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木塑复合材料(WPC)在我国工业化发展十分迅猛,新建企业逐年增多。随着WPC应用范围的增加,阻燃性能已经是其能否安全使用的一个重要指标,然而,我国许多研究单位和生产企业对WPC的研究主要集中在工艺与配方设计等方面,对其阻燃性的研究很少,从而限制了WPC的应用。因此,开展WPC阻燃性能研究具有重要意义。论文着眼于阻燃剂对WPC性能的影响和WPC的阻燃机理,探讨阻燃剂相互之间的影响,寻找最佳的组合配方。通过WPC的热解动力学模型来探讨WPC分解的规律,为WPC在我国应用领域的拓展提供依据。研究结果如下:
(1)木纤维和PVC组成木塑复合体系后,在初始分解阶段,复合材料活化能为53.42 kJ·mol—1位于两种原料之间,热稳定性比木纤维高,比PVC低。活化能参数不符合WPC比例值,因此WPC的热解是比单一原料反应复杂的过程,并不是两种原料简单相加。
(2)随着阻燃剂APP添加量的增加,WPC的拉伸强度和静曲强度先增大后减小,冲击韧性则呈下降趋势。当APP与PER复配时,WPC的静曲强度和冲击韧性均下降,拉伸强度则无明显变化。当APP与MEL复配时,WPC的静曲强度、拉伸强度和冲击韧性均下降。在三种不同阻燃剂成分的情况下,WPC的氧指数均随着阻燃剂添加量的增加而增大,且垂直燃烧水平均达到FV-0级,水平燃烧达到FH—1级,WPC燃烧剩炭率最大可以从未阻燃时的13.8%提高到32.1%。
(3)添加自制的三聚氰胺多聚磷酸盐的WPC加工性能优于添加APP阻燃剂的WPC。同时三聚氰胺多聚磷酸盐与PER复配和APP与MEL、PER复配的最大加料峰及平衡扭矩都分别大于单独使用这两种阻燃成分时的最大加料峰和平衡扭矩,说明PER和MEL的加入不易于材料的加工,分析原因是PER和MEL都是极性大的物质,不利于WPC的加工。
从LOI角度考虑,三聚氰胺多聚磷酸盐阻燃WPC的阻燃效率不是特别高,要达到较高的LOI值时,需要添加较大份数的三聚氰胺多聚磷酸盐。但是用其阻燃后的WPC的燃烧剩炭率得到了大幅度的提高。在固定三聚氰胺多聚磷酸盐的添加量时,随着木粉含量的增加LOI值下降,随着PER的增加LOI值先是增大后减小。
从LOI、剩炭率及拉伸性能等指标综合考虑,较优的阻燃剂配方工艺是:添加三聚氰胺多聚磷酸盐20份,复配PER10份,能同时兼顾得到较优的阻燃效果及力学性能。
(4)采用APP、PER和MEL组成的膨胀型阻燃体系,用体系配方设计按照二次回归旋转正交组合设计的方法设计进行实验,得到WPC氧指数的回归方程。由此可以在实验范围内利用该回归方程进行不同配方的氧指数的预测。
(5)通过扫描电镜的观察,添加阻燃剂后WPC表面炭层形态凸凹程度小,平坦而完整,开口泡孔少;剩炭截面的表面为多孔、蜂窝状结构。这种表面结构可有效隔绝热源和可燃性气体与WPC的接触,从而提高WPC的阻燃性。
(6)通过热重分析,发现未阻燃处理的WPC的热失重特性主要表现为失重温度较低,热失重速度较快。在失重区间内,开始出现快速失重的温度(T0)从小到大依次为:未阻燃的WPC<添加30份三聚氰胺多聚磷酸盐WPC<三聚氰胺多聚磷酸盐与PER复配阻燃的WPC;最大失重峰值温度(T1)和热失重结束所对应的温度(Tf)从小到大也同T0的规律相同。