任冠達(dá)， 張秀斌

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

高分子材料因其性能優(yōu)異、價(jià)格低廉而被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域，但是大多數(shù)高分子材料屬于易燃或可燃材料，在燃燒時(shí)熱釋放速率大，熱值高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤灰紫?，還產(chǎn)生濃煙和有毒氣體，對人民的生命安全造成巨大威脅，對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害.因此，如何提高高分子材料的阻燃性，已經(jīng)成為當(dāng)前消防工作一個(gè)急需解決的問題［1］.

聚合物發(fā)泡材料是一種以樹脂為基體、內(nèi)部具有大量氣泡的微孔材料，可以視為以氣體為填料的固/氣復(fù)合材料.聚合物基體中的氣泡顯著地影響聚合物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能，因而這種兼具固體和氣體特性的復(fù)合材料具有獨(dú)特的性能［2］.因此，與通用塑料制品相比，發(fā)泡塑料制品具有密度小、比強(qiáng)度高、能量吸收能力強(qiáng)和隔音隔熱性能好等特點(diǎn)，在日用品、包裝、汽車、運(yùn)輸業(yè)及建筑等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用［3］.因此，本文研究發(fā)泡體系對材料成品性能和加工工藝的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

聚苯乙烯與聚氯乙烯均具有可發(fā)泡性.PS發(fā)泡產(chǎn)品工藝成熟，發(fā)泡倍率高，制品成本低，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的外墻發(fā)泡保溫板都為PS發(fā)泡制品;PVC中由于含有氯元素，具有阻燃性能，將這兩者共混發(fā)泡，得到既具有高發(fā)泡率、低密度，又具有優(yōu)良阻燃性的材料，減少火災(zāi)的發(fā)生［4］.

1.2 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原料

聚苯乙烯、聚氯乙烯，工業(yè)品，淄博合創(chuàng)橡塑有限公司;輕質(zhì)碳酸鈣、發(fā)泡劑AC，工業(yè)品，河北寧宇化工有限公司;ABS，工業(yè)品，昆山斯科納塑化有限公司;發(fā)泡調(diào)節(jié)劑、復(fù)合穩(wěn)定劑、ACR401，工業(yè)品，浙江多元化工有限公司;硬脂酸、石蠟，工業(yè)品，石家莊茂豐化工有限公司.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

塑煉機(jī)，XK-160，青島環(huán)球機(jī)械股份有限公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9070A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;電子天平，JA2003N，上海精密儀器有限公司;電子拉力試驗(yàn)機(jī)，RG D-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司;氧指數(shù)測定儀，JF-3，南京上元分析儀器有限公司;毛細(xì)管流變儀，XLY-II，吉林大學(xué)科教儀器廠;轉(zhuǎn)矩流變儀，XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司.

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)稱量藥品:稱量配方中各組分藥品，并混合均勻.

(2)塑煉:將稱量好的藥品用塑煉機(jī)塑煉均勻，下片.

(3)發(fā)泡:由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)采用的發(fā)泡工藝是將煉好的試樣粉碎，用毛細(xì)管流變儀在不同的溫度和載荷下壓出成條，得到發(fā)泡樣條.

(4)產(chǎn)品測試:測量從毛細(xì)管流變儀中擠出樣條的密度.

1.4 性能測試

1.4.1 加工性能的表征

將配比好的配方混合，加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中，測試配方體系的最大轉(zhuǎn)矩、平衡轉(zhuǎn)矩以及塑化時(shí)間，并分析不同添加劑對配方體系加工流變性能的影響［5］.

1.4.2 發(fā)泡效果的表征

樣品通過塑煉機(jī)混合壓片以后，把樣品粉碎，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，采用毛細(xì)管流變儀加熱，在不同載荷下，將樣品擠壓成型，得到發(fā)泡樣條.討論不同用量發(fā)泡劑、調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑以及加工助劑對配方發(fā)泡效果的影響.

1.4.3 力學(xué)性能的表征

由于填加發(fā)泡劑以后，發(fā)泡試樣的泡孔無法分布均勻，對配方力學(xué)性能的影響較大，誤差增大.所以，對配方的力學(xué)性能研究采用不填加發(fā)泡劑，對未發(fā)泡式樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度與模量、壓縮強(qiáng)度和模量以及斷裂伸長率的測試，分析不同PVC與PS的配比，以及輕質(zhì)碳酸鈣和增溶劑對試樣力學(xué)性能的影響.

1.4.4 阻燃效果的表征

因?yàn)镻VC具有阻燃性，所以，實(shí)驗(yàn)的配方中不填加阻燃劑，只依賴PVC的阻燃性，研究不同PVC與PS配比的阻燃效果，在不影響力學(xué)性能的情況下，選擇阻燃效果最好的配方［6］.

