氢氧化镁阻燃聚丙烯/蒙脱土复合材料的性能研究

李 青，颜 丹，申益兰，张 浪，陆超燕（中国高岭土有限公司，江苏 苏州 215151）

氢氧化镁阻燃聚丙烯/蒙脱土复合材料的性能研究

李 青，颜 丹，申益兰，张 浪，陆超燕
（中国高岭土有限公司，江苏 苏州 215151）

【摘 要】将氢氧化镁和有机蒙脱土按不同的份数添加到聚丙烯中，制备成标准样条测试其力学性能和阻燃性能。结果表明，氢氧化镁的加入能提高复合材料的阻燃性能和弯曲模量，但其冲击性能和拉伸性能明显降低。加入蒙脱土复配氢氧化镁阻燃剂，复合材料的拉伸性能和氧指数能得到进一步提高，但冲击性能和弯曲模量则会下降，而材料的垂直燃烧等级也没有提高。当有机蒙脱土含量4%，氢氧化镁含量50%时，复合材料氧指数为26%，垂直燃烧达到UL94 V-2级，缺口冲击强度为5.84kJ/m2，拉伸强度为24.12MPa，弯曲模量为2 342MPa。

【关键词】氢氧化镁；蒙脱土；聚丙烯；力学性能；阻燃性能

1　引言

塑料燃烧造成的事故已经日益成为一个重大社会问题，未经阻燃处理的塑料产品在使用中受到极大的限制，塑料的阻燃改性日益受到人们的重视[1]。氢氧化镁(MH)是一种常用的无机阻燃剂。它与同类无机阻燃剂相比，在使高分子材料获得优良的阻燃效果之外，还能够抑制烟雾和卤化氢等有毒气体的生成，具有更好的抑烟效果，即氢氧化镁除具有阻燃、消烟和填充三重功能，同时赋予材料无毒性、无腐蚀性。但其阻燃效率较低，通常添加量很大，这样会使材料的力学性能和加工性能受到很大影响[2-3]。近些年来国内外研究者将常规的阻燃系统与纳米级层状硅酸盐结合使用，即用常规阻燃剂与纳米有机蒙脱土(OMMT)和聚合物组成二元或三元纳米复合材料[4]，发现仅用少量纳米层状蒙脱土加入到聚合物中即可降低聚合物的可燃性[5]，从而减小常规阻燃剂的用量，以便能在提高材料的阻燃性的同时，改善材料的物理机械性能，即克服单一常规阻燃系统带来的恶化基材料物理机械性能的弊端。

本文研究了氢氧化镁阻燃剂和有机蒙脱土对聚丙烯(PP)基复合材料阻燃性能(如LOI、UL 94)的影响，并通过扫描电镜分析复合材料燃烧后的炭层。同时，通过标准力学性能测试对MH/PP/OMMT复合材料进行研究，从而找到综合性能较佳的配比。

2　试验部分

2.1 主要原料

本试验原料为：浙江安吉有机蒙脱土(OMMT)；燕山石化聚丙烯(PP)K8303；华都科技有限公司马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)；郑州富龙新材料科技有限公司氢氧化镁阻燃剂(MH)；其他试剂市售。

2.2 主要设备

同向双螺杆共混挤出机SHJ-26，南京诚盟化工机械有限公司；塑料造粒机LQ系列，江苏泰州鑫力橡塑机械有限公司；四缸全液压螺杆注塑机JPH50，广东泓利机器有限公司；SHR-高速混合机，张家港市轻工机械厂；恒温干燥箱101-3，沪南电炉烘箱厂；悬臂梁冲击实验机，承德试验机厂；电子拉力机HDW-20，深圳市凯强利机械有限公司；氧指数测定仪，济南天辰试验机制造有限公司；激光粒度测试仪Jl-1155型，成都精新粉体测试设备有限公司；扫描电子显微镜Quanator-200，荷兰。

2.3 MH/PP/OMMT的制样

按一定的质量比称量MH、PP、PP-g-MAH、OMMT和硬脂酸钙。先将MH、OMMT和硬脂酸钙加入SHR-10A型高速混合机中，70℃下预混10min，随后加入PP和PP-g-MAH继续混合10min后出料，冷却备用。MH、PP、PP-g-MAH、OMMT和硬脂酸钙的具体质量配比如表1所示。

表1　复合材料成分配比(%)

将混合料加入SHJ-26型双螺杆挤出机中，熔融共混挤出，造粒烘干。最后经JPH50型注塑机注射成型，制得测试所需标准样条。

3　试验结果与讨论

3.1 粒度分析

图1为氢氧化镁的粒径分布曲线。可以看出，MH的粒度主要分布在0.6～6.2μm，分布较为均匀，平均粒径小，这使其在填充过程中有利于减小对复合材料力学性能的影响，同时提高阻燃效果。

