王艳

摘要：聚苯乙烯是一种极为常见的建筑工程材料，具有成本低廉、耐磨耐腐蚀性好等优点，还具有较强的防水性能和可加工性。针对聚苯乙烯的性能缺陷，将聚苯乙烯和尼龙6进行共混，通过添加阻燃剂、改性材料等进行复合加工，得到了一种聚苯乙烯/尼龙6阻燃复合材料。对该复合材料建筑工程管材的综合性能进行分析研究，认为当复合材料中尼龙6的质量占比超过20%后，复合材料内部会出现明显的孔洞和裂纹，尼龙6质量占比越高则材料的综合性能越差；尼龙6的质量占比为20%时复合材料综合性能最佳。

关键词：聚苯乙烯；尼龙6；氧化石墨烯；阻燃复合材料；综合性能

中图分类号：TQ331.4+92文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0044-04

Study on the preparation and flame retardancy of building pipes grafted with polystyrene

WANG Yan

（Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 719300，China）

Abstract：Polystyrene is a very common construction materials， which has the advantages of low cost， good wear re- sistance and corrosion resistance， and strong waterproof performance and machinability. Aiming at the performance defects of polystyrene，polystyrene and nylon 6 are blended， and a kind of polystyrene/nylon 6 flame retardant com- posite material is obtained by adding flame retardants and modified materials. The comprehensive performance of the composite material construction pipe is analyzed， and it is considered that when the mass ratio of nylon 6 in the composite material is more than 20%， there will be obvious holes and cracks in the interior of the composite materi- al. The higher the mass proportion of nylon 6， the worse the comprehensive performance of the material. When the mass proportion of nylon 6 is 20%，the composite material has the best comprehensive performance.

Keywords：polystyrene；nylon 6；graphene oxide；flame retardant composite material；comprehensive performance

聚苯乙烯（PS）是一种极为常见的建筑工程材料，具有成本低廉、耐磨耐腐蚀性好等优点，同时还具有较强的防水性能和可加工性。因而，PS在很长时间内都作为建筑工程中装饰件、高频电绝缘零件等的主要加工用材之一。但随着现代建筑对使用材料性能要求的逐渐增高，PS 材料因力学性能差、热稳定性一般、阻燃性能不佳等问题，已经无法在更广泛的范围内使用[1-3]。研究将尼龙6（Polyamide 6，PA6）与PS 进行复合，制备出一种能够提升PS材料力学性能的复合材料，通过在复合加工时添加卤素阻燃剂氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）等成分提高了PS材料的热稳定性与阻燃性。利用热重分析仪、电子万能试验机等对PS/PA6复合材料的综合性能如热稳定性、力学性能等进行实验分析，旨在为PS/PA6复合材料在建筑工程管材制备领域的应用提供借鉴。

1 实验材料与方法

1.1实验设备与材料

1.1.1 实验设备

实验设备主要由WAW-1000C+电子万能试验机，济南新试金试验机有限责任公司；JWP-95双螺杆塑料挤出机，江苏金沃机械有限公司；BP-8180-A 塑料注射机，东莞市宝品精密仪器有限公司； TGA-601热重分析仪，南京汇诚仪器仪表有限公司；ReactRaman 785傅里叶红外光谱仪，梅特勒托利多科技（中国）有限公司；Apreo 2C场发射扫描电镜，北京欧波同光学技术有限公司；SM-1000D超声波分散仪，南京舜玛仪器设备有限公司；GK-135E密炼机，大连华韩橡塑机械有限公司；ZY6155B极限氧指数仪、ZY6017F可燃性测试仪、ZY6242-PC单体燃烧试验炉，东莞中诺质检仪器设备有限公司；HCCY-600-B 锥形量热仪，鹤壁仪表厂有限责任公司，等[4-5]。

1.1.2 实验材料

实验所需材料主要由基材PS，东莞市晟邦高分子材料有限公司；PA6，济南世纪通达化工有限公司；阻燃剂 GO，上海源叶生物科技有限公司；硅烷偶联剂，常宁市宏丰化工有限公司；无水乙醇，济南世纪通达化工有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 PS/PA6复合材料制备

（1）改性GO。将2 g GO加入500 mL无水乙醇中，利用超声波分散仪进行混合，混合时间为3h；加入2 mL硅烷偶联剂，利用超聲波分散仪进行混合，混合时间为20 min；利用恒温磁力搅拌器进行搅拌，温度保持60℃ ， 搅拌时间4 h；高速离心机分离以后反复洗涤并干燥，得到改性GO；

（2）接枝PS。取8 g改性GO与100 gPS加入密炼机中进行熔融，保持温度为200℃ ，反应时间为20 min，得到接枝PS；

（3）PS/PA6复合加工。根据不同的接枝PS与PA6比例，分别在温度120、150、180和200℃条件下进行双螺杆挤出机共混，保持转速为400 r/min；之后放入温度90℃真空干燥箱中进行烘干，时间12 h。最后，利用注射机进行注射，注射温度200℃ ， 模具温度35℃ ，冷却时间30 s，得到PS/PA6复合材料。

