阻燃抗静电耐冲击UPVC管材料的研制
栏目：行业动态 发布时间：2021-06-01 15:53
硬质聚氯乙烯(Upvc)管材具有质轻、价廉、安装操作简单、耐化学药品腐蚀、阻燃性好等优点。然而，聚氯乙烯(PVC)是良好的绝缘体，表面电阻大，导电性能差，在煤矿等易产生静电的场合...
硬质聚氯乙烯(Upvc)管材具有质轻、价廉、安装操作简单、耐化学药品腐蚀、阻燃性好等优点。然而，聚氯乙烯(PVC)是良好的绝缘体，表面电阻大，导电性能差，在煤矿等易产生静电的场合应用时，会因静电积聚而引起火灾或瓦斯爆炸。另外，UPVC管材在使用中经常受到冲击、碰撞，且不可能经常更换，这就要求管材必须具有持久和良好的抗冲击性能。因此，在煤矿等场合使用的管材必须同时具有阻燃、抗静电和耐冲击性能。本工作以PVC树脂为基体，辅以适当的助剂，制备出阻燃、抗静电和耐冲击性能达到矿井下实际应用要求的UPVC管材专用复合材料，研究了炭黑用量和表面改性处理对材料性能的影响。
1 实验部分
1．1 原料
PVC，SG一5，；氯化聚乙烯(CPE)，135A，；丙烯酸酯树JI~(ACR)，HL一2005，；超细CaCO，HG2226—91，；钛酸酯偶联剂，NDZ一31l，；特导电炭黑，HG—IP，；复合稳定剂OGP一101，硬脂酸钙，硬脂酸，氧化聚乙烯蜡，均为化学纯，市售。
1．2 仪器与设备
JF一3型氧指数测定仪，；TCG一25G型简支梁液晶冲击实验机，；DT9025型数字万用表，；ZC-36型高阻计。
1．3 试样制备
炭黑和超细CaCO 的表面处理：分别将炭黑和超细CaCO，加人到研磨杯中，准确称取占物料总质量3％ 的钛酸酯偶联剂，滴人物料中。将研磨杯安装到高速混合搅拌机主机上，以(1．1～2．2)x10r／min的转速高速搅拌2～3 rain后出料。基本配方：PVC 100．0 phr，CPE 12．0 phr，ACR2．0 vhr，超细CaCO3 10．0 phr，OGP一101为6．0 phr，硬脂酸钙0．8 phr，硬脂酸0．8 phr，氧化聚乙烯蜡
0．8 phr。
保持基本配方不变，仅改变炭黑用量，制备一系列不同组成的试样。将配方中各组分加入到高速混合机中混合均匀，得到干混料。然后，把干混料在双辊温度为175 oC的开放式塑炼机上熔融混炼均匀后出片，粉碎，在平板硫化机上于175℃下模压制备厚度为3 mm的片材，较后按标准要求裁成合适的样条。
1．4 性能测试
水平和垂直燃烧实验按GB／T 24O8—1996测试，氧指数(01)按GB／T 2406-1993测试，简支梁冲击强度按GBfF 1043-1993测试。体积电阻小于2xlO Q时用数字万用表测试，体积电阻大于2×l0’Q时用高阻计测试。低温冷冻坠落实验：将试样在(0±1)oC冰箱中恒温冷冻24 h，取出后迅速从2 m的高度自由坠落于混凝土地面，坠落时应使5个试样在5个不同位置接触地面，并应尽量使接触点为易损点。试样从离开恒温状态到完成坠落，必须在10 S之内进行，记录实验现象。
2 结果与讨论
2．1 UPVC的阻燃性能研究发现，对所有组成的试样，无论炭黑含量多少，表面改性处理与否，水平燃烧实验中试样在点燃30 S离开火源后均迅速自熄，有少量白烟，无熔融滴落现象，燃烧级别均达到FH一1级，表现出良好的阻燃性。这表明炭黑的引入和表面处理与否对材料的水平燃烧性能没有影响。从表l看出，随炭黑用量增加，2种UPVC复合材料的垂直燃烧性能均有所降低。对于表面处理体系：当炭黑用量小于8 phr时，材料的垂直燃烧等级达FV一0级，材料的阻燃性能很好；炭黑用量为10 phr以上时，材料的垂直燃烧等级为FV一1级，阻燃性能有所下降。
表1 不同炭黑含量的UPVC垂直燃烧性能
Tab．1 Vertical burning properties of UPVC composites
with difierent carbon black content
炭黑用量／phr0268lOl5垂直燃烧级别表露处理体系 表面未处理体系
FV—．0 FV——0
FV——0 FV——0
FV——0 FV— 0
FV-0 FV—l
FV—l FV—l
FV—l FV一1
从表1还看出，炭黑经过表面处理的体系比未经过表面处理的体系具有更好的阻燃性能。当炭黑用量为8 phr时，表面处理体系的垂直燃烧等级为FV一0级，而表面未处理体系已经降至FV—l级。但用量超过8 phr时，丽者的垂直燃烧等级均为FV-1级。这是因为炭黑虽然是一种具有良好阻燃性能的导电填料，但在持续的火焰作用下，比较容易发生无焰燃烧(产生持续时间很长的红色灰烬)。而无焰燃烧会使材料的垂直燃烧性能变差，阻燃等级下降。从图1看出：在炭黑用量小于4 phr时，2种UPVC的0，均随炭黑用量增加而升高；而当炭黑用量大于4 phr时，随着用量增加，2种体系试样的D，均逐渐降低。这是由于：一方面，炭黑本身具有很好的阻燃性，加入后有利于材料在燃烧时的成炭作用，增强材料的阻燃性能；另一方面，炭黑在持续点燃作用下容易发生无焰燃烧，又会降低材料的阻燃性能。这2种作用共同存在，在炭黑用量很少(小于4 phr)时，前一种效应占主导作用，因而材料的D，增大；随炭黑用量增加，后一种效应逐渐占据主导作用，从而导致材料的阻燃性能变差，D，减小。但总的来看，当炭黑用量小于15 phr时，2种体系试样的0，均在40％ 以上，表现出很好的阻燃性。由图1还看出，在同样条件下，与炭黑经过表面处理的试样相比，炭黑未经过表面处理试样的0，稍高，表明炭黑未经过表面处理的体系具有更好的阻燃性，但总的来看区别不大。图l 炭黑用量对UPVC的0，的影响
