ZPT对聚氯乙烯性能影响的研究

2020-11-25余东栋周文佩

山东化工 2020年20期

余东栋，邓玲，周文佩

(1.湖北工业大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430068；2.湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北武汉 430068；3.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068；4.武汉软件工程职业学院机械工程学院，湖北武汉 430205)

聚氯乙烯(PVC)具有优异的化学及物理性能及易于加工的特点，使其广泛地应用于家具、建材及包装等领域。对于不同产品的需求同时也使PVC加工方便，需要对其进行塑化处理。PVC建材主要运用于建筑的井道或装修，在有限的空间内，一旦失火聚氯乙烯往往会燃烧不完全，从而产生大量的黑烟，对人体影响是及其不利。由此可见PVC燃烧发烟行为会严重限制其使用范围，抑烟与阻燃效果的提升是扩大PVC使用范围的重要因素。

含钼、铁、锌、铜及其他过渡金属的化合物是常见的阻燃剂和抑烟剂[1-2]，通常将两种助剂进行物理混配而达到阻燃抑烟的作用，本文采用自制的磷钨酸锌杂多酸盐(ZPT)将锌、钨及磷三种元素结合在一个分子结构中作为阻燃抑烟剂，研究其对PVC性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚氯乙烯(PVC)：SG-5，新疆中泰化学股份有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)：工业级，杭州潜阳科技股份有限公司；稀土复合稳定剂：工业级，青岛拓智科技有限公司；聚乙烯蜡：工业级，粤江新材料(广州)有限公司；磷钨酸：分析纯，麦卡希试剂；碱式碳酸锌：分析纯，麦卡希试剂。

1.2 主要设备及仪器

双调频开炼机：WQ-1006-S，东莞市卓胜机械设备有限公司；平板硫化机：XLB-“350×350”，上海奇才液压机械有限公司；高速粉碎机：YF-111,瑞安市永历制药机械公司；烟密度测试仪：JCY-2，南京江宁分析仪器有限公司；简支梁冲击试验机：XJJ-50，河北承德试验机厂：拉力试验机：XLS-20，承德金建检测仪器有限公司。

1.3 样品的制备

1.3.1 ZPT的制备

称取22.12g磷钨酸和适量的蒸馏水加入烧瓶中，升温至60℃进行搅拌直至浑浊溶液变成透明清液。称取2.98g碱式碳酸锌加入蒸馏水中搅拌，混匀后滴入磷钨酸清液中控制溶液pH值为2.0左右进行反应，持续反应直至气泡释放殆尽。将反应完毕的澄清液体干燥后得到灰白色粉末待测。

1.3.2 PVC与ZPT复合材料样品制备

复合样品配比如下：PVC为100phr、稳定剂5 phr、PE蜡0.4phr、DOP为20phr，ZPT的加入量分别为0、2、5、8phr；分别称取各个样品组分搅拌均匀后，160℃下使用开炼机在混炼塑化4min后放入模具中，分别在液压机和平板硫化机中压制成型待测。

1.4 测试与表征

红外测试：采用溴化钾压片法，按照ZPT∶KBr=1∶200称取一定量后研磨压片，采用Nexus型红外光谱仪测定；烟密度测试：按照国标GB/T8627-2007检测烟密度曲线；拉伸强度测试：按照GB/T 1040.2-2006标准测试PVC复合材料的拉伸强度；冲击强度测试：按照GB/T21189-2007标准测试PVC复合材料的冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 ZPT的红外表征

图1 ZPT红外光谱图

2.2 PVC/ZPT复合材料烟密度表征

从图2中可以看出，PVC/ZPT复合材料的最大烟密度等级(MSD)和烟密度等级(SDR)均随着ZPT含量的增加而降低。与ZPT添加量为0的空白样相比，复合材料的MSD和SDR明显降低，其中ZPT分别加了2,5,8phr的复合材料的MSD分别降低了9.08%，16.76%和19.94%，SDR分别降低了13.29%，17.06%和21.48%。这是因为在燃烧过程中锌和钨元素能够与Cl反应而形成强Lewis酸，通过Lewis酸机理形成稳定的交联聚合物从而减少烟量产生[4]，同时高温条件下磷能够反应生成磷酸及聚偏磷酸，由于其酸性极强可以作为脱水剂从而使高聚物脱水而形成致密的碳层，随着温度不断上升交联结构会进一步的碳化，形成热稳定性能更好的碳质。

图2 复合材料的MSD和SDR

2.3 PVC/ZPT复合材料力学性能表征

将助剂及填料加入塑料基体后，通过检测其中力学性能的变化可以进一步的研究分析多者之间相容性的问题。图3为PVC复合材料的拉伸强度与冲击强度。由图可知，在实验用量的范围内且相对于未加ZPT的PVC，冲击强度随着ZPT添加量上升变化不显著。拉伸强度在ZPT添加量增加的范围内，其变化程度会有小幅度减少的趋势，2phrZPT/PVC、5phrZPT/PVC及8phrZPT/PVC复合材料的拉伸强度相对于空白样分别减少了1.6MPa、2.1MPa、2.9MPa，证明ZPT与PVC有较好的相容性，在提高PVC阻燃抑烟性能的同时对PVC的力学性能影响较小。