2 結(jié)果與討論

作為PVC/PS共混材料，配方中兩種基體樹脂的用量配比直接決定配方中其他填料的使用量，在確定了兩種樹脂的配比用量以后，從力學(xué)性能、加工性能、發(fā)泡工藝、阻燃效果等方面，研究配方中助劑用量對共混材料性能的影響［7］.

2.1 PVC/PS共混材料力學(xué)性能的研究

對于任何共混材料，其力學(xué)性能是不可或缺的性能指標(biāo)之一，但是由于發(fā)泡材料在發(fā)泡以后會形成泡孔，對于材料的力學(xué)性能的測試影響較大，所以，在研究力學(xué)性能的時(shí)候，采用不加發(fā)泡劑，對未發(fā)泡的共混材料進(jìn)行力學(xué)性能研究［8］.

由圖1可以看出:隨著體系中PS質(zhì)量的增加，共混材料的拉伸強(qiáng)度降低，在 m(PVC)/m(PS)為60/40時(shí)，體系的拉伸強(qiáng)度有明顯的下降，所以，可能是PVC與PS的相容性不太好，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度的變化趨勢不成線性關(guān)系;但是在加入量為1∶1時(shí)，體系的拉伸強(qiáng)度有十分明顯下降;而PVC和PS樹脂都屬于剛性材料，斷裂伸長率都不大，在10%以內(nèi)［3］.

圖1 PVC/PS的質(zhì)量配比對共混材料拉伸性能的影響Fig.1 The quality of PVC/PS blend material proportion on influence of tensile behavior

從圖2可以看到共混材料的彎曲性能.聚苯乙烯的彎曲強(qiáng)度和模量在通用塑料里很高，因此，在共混體系里加入PS，就是利用其優(yōu)異的彎曲性能.隨PS含量的增加，材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量大大增強(qiáng).為了得到高模量的共混材料，需要增加PS的量來滿足要求.但是PS的阻燃性遠(yuǎn)不及PVC，為了提高共混材料的阻燃性，也要保證PVC的加入量.

圖2 PVC/PS的質(zhì)量配比對共混材料彎曲性能的影響Fig.2 The quality of PVC/PS blend material proportion on influence of bending behavior

2.2 發(fā)泡體系和發(fā)泡溫度的確定和影響

2.2.1 發(fā)泡劑用量對PVC/PS共混材料發(fā)泡效果的影響

從3圖可知:在不同的溫度下，發(fā)泡劑的加入量直接影響材料的密度，發(fā)泡劑越多，發(fā)泡效果越好，共混材料密度越小，但是當(dāng)發(fā)泡劑加入量為4%以后，材料的密度幾乎沒有變化，所以，加入4%的發(fā)泡劑為宜.且當(dāng)溫度為180～200℃時(shí)，材料的密度都在0.7 g/cm-3左右.

圖3 發(fā)泡劑的量對發(fā)泡效果的影響Fig.3 The amount of foaming agent for foam effect

2.2.2 發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對PVC/PS共混材料發(fā)泡效果的影響

PVC發(fā)泡調(diào)節(jié)劑實(shí)際上也是丙烯酸酯類加工助劑，它具備PVC加工助劑的所有基本特點(diǎn)，與PVC通用加工助劑的唯一不同就在于分子量的不同，發(fā)泡調(diào)節(jié)劑的分子量比助劑大.下面討論發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對共混材料發(fā)泡效果的影響.

加入調(diào)節(jié)劑后，在與上組實(shí)驗(yàn)相同的配方和工藝下，材料的密度較未加入發(fā)泡調(diào)節(jié)劑時(shí)有明顯的變化(見圖4)，在190℃和200℃下，4%的AC發(fā)泡劑加入量已經(jīng)可以使共混材料的密度達(dá)到0.5 g/cm-3左右，可見發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對體系的發(fā)泡效果有很好的影響.從圖5可以看出:加入發(fā)泡調(diào)節(jié)劑后材料的密度有所降低，在加入10%到15%組分的調(diào)節(jié)劑后，材料的密度下降明顯，再增加調(diào)節(jié)劑的用量，材料的密度反而有所增加.所以，選擇發(fā)泡調(diào)節(jié)劑的用量為15%.

圖4 加入調(diào)節(jié)劑后發(fā)泡劑對發(fā)泡效果的影響Fig.4 To join regulator after the effects of foaming agent on foaming

圖5 發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對發(fā)泡效果的影響Fig.5 Foam regulator on foaming effect

由圖6可以清楚的看到:當(dāng)不加入發(fā)泡調(diào)節(jié)劑的時(shí)候，材料的泡孔大且相互連通，在加入15%發(fā)泡調(diào)節(jié)劑后，泡孔變小，分布較均勻，連通的泡孔減少.由于發(fā)泡調(diào)節(jié)劑為大分子，分子量很大，影響了體系在加工過程中的流動(dòng)性，增加了熔體的黏度，使發(fā)泡劑分解產(chǎn)生的氣體可以更佳地包含在材料的體系中，從而減小了泡孔的大小，優(yōu)化了發(fā)泡效果.