图1　MH的粒径分布

3.2 复合材料的力学性能

3.2.1 不同含量MH填充PP的力学性能

图2～图4分别是不同含量MH填充PP时，复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度和弯曲模量的变化曲线。

图2　缺口冲击强度与MH含量关系

图3　拉伸强度与MH含量关系

图4　弯曲模量与MH含量关系

从图2可以看出，随着MH含量的增加，MH/PP复合材料的缺口冲击强度逐渐减小，当MH添加量为10%时，复合材料的缺口冲击强度为11.21kJ/m2，比纯PP降低了75%，这是因为MH与PP之间本身并不相容，而MH经表面有机改性后，虽然改善了与PP的相容性，但两者之间的结合依然不是很好，所以在添加入MH后，复合材料的缺口冲击强度有大幅度下降。继续添加MH，复合材料缺口冲击强度下降速度减慢，MH含量50%时，比纯PP降低了80%。

从图3可以看出，随着MH含量的增加，MH/PP复合材料的拉伸强度逐渐减小，当MH添加量为10%时，复合材料的拉伸强度为25.49MPa，比纯PP降低了约2%，继续添加MH，材料拉伸强度下降速度加快；当MH含量为50%时，拉伸强度为22.24MPa，比纯PP降低了约14%。

从图4可以看出，随着MH含量的增加，MH/PP复合材料的弯曲模量逐渐增加，当MH添加量为10%时，复合材料的弯曲模量为1 337MPa，比纯PP增加了约34%，继续添加MH，材料弯曲模量增加速度加快；当MH含量为50%时，弯曲模量为2 899MPa，比纯PP增加了约190%。

3.2.2 OMMT与MH配合填充PP的力学性能

表2列出了OMMT与MH配合填充PP时的力学性能。从表中可以看出，加入4%OMMT后，MH/PP/ OMMT复合材料的缺口冲击强度与MH/PP复合材料相比又有明显下降。当MH含量分别为30%、40%、50%时，添加4%OMMT，复合材料缺口冲击强度分别下降约10%、30%、34%。这可能是由于MH的添加量很大，影响了OMMT以嵌入的方式与聚合物基体结合，使OMMT以颗粒的形式存在于聚合物基体中，因此使材料的冲击性能下降。

MH/PP/OMMT复合材料的拉伸强度与MH/PP复合材料相比有明显提高。当MH含量分别为30%、40%、50%时，添加4%OMMT，复合材料拉伸强度分别提高约5%、10%、8%。这可能是由于有部分蒙脱土片层嵌入了聚合物基体中，与聚合物基体吸附形成有效界面，使复合材料拉伸强度有一定提高。

MH/PP/OMMT复合材料的弯曲模量与MH/PP复合材料相比有明显下降。当MH含量分别为30%、40%、50%时，添加4%OMMT，复合材料弯曲模量分别下降约9%、25%、19%。

3.3 MH/PP/OMMT复合材料的氧指数

3.3.1 不同含量MH填充PP的氧指数

图5为复合材料的氧指数随MH含量的变化而变化的曲线。从图中可以看出，随着MH添加量的增加，体系的氧指数总体上呈上升趋势，当MH添加量从0增加到50%时，材料的氧指数从17%上升到25%。MH/PP阻燃体系氧指数的提高主要是因为体系在燃烧过程中MH发生脱水反应会大量吸热，而其分解产生的H2O能带走大量热量，同时能稀释可燃气体浓度，另一分解产物氧化镁与燃烧形成的其他炭化物一起，在聚合物周围形成惰性屏蔽层，能阻止聚合物进一步受火的侵袭，加强了氢氧化镁的阻燃效果。因此MH含量越高，体系氧指数越大。

表2　OMMT与MH配合填充PP的力学性能

图5　不同添加量的氢氧化镁阻燃剂(MH)阻燃PP体系的氧指数变化

表3　OMMT与MH配合填充PP的氧指数(%)

表4　试样的垂直燃烧性能

3.3.2 OMMT与MH配合填充PP的氧指数

表3为OMMT与MH配合填充PP时体系的氧指数。从表中可以看出，加入4%OMMT，体系氧指数能提高约1%，这是因为OMMT自身能释放出层间结晶水，同时OMMT的层结构对阻隔空气能起到一定的作用，因而增强了体系阻燃效果。而OMMT与MH也有可能具有一定的阻燃协效作用，这有待进一步的研究。