1.2.2 性能测试与分析

表1所示为不同接枝PS与PA6比例的复合材料配方。

本次实验所需完成的各项测试[9]：

（1）力学性能测试主要通过电子万能试验机等对I ～ V组材料进行拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等的测试，拉伸速率5 mm/min，弯曲速率2mm/min，V 型缺口；（2）热稳定性测试主要利用热重分析仪对 PS、接枝PS及I ～ V组材料进行热分解实验，通过观察热分解发生温度对材料的热稳定性进行总结；（3）阻燃性测试主要利用可燃性测试仪、单体燃烧试验炉、锥形量热仪等对材料的燃烧现象、火焰是否横向蔓延至试样长翼边缘等进行观察，得到不同材料阻燃性能的优劣及其对应的材料质量配比。

其他实验包括SEM分析等，主要为观察材料表面是否有孔洞、裂纹等，其可以反映材料内部粘接强度、致密情况等[10]。

2 结果与讨论

2.1 复合材料性能分析

表2所示为I ～ V组 PS/PA6复合材料拉伸强度、弯曲强度、冲击强度的对比情况。

由表2可知，随着复合材料中PA6质量占比的提升，I ～ V组PS/PA6复合材料的拉伸强度呈现出先增大后减小的变化态势，在PA6质量分数为20%时，复合材料的拉伸强度达到最大值71.8 MPa；以I组材料为对比对象，此时的PA6质量分数为0%，而其余4个组材料的拉伸强度均较I组更高，表明PA6材料的加入提升了復合材料的拉伸强度[11-12]。复合材料中 PA6的加入很好地提升了材料整体的弯曲强度，与I组PA6质量分数为0%时相比，即便弯曲强度最低的 V组材料也达到了68.8 MPa；而弯曲强度的变化情况与拉伸强度的变化情况基本一致，都在Ⅲ组材料PA6质量分数为20%时达到最佳。（3）冲击强度变化与拉伸强度、弯曲强度的变化基本一致，都在PA6质量分数为20%时达到最佳；与未添加PA6的I组材料相比，PA6质量分数为20%时的冲击强度达到了101.4%，冲击强度的增强效果较拉伸强度、弯曲强度的增强效果更为明显[13]。

综合来看，当PS/PA6复合材料中PA6材料的质量分数为20%，PS 材料的质量分数为80%时，复合材料的综合力学性能最佳。这因为PA6材料本身的力学性能较PS材料更好，PA6材料的加入对于复合材料综合力学性能的提升较为明显，在复合材料受到外力影响时，PA6材料的存在很好地分散了外部应力。但是，一旦PA6材料的质量占比过高，材料会在复合材料结构中出现团聚现象。团聚现象一旦出现则材料内部的成分均匀度会出现明显下降；而此时再次受到外力影响时，复合材料会表现出应力集中问题，材料的综合力学性能反而会下降[14]。

2.2 材料质量保留率变化情况分析

表3为几种材料的质量保留率随加热温度变化而变化的情况。

由表3可知，（1）PS 材料视角来看，当外界温度达200℃时材料即开始发生热分解，且热分解的速度非常快；当外界温度达到250℃时，材料的质量保留率已降至45.3%，不足一半；当外界温度达到300℃时，材料的质量保留率已经降为0%，此时热分解便已经完成。由此可见，单纯的PS材料质量随温度的提升会呈现出迅速下降的变化状态。（2）从PA6材料视角来看，该材料的质量保留率变化情况与PS 材料极为相似，均在200℃左右开始发生热分解；但PA6材料在温度达到350℃左右时质量保留率才降为0%，此时热分解才完成[15]，在外部温度为300℃时材料还能保有极少的质量。相对而言，PA6的热稳定较PS 材料略好。就整体来看，尽管PA6在300℃时还能保有一部分质量，但7.8%的质量保留率显然也不能保证材料还可以提供基本的性能，几乎已可以被认为失效。（3） PS/PA6复合材料变化状态，从接枝PS（即I组）、Ⅱ～V组PS/PA6复合材料的质量保留率变化情况来看， I组不含PA6材料的接枝PS 材料在200℃时便开始出现质量保留率下降现象；在外界温度达到400℃之前，材料的质量保留率下降并不明显；当温度达到400～450℃时，材料的质量保留率极速下降；当外界温度达到500℃左右时，材料的质量保留率达到32.7%，并处于稳定状态。Ⅱ～ V组PS/PA6复合材料均在外界温度达250℃左右时，开始出现质量保留率下降，Ⅱ组材料的质量保留率下降速度最慢，其他依次是Ⅲ、Ⅳ、V组，Ⅱ组材料在外界温度达到350℃以后才开始大幅损失质量，Ⅲ、Ⅳ、V组则分别在300、250℃左右开始出现大幅损失质量的情况。从最终稳定以后的质量保留率来看，PS、PA6之2种材料的最终质量保留率均为0%，I组接枝PS材料的最终质量保留率为32.4%，Ⅱ～ V组PS/PA6复合材料最终的质量保留率分别为27.8%、21.1%、17.5%和8.4%[16-17]。