圖6 發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對發(fā)泡材料泡孔的影響Fig.6 Foam regulator on foaming material bubble hole influence

2.2.3 發(fā)泡溫度對PVC/PS共混材料發(fā)泡效果的影響

從圖7可以看出:在未填加發(fā)泡調(diào)節(jié)劑時(shí)，發(fā)泡溫度在190℃時(shí)發(fā)泡效果最佳，密度達(dá)到0.69 g/cm3，當(dāng)發(fā)泡溫度增加到200℃時(shí)，材料的密度反而增大.這是由于200℃已經(jīng)超過了發(fā)泡劑分解的最高溫度，發(fā)泡效果已經(jīng)開始降低.由圖8可知:在體系加入發(fā)泡調(diào)節(jié)劑后，共混材料發(fā)泡效果同樣在190℃時(shí)達(dá)到最好，為0.5 g/cm3;再繼續(xù)升溫后，材料的密度在200℃幾乎沒有變化，所以，證明發(fā)泡體系在190℃時(shí)已經(jīng)達(dá)到最佳.為了成本和能源的考慮，確定發(fā)泡溫度為190℃.

圖7 未加入調(diào)節(jié)劑時(shí)發(fā)泡溫度對發(fā)泡效果的影響Fig.7 Not join regulator，foaming temperature on foaming effect

圖8 加入調(diào)節(jié)劑后發(fā)泡溫度對發(fā)泡效果的影響Fig.8 To join regulator，the foaming temperature on foaming effect

圖9是當(dāng)發(fā)泡溫度為170、190和200℃時(shí)，材料的泡孔形態(tài).

圖9 發(fā)泡溫度對材料泡孔的影響Fig.9 Foaming temperature on the influence of material bubble hole

由圖9可以比較清晰地看出:在相同的倍率下，隨著溫度的升高，材料的泡孔逐漸增多增大;當(dāng)發(fā)泡溫度為200℃時(shí)，泡孔和材料斷面極不均勻，可能是溫度過高，PVC已經(jīng)開始發(fā)生分解，影響了材料的泡孔形態(tài);當(dāng)發(fā)泡溫度為170℃時(shí)，材料的泡孔分布和數(shù)量明顯不及190℃，可見隨著發(fā)泡溫度的升高，AC發(fā)泡劑的分解效率增加，發(fā)泡效果增強(qiáng)，但也要綜合考慮樹脂的最高加工溫度.

2.3 PVC/PS共混材料阻燃性能的研究

從圖10可以明確地看到:在PVC與PS兩種樹脂的配比中，聚苯乙烯的加入影響了聚氯乙烯原本的阻燃性能.但是，當(dāng)已經(jīng)確定最佳配比，即m(PVC)/m(PS)為60/40時(shí)，共混發(fā)泡材料的燃燒氧指數(shù)已經(jīng)達(dá)到31.7%，聚氯乙烯的阻燃性完全符合共混材料對阻燃效果的要求，所以，配方中不用再加入阻燃劑來增強(qiáng)材料的阻燃性.

圖10 PVC與PS的用量對材料氧指數(shù)的影響Fig.10 PVC and the dosage of the PS materials to the influence of the oxygen index

2.4 發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對加工性能的影響

發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對加工轉(zhuǎn)矩的影響見圖11.

圖11 發(fā)泡調(diào)節(jié)劑對加工轉(zhuǎn)矩的影響Fig.11 Foam regulator for processing the influence of torque

由于發(fā)泡調(diào)節(jié)劑為大分子，所以多少會對體系的加工流變行為產(chǎn)生影響.下面先討論調(diào)節(jié)劑對加工流變性的影響.由圖11可知:發(fā)泡調(diào)節(jié)劑的加入會使體系的轉(zhuǎn)矩增大，并直接影響了平衡轉(zhuǎn)矩的大小.由于發(fā)泡調(diào)節(jié)劑為大分子，增加了熔體的黏度，所以，增大了加工轉(zhuǎn)矩.

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過對力學(xué)性能、發(fā)泡效果、阻燃性、加工性能幾個(gè)方面的研究，得到了發(fā)泡倍率良好、阻燃效果優(yōu)良的PVC/PS共混阻燃發(fā)泡材料的配方，并使其密度達(dá)到0.501g/cm3，燃燒氧指數(shù)達(dá)到31.7%.由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，該數(shù)據(jù)只為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到的結(jié)論，具體產(chǎn)品的性能指標(biāo)還有待工廠和專業(yè)設(shè)備的驗(yàn)證.

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