3.4 MH/PP/OMMT复合材料的垂直燃烧性能

表4列出了不同含量OMMT和MH的复合材料的垂直燃烧性能。从表中可以看出，MH的加入对提高材料垂直燃烧性能的效果不佳，当MH添加量达到50%时，才能通过UL94 V-2级；而加入有机蒙脱土并不足以提高复合材料的垂直燃烧级别。

3.5 炭层结构分析

图6是MH/PP/OMMT复合材料燃烧后炭层的扫描电镜图(SEM)。可以看出，MH/PP/OMMT复合材料燃烧后氢氧化镁分解形成的氧化镁和其他炭化物团聚在一起，覆盖在了材料燃烧表面。但其炭层致密度明显不高，燃烧表面有很多孔隙。这可以说明在氢氧化镁阻燃体系中，并不完全依靠在燃烧表面覆盖炭层而达到阻燃效果。

图6　MH/PP/OMMT复合材料炭层扫描电镜图(SEM)

4　结论

(1) 通过力学性能测试发现，随着氢氧化镁阻燃剂(MH)含量的增加，MH/PP复合材料的缺口冲击强度和拉伸强度逐渐减小，弯曲模量逐渐增加。当MH含量为10%～50%时，MH/PP复合材料的缺口冲击强度较纯PP的减幅为75%～80%，拉伸强度的减幅为2%～14%，弯曲模量的增幅为34%～190%。MH含量50%时，其具体值分别为8.84kJ/m2，22.24MPa 和2 899MPa。当再添加有机蒙脱土时，复合材料的拉伸强度有所提高，而缺口冲击强度和弯曲模量则有所下降。

(2) 通过对复合材料氧指数(LOI)的测试，发现随着氢氧化镁阻燃剂(MH)含量的增加，MH/PP复合材料的氧指数逐渐增加。而MH的阻燃效率较低，当MH添加量为50%时，LOI为25%。当再添加入4% OMMT时，LOI增加1%。

(3) 通过对复合材料垂直燃烧(UL94)的测试，发现添加氢氧化镁阻燃剂(MH)对提高材料垂直燃烧性能效果不佳，当MH含量达到50%时，复合材料的燃烧性能才达到UL94 V-2级。另外，加入有机蒙脱土对复合材料的垂直燃烧性能影响不大，不能提高复合材料的垂直燃烧等级。

(4) 通过扫描电镜(SEM)对复合材料燃烧后的炭层的观察，发现MH/PP/OMMT复合材料的燃烧炭层量较少，并不能完全覆盖燃烧表面。说明在氢氧化镁阻燃体系中，并不完全依靠在燃烧表面覆盖炭层而达到阻燃效果。

【参考文献】

[1]张军,钱晓琳.EVA改性聚乙烯无卤阻燃泡沫塑料的研究[J].弹性体,2001,11(3):6-11.

[2]欧育湘.新型无卤阻燃工程塑料[J].现代化工,2000,20(12):59-62.

[3]高宗永.塑料无卤化阻燃技术研究[J].精细石油化工进展,2003, 4(3):34-37.

[4]葛世成.塑料阻燃实用技术(第一版)[M].北京:化学工业出版社, 2004.

[5]KIM Jinhwan, LEE Kyongho, LEE Kunwoo, et al. Studies on the thermal stabilization enhancement of ABS: synergistic effect of triphenyl phosphate nanocomposite,epoxy resin, and silane coupling agent mixtures[J]. Polymer Degradation and Stability, 2003, 79: 201-207.

Prepration and Properties of Mg(OH)2Flame-retardant PP/Montmorillonite Composites

LI Qing, YAN Dan, SHEN Yi-lan, ZHANG Lang, LU Chao-yan
(China Kaolin Clay Co., Ltd., Suzhou 215151, China)

Abstract:Standard sample of the composites was prepared from polypropylene swing in with different content of Mg(OH)2and organic montmorillonite (OMMT). The mechanical properties and flame-retardant properties of the composites were measured. Results show that the addition of Mg(OH)2can enhance the composite material's flame-retardant properties and flexural modulus, but its impact properties and tensile properties is markedly lower. Montmorillonite compounds with Mg(OH)2will further enhance the composite's LOI and tensile properties, however, the impact properties and flexural modulus will fall, and UL94 grading is not improved. When OMMT content is 4%, Mg(OH)2content is 50%, the composite's LOI is 26%, vertical combustion achieve UL94 V-2 level, notched impact strength is 5.84 kJ/m2, tensile strength is 24.12MPa, flexural modulus is 2 342MPa.

Key Words:Mg(OH)2; montmorillonite; polypropylene; mechanical properties; flame-retardant properties

【收稿日期】2015-03-20

【文章编号】1007-9386(2015)04-0020-04

【文献标识码】A

【中图分类号】TB332