八钼酸铵与聚磷酸铵阻燃抑烟PVC的研究

朱山宝，马青赛，付志忠，陈绪煌

八钼酸铵与聚磷酸铵阻燃抑烟PVC的研究

朱山宝1，2，马青赛2，付志忠1，陈绪煌1

（1湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北武汉430068；2苏州奥凯高分子材料股份有限公司，江苏苏州215151）

以聚磷酸铵为阻燃剂，八钼酸铵为抑烟剂，通过烟密度、氧指数、拉伸和冲击等研究手段，探讨其对聚氯乙烯力学性能及燃烧特性的影响。研究结果表明：加入6份八钼酸铵后，对比空白PVC样品，其拉伸强度、断裂伸长率分别下降5.8MPa和3.9%。随着聚磷酸铵组分的增加，拉伸强度和断裂伸长率下降，冲击强度增加。加入12份聚磷酸铵时，PVC的拉伸强度和断裂伸长率分别下降10.23MPa、46.9%，冲击性能提高了1.65kJ／m2。两者对PVC抑烟有协同效应，其中八钼酸铵3份，聚磷酸铵6份的抑烟效果最好，最高烟密度等级下降26.92。同时，聚磷酸铵添加量增加至12份，氧指数达到49.1。

抑烟；阻燃；八钼酸铵；聚磷酸铵

聚磷酸铵（APP）是常用膨胀型阻燃剂［1－2］，其阻燃机理为：APP磷和氮含量都很高，它们之间又存在P－N协同效应，APP在燃烧过程中受热分解为脱水剂聚磷酸，并促进成炭；炭层阻止热量传递，降低聚合物表面温度，阻止气体扩散，降低燃烧区域的氧气浓度，造成燃烧区域没有足够的氧气和可燃气体，因而起到很好的阻燃作用［3－4］。

钼系抑烟剂主要是三氧化钼和八钼酸铵（AOM），钼系化合物抑烟机理是Lewis酸机理，促进成炭同时降低烟密度。钼系化合物抑烟体系主要是促使聚氯乙烯（PVC）分解生成反式多烯链，抑制生成苯，同时还促使交联过程的发生与进行，从而达到抑制黑烟产生的目的。同时，钼化物可以与三氧化二锑、氢氧化镁等阻燃剂复配，它们之间有协同作用，能提高抑烟效果。钼类化合物价格很贵，与三氧化二锑、氢氧化镁复合使用还能降低成本［5，6］。

AOM作为PVC的抑烟剂，APP作为阻燃剂，探究它们之间协同作用，对PVC阻燃抑烟制品的生产与应用具指导意义，对探索PVC的抑烟机制也有一定的理论意义。本文研究APP和AOM二者阻燃抑烟协同作用，并探讨其配比对PVC阻燃抑烟性能的影响，提高复合体系阻燃抑烟效果。

1 实验部分

1.1 实验原料与仪器设备

PVC粉料，SG－5，北元化工集团股份有限公司；PE蜡，硬脂酸，工业级，广东南方巴斯夫蜡业有限公司；钙锌稳定剂，工业级，湖南邵阳天堂助剂化工有限公司；八钼酸铵，工业级，江苏琨玉金属科技有限公司；聚磷酸铵，工业级，常州中耀精细化工有限公司。

WQ－1007型开炼机，东莞伟庆机械设备厂；YJ型液压机，成都航发液压工程有限公司；XLB－350× 350型平板硫化仪，上海奇才液压机械有限公司；XLS－20型数显拉力试验机，承德金建检测仪器有限公司；XJJ－50型简支梁冲击试验机，河北承德试验机厂；YCJ－2型建材烟密度测试仪，南京江宁分析仪器有限公司；HC－2型氧指数测定仪，江苏三丰检测仪器有限公司。

1.2 试样制备

按照表1PVC配方在电子天平上称量：6份样品混合均匀后，开炼4min，塑化均匀；将样品放在模具中在液压机下进行压片，待熔融后提高压力并保压4min；放入平板硫化仪中冷压2min，待冷却后取出PVC片材并编号。

表1 PVC配方表

1.3 性能测试与表征

力学性能测试：拉伸强度按照GB／T 1040.2–2006标准测试，拉伸速率为20mm／min；

冲击强度按照GB／T 21189–2007标准测试，冲击试验环境温度为23oC。

烟密度测试：按照GB／T 8627–2007标准测试PVC试样的烟密度等级（SDR）以及最大烟密度（MSD）。

极限氧指数（LOI）实验：LOI是指在氧气和氮气的混合流动气氛中，试样刚好能维持有焰燃烧的氧气的最小体积分数。按照GB／T2406－1993，试样尺寸120mm×6.5mm×3mm。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

从图1得到组分不同拉伸强度和断裂伸长率的变化，空白样PVC拉伸强度为46.41MPa；断裂伸长率77.62%。在加入6份AOM后，PVC的拉伸强度和断裂伸长率均下降为40.61MPa、73.72%，这是由于钼化合物在PVC中的相容性较差。随着聚磷酸铵组分的增加，拉伸强度及断裂伸长率下降更加明显，加入12份APP时，拉伸强度为36.18MPa，断裂伸长率为30.72%。这是由于APP与PVC虽然有一定相容性，但加入量较大，影响拉伸性能。

