聚苯乙烯/硅藻土/氯化石蜡复合阻燃材料的制备及性能研究

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聚苯乙烯(PS)是具有不溶于水、透光率高、稳定的化学性与易加工性、价格低廉等优良特性的一类用途非常广泛的通用塑料。被广泛应用于音像制品、室内装饰器件、车辆船舶零部件、电讯电器零部件及建筑材料等各个方面。聚苯乙烯是由碳、氢两种元素构成,因此有一个致命的缺点—易燃性,在燃烧过程中会产生大量的有毒气体;同时熔融滴落现象很明显,极易造成二次火灾的发生。因此聚苯乙烯的阻燃改性是非常必要的。在工业生产中对聚苯乙烯改性所用的阻燃剂属卤系阻燃剂最多。卤系阻燃剂在燃烧过程中会释放致癌物质“二噁英”及四氯化碳有害气体,严重影响到人类的身心健康。欧盟已经实施RoHS禁令,严格限制多溴二苯醚(PBDE)、多溴联苯(PBB)的使用。因此无毒无污染价格低廉的无机阻燃剂被更多的工业与科研机构所重视。不过多年的研究发现,无机阻燃剂的阻燃效率低,如若要达到难燃级,需要加入量在40%以上。无机阻燃剂与高分子材料之间的相容性很差,大量加入势必会影响到聚苯乙烯的力学性能。如何解决上述卤系阻燃剂与无机阻燃剂的问题呢?首先是选用对环境污染小的卤系阻燃剂,并且在不影响其它性能的前提下减少其用量;而对于无机阻燃剂则主要是改善其与高聚物的相容性。本实验选择了氯化石蜡(cp-70)与无机天然材料硅藻土包覆制备一种复合阻燃剂,并用此复合阻燃剂来对PS树脂进行阻燃改性。一方面硅藻土的大量加入可以降低氯系阻燃剂的使用,另一方面氯化石蜡包覆硅藻土改善了硅藻土与聚苯乙烯相容性,并降低了对力学性能影响。硅藻土的主要成分是SiO2,其含量在80wt%以上,二氧化硅的导热系数很低(0.06W/m*K),此特性使硅藻土能够有效阻隔热量的传递,起到阻燃作用,且主要在凝聚相中发挥作用。氯化石蜡(cp-70)是被欧盟等国际组织所允许使用的卤系阻燃剂,在燃烧过程中不产生四氯化碳及二噁英等有害气体,而且,其阻燃效率高,价格低廉容易获得。氯化石蜡的分解温度较低,在PS分解之前有不燃性气体产生,并主要在气相中发挥阻燃作用。本研究采用多种检测方法对所制备的复合阻燃剂进行分析,使用多种阻燃性能的检测方法(UL-94、极限氧指数、热重分析仪)以及扫描电镜对改性前后PS阻燃性能进行分析;并采用分散性实验、冲击/拉伸实验与扫描电镜(FESEM)对复合材料的力学性能进行检测,并讨论了阻燃和力学性能的提升机理。结果表明:一、所制备粉末状复合阻燃剂粒径分布均匀,形态稳定,具有很强的疏水性;二、CP-15的极限氧指数为27.6,UL-94测试为V-0级别,达到难燃级别,点燃后很快窒息,所产生的烟是最少的,热分解速率也是最低的;三、所制备的复合阻燃剂的分散性得到了显著提高;四、在PS中单独加入硅藻土或氯化石蜡会造成其拉伸强度的很大降低(PS/CP和PS/Dia的拉伸强度与PS对比分别降低了20%和66%),单独加入硅藻土或氯化石蜡对PS的冲击强度影响不大;CP-15的拉伸强度与抗冲击强度与PS对比分别有2%的降低与14%的提高,综合分析复合阻燃剂的加入对其力学性能无明显影响,个别指标甚至有所提高。
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