一種阻燃的木塑復合材料
作者：曹建國
木塑復合材料( WPC)是由植物纖維和塑料復合而成，兼具木材和塑料的性能優(yōu)點，是一種新型的環(huán)保材料，其產(chǎn)品主要用作木材的替代品。但由于木塑復合材料中的主要原料木纖維與塑料都屬于易燃材料，應用存在一定的安全隱患，需要進行阻燃處理。聚烯烴和木材的阻燃常采用無機阻燃劑、含鹵阻燃劑和含磷阻燃劑等。由于含鹵阻燃劑對環(huán)境的不利影響，材料的無鹵阻燃受到人們的高度重視。無機阻燃劑阻燃效率低，要使材料阻燃性能達到一定的要求，填充質(zhì)量分數(shù)需高達40%~60%，這樣會對材料的機械力學性能影響很大，難以達到使用要求。
有機硅阻燃劑具有高效的阻燃性能，無鹵、低煙、低毒、生態(tài)友好，對高分子基材的加工性能和力學性能影響較小等特點，是一類較為理想的新型阻燃劑。筆者采用甲基苯基聚硼硅氧烷阻燃劑及與納米Si02或聚磷酸銨復配對聚乙烯(PE)基木塑復合材料進行改性，研究了阻燃劑對PE基木塑復合材料阻燃性能和力學性能的影響。
1 實驗部分
1.1 實驗主要原料
雜木粉，60 s，浙江省臨安市明珠木粉廠生產(chǎn)；高密度聚乙烯( HDPE)，5000S，中國石化揚子石油化工有限公司生產(chǎn)；聚磷酸銨( APP)，摩爾質(zhì)量>1 000 g/mol，杭州捷爾思阻燃化工有限公司生產(chǎn)；納米Si02，化學純，杭州萬景新材料有限責任公司生產(chǎn)；馬來酸酐接枝聚乙烯( PE -g -MAH)，接枝率0.6 010，寧波能之光新材料科技有限公司生產(chǎn)；甲基苯基聚硼硅氧烷(PB)，自制。
1.2實驗儀器
轉矩流變儀，XSS -300型，上海橡塑成型有限公司生產(chǎn)；塑料注射成型機，SA900/260型，寧波海天塑機集團有限公司生產(chǎn)；綜合熱分析儀，STA409PC型，德國耐馳儀器公司生產(chǎn)；錐形量熱儀，Stanton Redcroft型，英國FTT公司生產(chǎn)；萬能試驗機，UTM4204型，珠海三思試驗設備有限公司生產(chǎn)。
1.3實驗過程
將木粉在llOoC烘干8h，至含水質(zhì)量分數(shù)<2%。按表1配方稱取一定量干木粉、自制甲基苯基聚硼硅氧烷阻燃劑、高密度聚乙烯、PE -g -MAH和其他助劑等，在容器中初步混合后加入轉矩流變儀中，于175℃熔融混煉均勻，然后冷卻破碎，制得破碎料。將破碎料加入注塑機進行注塑，制得木塑復合材料試樣。
1.4性能測試與表征
利用綜合熱分析儀分析復合材料的熱失重情況，升溫速率為10℃/min，N2氣氛。
按照IS0 5660，利用錐形量熱儀測定復合材料的燃燒性能，水平輻射強度為35 kW／m2，試樣尺寸為100 mm x100 mm x2 mm。
按照GB/T 1040-2006、GB/T 9341-2006，利用萬能材料試驗機分別測定復合材料的拉伸強度、彎曲強度。
按照GB/T 1043. 1-2008，利用沖擊試驗機測定復合材料的簡支梁缺口沖擊強度。
2結果與討論
2.1熱失重分析
對阻燃木塑體系進行熱失重分析以了解阻燃劑對木塑復合材料熱降解過程的影響，結果如表2和圖1所示。
由表2和圖1可知，添加了甲基苯基聚硼硅氧烷(PB)的木塑復合材料的5 010降解溫度有所下降，但材料的50%降解溫度有所提高，且隨PB質(zhì)量分數(shù)的增加而提高，說明在較低溫度時，PB自身發(fā)生了一部分降解。隨著溫度的升高，阻燃劑與木塑復合材料發(fā)生相互作用，提高了材料的熱穩(wěn)定性。阻燃木塑復合材料的8000C殘?zhí)柯拭黠@比未阻燃材料高，如在木塑復合材料中添加10份PB，可使木塑復合材料的800C殘?zhí)柯蕪?.3%提高到15. 3%，由此說明在熱降解過程中，PB與木塑復合材料的木纖維之間發(fā)生作用，形成了交聯(lián)結構，促進了殘?zhí)康纳�，進而抑制材料的熱降解。
