

[3]張永玲.改性聚丙烯及其新用途[J].合成樹脂及塑料，1987（2）：49-53.

lDQ2xdjEd0XYf3/vFJhuXQ==[4]張志堅，章建忠，費振宇.玻璃纖維短切原絲增強聚丙烯的研究[J].塑料工業(yè)，2015，43（2）：42-44.

[5]黨力，呂智慧.無機阻燃劑的研究進展[J].中國塑料，2018，32（9）：1-8.

[6]周圓鴛，廖晗鈺，毛張琦，等.有機磷阻燃劑的毒性及其作用機制研究進展[J].工業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)病，2023，49（6）：560-564.

[7]陳婷.有機氟化合物功能化設(shè)計及其在阻燃高分子材料中的應(yīng)用研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2020.

[8]宋遠超，陳國文，姚慧玲，等.硅系阻燃劑作用機理及應(yīng)用進展[J].有機硅材料，2018，32（6）：496-500.

[9]張銘丹，陳英紅.無鹵氮磷膨脹阻燃玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能[J].高分子材料科學(xué)與工程，2021，37（8）：50-57.

[10]汪季娟.新型磷氮系環(huán)保阻燃劑的研究及應(yīng)用[D].浙江：義烏市檢驗檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，2018.

[11]杜朝軍.新型磷氮阻燃劑合成與性質(zhì)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2014.

[12]張宇.磷氮阻燃劑的合成及其阻燃PLA復(fù)合材料的研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2020.

[13]閆光紅.無鹵阻燃聚丙烯復(fù)合材料的制備及性能研究[D].成都：西華大學(xué)，2008.

[14]李磊，周俊.高效膨脹型阻燃劑阻燃聚丙烯的阻燃機理[J].橡塑技術(shù)與裝備，2024，50（1）：25-30.

[15]李章武，陳志釗，周侃.無鹵膨脹阻燃劑的合成及性能研究[J].化學(xué)工程與裝備，2023（10）：16-20.

Study onEnhancement Modification and Flame

Retardancyof Polypropylene

CHEN Jieqin

（Guangdong TianxiongNew MaterialTechnology Co.，Ltd.， Foshan Guangdong 528000， China）

Abstract：Usingpolypropylene as the base material， short cut glass fiber as the reinforcing material， and ammonium polyphosphate as the flame retardant，a composite materialwas obtainedthrough melt blending processing. The effects of different amounts of short cut glass fibers and ammonium polyphosphate on the mechanical and flame retardant of composite materialswere investigated. The results showedthat when the amount of short cut glass fiber was14 parts by mass and the amount of ammonium polyphosphate was20 parts by mass， the tensile strength of the composite material couldreach 39.4 MPa， the bending modulus and bending strength couldreach 3512 MPa and 52.7 MPa， the impact strength of the cantilever beam couldreach 8.2 kJ·m^-2， and the ultimate oxygen index of the composite material couldreach 29 and the vertical combustion couldreach the V-0 level， indicating that the composite material has good strength and flame retardancy.

Key words：Polypropylene; Enhancement; Short cut glass fiber;Flame retardant;Ammonium polyphosphate