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水菱镁矿及协效剂在EVA中阻燃性能研究

贾宇琛  
【摘要】:水菱镁矿(Hydromagne Site,Mg_5(CO_3)_4(OH)_2·4H_2O,简称HM)是一种分布广泛的天然碱式碳酸镁矿物。作为新型的环境友好型天然矿物阻燃剂,HM具有很大的经济优势。天然HM可以替代氢氧化铝、氢氧化镁,作为新型矿物型阻燃填料使用。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)是应用非常广泛的高分子材料之一。但是其极限氧指数值(LOI)只有17%~19%,火灾危险性大。这些严重制约了EVA在相关领域的应用与发展。因此,降低EVA自身的火灾危险性是非常必要的。针对以上问题,论文首先采用两种粒径(D50=4.04μm和12.38μm)HM制备阻燃复合材料HM~1/EVA和HM~2/EVA,并与水镁石矿(MDH)复合材料MDH/EVA进行对比,明确了HM作为高分子复合材料阻燃填料的可行性,较小粒径D50=4.04μm制得的复合材料HM~1/EVA其阻燃和力学性能整体优于复合材料HM~2/EVA。其次通过添加三种不同的协效剂硅酮(SIC)、棒状硼酸锌(ZB)、海泡石(SEP)与HM复配制备复合材料,考察了协效剂类型、协效剂添加量、协效剂与HM的总添加量对复合材料的阻燃性能和力学性能的影响。最后采用O174硅烷偶联剂对HM进行干法改性,SEP与改性后HM复配制备复合材料,对比研究改性前后HM对复合材料的阻燃性能和力学性能的影响。主要研究内容及结论如下:(1)HM作为阻燃填料,与水镁石MDH的性能较相近,能提高复合材料HM/EVA的LOI值、垂直燃烧UL-94和成炭性。当HM添加量的增加至60 wt.%时,HM的粒径大小对复合材料的垂直燃烧已基本无影响。与复合材料HM~2/EVA相比,粒径D50=4.04μm制得的复合材料HM~1/EVA其TTI、THR和TSP整体性能较优,残炭更加致密,且较轻微地提升EVA复合材料的力学性能。(2)使用SIC、ZB和SEP作为协效剂时:(1)当ZB和SEP添加量均为9wt.%时,复合材料中ZB与HM总添加量(wt.%)分别是40、50和60,SEP与HM总添加量(wt.%)分别是50和60时,复合材料ZB-HM/EVA和SEP-HM/EVA的LOI都可以达到30%以上,满足了阻燃材料的一般要求。(2)当HM与ZB总添加量为40 wt.%时,协效剂ZB与HM对复合材料的垂直燃烧UL-94协效作用较显著。当其总添加量大于等于50 wt.%时,两种协效剂SIC和SEP制得的复合材料的垂直燃烧性能均趋向良好,燃烧过程中无滴落物,且均达到V-0阻燃级别,特别是当HM与协效剂总添加量为60 wt.%,协效剂SEP添加量(wt.%)为3、6和9时,复合材料的燃烧时间(t_1+t_2)均小于1.0 s,表现出优异的垂直燃烧UL-94性能。(3)SIC作协效剂与HM复配,对复合材料SIC-HM/EVA的抑烟性能起到负面影响。棒状ZB和SEP作协效剂与HM复配,能优化复合材料的隔热性能和抑烟性能,尤其是复合材料SEP9-HM51/EVA同时表现出了良好的抑烟和隔热性能。但ZB和SEP添加量的变化对其抑烟性能优化不显著。(4)添加量9 wt.%SEP相比与SIC和ZB的复合材料燃烧后残炭的成炭性较好,且表面形成了硅碳保护层。当总添加量增加至60 wt.%时,复合材料SIC-HM/EVA、ZB-HM/EVA和SEP-HM/EVA的燃烧残炭表面均已形成较平整致密的炭层,残炭表面白灰残余质量更大。特别是9 wt.%SEP添加量制得的复合材料SEP9-HM51/EVA,其残炭外表面基本无裂缝,残炭结构更加密实,其完整性保持得相对更好,残炭表面形成了致密的Mg O保护层。(3)三种协效剂与HM总添加量增加,复合材料HM/EVA、SIC-HM/EVA、ZB-HM/EVA和SEP-HM/EVA的拉伸强度和断裂伸长率与纯EVA相比均有明显下降。但横向上对比三种协效剂与HM的协效复配,当HM与SEP总添加量为60 wt.%时,SEP-HM/EVA复合材料的力学性能较优。当协效剂与HM总添加量相同时,对复合材料拉伸强度的缓解程度:(SEP+HM)(ZB+HM)(SIC+HM),对断裂伸长率的缓解程度:(SEP+HM)(SIC+HM)(ZB+HM),表明SEP与HM的协效复配对复合材料SEP-HM/EVA的力学性能下降缓解较佳,ZB与HM的协效复配相比SIC与HM的协效复配,在拉伸强度方面较优,但断裂伸长率则相反。复合材料拉伸强度和断裂伸长率的降低的因素按降序如下:HMSEPZB≈SIC。说明HM添加量的增加是致复合材料拉伸强度和断裂伸长率的降低的最关键的影响因素。(4)使用O174硅烷偶联剂对HM粉体进行干法改性,得到O174硅烷偶联剂干法改性HM粉体较优条件:改性时间10 min,改性温度140℃,O174硅烷偶联剂用量为1.5 wt.%。相比未改性的复合材料SEP9-HM51/EVA,O174硅烷偶联剂改性后复合材料m SEP9-HM51/EVA的LOI值达到34.2%,提高率为2.9%。垂直燃烧UL-94均保持在V-0级别且同时均没有滴落现象。THR降低了19.72%,TSP降低了7.14%。拉伸强度提高了21.32%,其断裂伸长率相应地增大了27.45%。说明O174硅烷偶联剂改性HM有效提高了复合材料m SEP9-HM51/EVA的阻燃抑烟和力学性能。


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