添加了PB復配Si02阻燃劑的木塑復合材料的起始降解溫度（5 010降解溫度）和50 010降解溫度都有一定的提高，且隨阻燃劑中Si02質(zhì)量分數(shù)的增加而提高，表明PB復配Si02提高了木塑復合材料的熱穩(wěn)定性。在PB阻燃木塑復合材料中添加納米S102可使材料的800℃殘?zhí)柯蔬M一步提高，熱降解速率降低，表明在材料的熱降解過程中，PB和Si0：發(fā)生了協(xié)同作用，Si02的加入進一步促進了殘?zhí)康纳伞?/p>
在PB阻燃木塑復合材料中添加APP可使材料的起始降解溫度略有提高，50%降解溫度明顯提高，并隨APP質(zhì)量分數(shù)的增加而增高。在PB阻燃木塑復合材料中添加20份APP可使材料的800C殘?zhí)柯蕪?5. 0%進一步提高到28.5 010，表明在材料降解過程中，PB和APP發(fā)生了協(xié)同作用，PB促進交聯(lián)結構的產(chǎn)生，APP發(fā)生分解生成了強脫水劑（偏磷酸及聚偏磷酸），促使材料脫水碳化，形成致密炭層，從而抑制材料進一步熱降解，提高了木塑復合材料的熱穩(wěn)定性。
2.2錐形量熱儀分析
分別對木塑復合材料樣品Al、A4、Bl、C4進行錐形量熱儀測定，以考察PB及其與納米Si0：或APP復配阻燃劑在真實火災條件下對PE基木塑復合材料燃燒性能的影響，結果如表3和圖2所示。
在PE基木塑復合材料中添加PB，使點燃時間縮短了，這是由于PB的起始降解溫度較低，在較低溫度下就分解產(chǎn)生可燃性氣體，使點燃變得相對容易了。但PB與納米Si02或APP復配阻燃劑卻使木塑復合材料的點燃時間延長了。
PB及其復配阻燃劑均使木塑材料的最大熱釋放速率(PHRR)和總熱釋放量（THR）明顯降低。比較含聚硼硅氧烷總量均為8份的A4、Bl和C4樣品可知，復合阻燃劑比單一的聚硼硅氧烷對降低木塑復合材料熱釋放速率的效果更好，尤其是與APP復配的C4樣品的PHRR和THR分別為251.3 kW/m2和50.2 MJ/m2，比A4的364.2 kW/m2和69.3 MJ/m2分別降低了31. 0%和38. 1010。從圖2也可發(fā)現(xiàn)，C4樣品的HRR和THR明顯比其他樣品低，且燃燒持續(xù)的時間也相對較短，因此，PB與APP復配對PE基木塑復合材料具有較好的阻燃效果。PB與Si0，復配的阻燃樣品Bl在燃燒過程中的熱釋放與A4相比也有明顯下降，但效果不如聚硼硅氧烷與APP復配降低的效果顯著。
PB使木塑復合材料的火災性能指數(shù)（FPI）略有降低，但復配阻燃劑使木塑復合材料的FPI有所提高，尤其是PB與APP的復配阻燃劑使木塑復合材料的FPI提高了92. 9%，由此可見，復配阻燃劑比單純的PB對木塑復合材料的阻燃效果好。
PB及其復配阻燃劑使木塑復合材料的平均有效燃燒熱（AEHC）略有降低，其中，PB與APP復配的C4樣品使材料的AEHC降低較明顯，表明阻燃劑對PE基木塑復合材料有抑制火焰的作用。
各PE基木塑復合材料樣品的煙釋放速率( SPR)及CO、CO2釋放速率隨燃燒時間的變化曲線如圖3所示。PB及其與APP或Si02復配阻燃劑均使木塑復合材料的煙釋放速率有所提高。復配阻燃劑阻燃木塑體系的總煙釋放量比單純PB阻燃體系的低，但與未阻燃的木塑復合材料相比，卻有不同程度的提高。