综合而言，PS、PA6材料的热稳定性都较为一般，而接枝PS材料的热稳定性较纯PS 材料有明显提升，这是因为GO材料的加入能够为PS 材料提供一定的吸热膨胀功能，膨胀以后的GO材料会在PS 材料的表面形成一层非常稳定的隔热层，从而避免外界热量进入PS材料内部，进而对PS材料的热分解形成了一种有效的抑制作用[18]。随着复合材料中PA6材料质量占比的提升，接枝PS材料的质量占比下降，此时能够形成这种隔热层的GO 材料质量占比也自然会下降，因而材料表面的隔热层厚度、范围均发生了明显下降，材料的热稳定性随之降低，尤其在PA6材料的质量占比超过20%以后，这种热稳定性下滑的现象越发明显，V组材料的热稳定性最差。因此，从热稳定性来看，I ～ V组PS/PA6复合材料的热稳定性呈逐渐下滑态势，在Ⅲ组以后下滑态势更为明显。

2.3阻燃性能分析

2.3.1 阻燃等级

按GB 8624—2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》分为：A1、A2、B、C、D、E和F级。表4为划分I ～ V 组PS/PA6复合材料阻燃等级的各项目实验结果。

（1）根据国际标准（ISO 11925—2单个火源可燃性测试），I、Ⅱ、Ⅲ组Fs 均小于等于150 mm，表明当材料中PA6质量占比超过20%以后，材料的可燃性提升，燃烧现象、是否能够引燃滤纸、火焰是否横向蔓延至试样长翼边缘这3个实验项目的表现也印证了这一点；（2）从GB 8624—2012中FIGRA0.4MJ参数标准来看，I ～ V组PS/PA6复合材料在燃烧释放热量达到0.4 MJ时的燃烧增长速率指数均呈上升态势，但 I、Ⅱ、Ⅲ组上升幅度较低，而Ⅳ、V组的上升幅度明显更高，这表明这2组复合材料在燃烧释放热量达到0.4 MJ时的燃烧速度明显更快；（3）从极限氧指数来看，I、Ⅱ、Ⅲ组样品燃烧所需氧气量随有所下降但变化并不明显，而Ⅳ、V组样品燃烧所需氧气量下降幅度更为明显，表明这2组復合材料可以在更低的氧气含量下达到极限燃烧。从是否达到B1级来看，只有Ⅳ、 V组样品未能达到B1级[19]。

综合而言，I、Ⅱ、Ⅲ组复合材料的阻燃等级均达到了B1级，3个组复合材料的阻燃性能依次下降；Ⅳ、V组样品未能达到B1级，V组复合材料的阻燃性能最差。根据 GB 8624—2006，B1级的I、Ⅱ、Ⅲ组复合材料已经达到了不易燃材料标准。

2.3.2 总产烟量

表5为I ～ V组PS/PA6复合材料在燃烧状态发生以后总产烟量随时间变化而变化的情况。

（1）从最终的总产烟量角度来看，I ～ V组PS/ PA6复合材料的最终总产烟量呈逐渐上升态势，V组材料的总产量是I组材料的8.7倍，达到了541.4 m2；Ⅳ、V组复合材料600 s 内的总产烟量已经超出了 GB 8624—2006中B1级标准，而I、Ⅱ、Ⅲ组复合材料均能达到 GB 8624—2006；（2）从总产烟量随时间的变化情况来看，I、Ⅱ、Ⅲ组复合材料总产烟量随时间变化的趋势更为平缓；而Ⅳ、V组复合材料变化趋势明显更为显著[20]。

综合而言，I、Ⅱ、Ⅲ组复合材料的总产烟量指标均可以达到GB 8624—2006中B1级标准。

3 结语

（1）从综合力学性能分析角度来看，PA6材料的加入能够显著提升PS/PA6复合材料的综合力学性能，而第Ⅲ组PS/PA6复合材料试样PA6质量分数为20%时的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度均为最佳；

（2）从材料的热稳定性分析角度来看，PA6材料的加入能够显著影响PS/PA6复合材料的热稳定性，但这种影响并非线性，当PA6材料质量占比过高时，会因为在材料内部形成团聚而使复合材料的热稳定性下降，最佳PA6材料质量分数仍然为20%；

（3）从材料的阻燃性能分析角度来看，PA6材料的加入会显著降低PS/PA6复合材料的阻燃性能，当 PA6材料的质量分数超过20%以后，复合材料的阻燃性能便已经无法达到GB 8624—2006B1级标准。

综合来看，PA6材料的质量分数在20%左右时， PS/PA6复合材料的综合力学性能、热稳定性最佳，阻燃性能虽然不是最好，但仍然能达到 GB 8624—2006 B1级标准。因此，PA6材料的质量分数在20%左右时，PS/PA6复合材料综合性能最佳。

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