图1 APP含量对PVC拉伸强度和断裂伸长率的影响

图2显示了PVC体系冲击强度的变化。实验结果表明，空白样的简支梁缺口冲击强度为5.79kJ／m2，在PVC中加入6份AOM后，与空白样的冲击强度相比提高至6.32kJ／m2。随着APP组分加入份数提高，冲击性能提高比较亦明显提高，在加入12份时为7.44kJ／m2。这是由于APP与PVC有一定相容性，APP以粒子形式存在，在产生应力集中效应，易引发周围树脂产生开裂，吸收一定的变形功；粒子的存在使基体树脂裂纹扩展受钝化，最终裂纹终止，不致发展为破坏性开裂，APP加入量大于9份后冲击强度增加变缓。

图2 APP含量对PVC冲击强度的影响

2.2 烟密度

从图3中可以看到各个组分的烟密度等级，表明添加APP PVC样品和无添加样品的最大烟密度和烟密度等级相差不大，说明阻燃剂APP单独使用对PVC没有抑烟的作用；加入AOM体系均存在抑烟作用，单独使用AOM对PVC有抑烟的功能。APP和AOM共同使用对PVC的抑烟效果增强，说明APP和AOM对PVC的阻燃抑烟具有一定的协同作用。其中聚磷酸铵3g，聚磷酸铵6g的抑烟效果最好，其最大烟密度（MSD）为73.08，烟密度等级（SDR）为60.67。

图3 PVC样品烟密度曲线

2.3 氧指数

表2PVC样品氧指数实验数据表明：随AOM和APP的添加，PVC的氧指数升高，表现得更难燃烧，阻燃性能得到提高。随APP组分的增加，PVC的阻燃性能得到持续增强，加入12份时，氧指数为49.1。

表2 PVC样品氧指数

3 结论

在聚氯乙烯中添加AOM和APP，研究了复合体系的燃烧性能，得到如下结论：

1）随APP组分的增加，PVC的阻燃性能得到持续增强，其中最大氧指数为49.1；

2）APP单独使用没有抑烟的功能，与AOM共同使用对PVC的抑烟具有一定的协同作用；

3）加入AOM 3份、APP 6份的阻燃抑烟效果较好，其最大烟密度（MSD）为73.08，烟密度等级（SDR）为60.67；

4）加入AOM后，PVC的拉伸强度和断裂伸长率均有所下降。随着聚磷酸铵组分的增加，拉伸强度进一步下降，断裂伸长率下降更加明显，冲击性能提高比较明显。

［1］ 阎春绵，张忠厚，张永海，等.MoO3／ZnO／APP对硬质PVC抑烟阻燃性能的影响［J］.塑料助剂，2008（3）：36－39.

［2］ 张晖，赖小莹，艾常春，等.聚磷酸铵的合成及改性研究进展［J］.武汉工程大学学报，2012，34（10）：32－35.

［3］ Zhou K Q，Zhang Q J，Liu J J，et al.Synergetic effect of ferrocene and MoS2in polystyrene composites with enhanced thermal stability，flame retardant and smoke suppression properties［J］.RSC Advances，2014，4（26）：13 205－13 214.

［4］ Zhou K Q，Jiang S H，Shi Y Q，et al.Multigram－scale fabrication of organic modified MoS2nanosheets dispersed in polystyrene with improved thermal stability，fire resistance，and smoke suppression properties［J］.RSC Advances，2014，4（76）：40 170－40 180.

［5］ Zhou K Q，Yang W，Tang G，et al.Comparative study on the thermal stability，flame retardancy and smoke suppression properties of polystyrene composites containing molybdenum disulfide and grapheme［J］.RSC Advances，2013，3（47）：25 030－25 040.

［6］ 覃虎川，陈绪煌.磷钼酸铵在半硬质聚氯乙烯中阻燃－抑烟的应用［J］.高分子材料科学与工程，2016（10）：100－104.

The Flame Retardant and Smoke Suppression of PVC with AOM and APP

ZHU Shanbao1，2，MA Qingsai2，FU Zhizhong1，CHEN Xuhuang1
（1 School of Materials and Chemical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Suzhou Okay Polymer Materials Co.，LTD.，Suzhou 215151，China）

With polyphosphoric acids ammonium salts（APP）prepared for the flame retardant and smoke suppression of ammoniummolybdat（AOM），combined with the mechanical properties，smoke density，oxygen index test，the paper studies the influence of the flame retardant and smoke suppression on the combustion characteristic of polyvinyl chloride（PVC）.The results show that after adding AOM（6phr），contrast blank PVC samples of tensile strength，breaking elongation respectively decreases5.8MPa，3.9%.With the increase of APP composition，tensile strength and breaking elongation decreases，and the impact strength increases.When it is joined with the APP（12phr），PVC tensile strength and breaking elongation declines 10.23MPa，46.9%，impact increased 1.65MJ／m2.Two components have a synergistic effect on smoke suppression，with APP（6phr）and AOM（3phr）achieving the best effect of smoke suppression and maximum smoke density decreased by 26.92.At the same time，the oxygen index rises to 49.1when APP content increases to 12phr.

smoke suppression；flame retardant；AOM；APP

TQ322.2

A

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0091－03

2017－04－11

科技部中小企业创新基金项目（12C26114204638）

朱山宝（1970－），男，江苏宝应人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为聚合物成型加工

陈绪煌（1971－），男，湖北通山人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为高聚物结构与性能，高分子材料成型加工