聚硼硅氧烷及其與APP或Si02復配使木塑復合材料的CO釋放速率增加，CO2釋放量降低。說明聚硼硅氧烷及其復配阻燃劑改變了木塑復合材料的熱降解過程，使材料由部分完全燃燒變?yōu)椴煌耆紵�，造成材料在燃燒過程中CO釋放速率的提高，材料的不完全燃燒也造成了燃燒過程煙釋放量的增加。
由表3分析可知，PB及其與APP或Si02復配后的復合阻燃劑的加入，使材料的質(zhì)量損失率（MLR）有不同程度的下降，說明阻燃劑的加入促使材料在燃燒過程中形成炭層，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，未阻燃木塑復合材料的燃燒殘?zhí)勘砻姹容^疏松，炭層強度較低，很容易破碎。圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)的阻燃木塑樣品的殘?zhí)拷Y構較致密，特別是聚硼硅氧烷與APP的復配阻燃樣品的殘?zhí)拷Y構致密，且炭層強度較高，不易破碎，殘?zhí)勘砻娴牧鸭y較少，這樣的炭層隔熱、隔氧的作用較好，能有效阻止材料的進一步燃燒，起到了很好的阻燃作用。
2.3木塑復合材料的力學性能
聚硼硅氧烷質(zhì)量分數(shù)對木塑復合材料力學性能的影響如圖5所示。
由圖5可以看出，隨著PB質(zhì)量分數(shù)的增加，木塑復合材料的彎曲強度先增后減，當添加3份PB時，木塑復合材料的彎曲強度最大，為52.1 MPa，比未阻燃木塑材料提高了51. 90/0。PB對木塑材料的拉伸強度影響不大。
由于木粉與樹脂基體間弱的界面相互作用，致使復合材料在受外界沖擊作用時弱界面處很快形成破壞性裂紋，使材料沖擊強度顯著下降，PB的加入，在一定程度上破壞了木塑之間的相容性，同時，PB與木塑基質(zhì)間的相容性也不好，致使材料的沖擊強度有所下降。但沖擊強度隨PB質(zhì)量分數(shù)的增加降低到一定程度后趨于平緩。
Si0，及APP的質(zhì)量分數(shù)對聚硼硅氧烷阻燃木塑復合材料力學性能的影響分別如圖6、圖7所示。
從圖6、圖7可以看出，添加了PB復配Si0：或APP阻燃劑后，木塑復合材料的彎曲強度提高，沖擊強度下降，對拉伸強度影響不大。
3結論
(1)甲基苯基聚硼硅氧烷降低了木塑復合材料的熱降解速率，提高了材料的800℃殘?zhí)柯剩f明在熱降解過程中，聚硼硅氧烷與木塑復合材料的木纖維之間發(fā)生作用，形成了交聯(lián)結構，促進了殘?zhí)康男纬�，進而抑制材料的熱降解。聚硼硅氧烷與納米Si0：或APP復配可使木塑復合材料的8000C殘?zhí)柯蔬M一步提高。
(2)聚硼硅氧烷及其與納米Si02或APP復合阻燃劑使木塑復合材料的熱、CO：釋放速率及質(zhì)量損失率降低，但使材料的煙、CO釋放速率提高。總體來說，聚硼硅氧烷與Si02或APP復配阻燃劑比單純聚硼硅氧烷的阻燃效果好，其中，聚硼硅氧烷與APP復配對木塑復合材料的阻燃效果最好。
(3)聚硼硅氧烷及其與納米Si02或APP的復配阻燃劑使木塑復合材料的彎曲強度明顯提高，對材料的拉伸強度影響不大，但使材料的沖擊強度下降。
4摘要：
利用甲基苯基聚硼硅氧烷( PB)及其與納米Si0：或APP的復合阻燃劑制備了阻燃木塑復合材料，研究了阻燃劑對木塑復合材料( WPC)阻燃性能和力學性能的影響。結果表明，在熱降解過程中，聚硼硅氧烷顯著提高了木塑復合材料的800℃殘?zhí)柯�，促進了殘?zhí)康男纬桑琍B與納米S102或APP復配使用可使木塑復合材料的熱降解殘?zhí)窟M一步提高。PB及其復合阻燃劑使木塑復合材料的熱、CO2釋放速率及質(zhì)量損失率降低，PB與APP復配對木塑復合材料的阻燃效果最好。PB及其復合阻燃劑使木塑復合材料的彎曲強度明顯提高，對拉伸強度影響不大，但使沖擊強度下降。