Fig．1 Plots of oxygen index of different UPVC composites
venus carhon black content
2．2 抗静电性能
从表2可看出：无论对炭黑表面改性与否，UPVC复合材料的体积电阻率均随炭黑含量增加而降低；在炭黑用量达到8 phr时，体积电阻率发生突变；此后随炭黑用量增加，体积电阻率下降幅度减小；炭黑用量达到10 phr后就基本保持不变。炭黑用量相同时，炭黑表面未经改性的复合材料的体积电阻率均小于表面经过改性的UPVC复合材料。这是因为随着复合材料中炭黑含量增加，分散于树脂基体中的炭黑粒子依次排列并逐渐相互靠近，连接起来形成导电通路，使复合材料的电阻下降，抗静电性能增强。炭黑用量较少时，这种导电通路很不完善，数量也很少，材料的体积电阻率很大。随着炭黑含量增加，这种由炭黑粒子相互连接形成的导电通路逐渐完善，数量也逐渐增加，材料的体积电阻率逐渐降低。当炭黑含量达到逾渗阈值(指高分子复合材料的电阻率发生数量级的突变时相应的导电粒子质量分数的临界值，本研究中为8 phr)时，复合材料内部已经形成了比较完善的导电网络，从而使材料的电阻值出现突变。此后再增加炭黑含量，对导电网络的形成不再有明显影响，因而材料的体积电阻率下降幅度减小，在炭黑用量达到10 phr后就基本保持不变。此外，由于表面经过改性的炭黑粒子较外层表面吸附了一层绝缘的钛酸酯偶联剂分子，不利于粒子之间紧密接触形成导电通路，降低了炭黑形成导电通路网络的能力，所以，在炭黑用量相同时材料的体积电阻率普遍比未改性体系偏大。
表2 不同炭黑含量UPVC的体积电阻率
Tab．2 Bulk resistivity of UPVC compo~tes with
diferent carbon black contents
体积电阻率，(n&em)
炭黑用量／phr ～
炭黑经过处理 炭黑未经处理2-3 耐冲击性能从图2看出，随炭黑用量增加，炭黑表面改性前后2种体系的简支梁缺口冲击强度均呈下降趋势。这是由于炭黑加入到PVC中后减小了PVC分子链间的作用力，限制了分子链段的运动，并且存在应力集中现象，从而导致复合材料逐渐变硬变脆。炭黑用量越多，这种影响就越显著。炭黑用量相同时，炭黑表面未经改性的UPVC复合材料的简支梁缺口冲击强度均比改性填充后的复合材料高，具有更好的冲击韧性。此外，低温冷冻坠落实验发现，所有试样在O℃ 环境中恒温冷冻24 h后从2 ITI高处自由落下，均没有在任何部位出现裂纹和破裂现象。这表明，制备的UPVC复合材料具有足够的韧性，材料的抗冲击性能能够满足矿井下实际应用的需要。从以上实验可以看出，炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，所制备的UPVC复合材料具有优良的综合性能，能够满足实际应用的需要。图2 炭黑用量对UPVC简支梁缺口冲击强度的影响Fig．2 Effect of carbon black content on the impact
strength of UPVC composites
3 结论
a)随着炭黑用量的增加，2种体系UPVC复合材料的垂直燃烧性能均有所降低，D，则随炭黑用量的增加先增大后减小。
b)UPVC复合材料的导电性随炭黑用量增加而增大。同等条件下，炭黑未经过表面处理的体系比经过表面处理的体系表现出更加优良的导电性。
C)随着炭黑用量增加，材料的简支梁缺口冲击强度降低。同等条件下，未经过表面处理的体系比经过表面处理的体系表现出更加优良的抗冲击性能。所有试样在0℃ 环境中恒温冷冻24 h后从2 in高处自由落下，均没有在任何部位出现裂纹和破裂现象。
d)炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，所制UPVC复合材料具有优良的综合性能。
无锡嘉弘塑料科技有限公司拥有近30年改性PVC颗粒料的研发、造粒生产经验,专业技术服务团队可为客户提供一站式系统解决方案。如想了解更多关于产品的信息，欢迎登录我们的官网∶www.js-plastics.com，咨询在线客服或拨打热线。固话：0510-68755207 手机：15190220696，我们将竭诚为您服务。
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1 实验部分
1．1 原料
PVC，SG一5，；氯化聚乙烯(CPE)，135A，；丙烯酸酯树JI~(ACR)，HL一2005，；超细CaCO，HG2226—91，；钛酸酯偶联剂，NDZ一31l，；特导电炭黑，HG—IP，；复合稳定剂OGP一101，硬脂酸钙，硬脂酸，氧化聚乙烯蜡，均为化学纯，市售。
1．2 仪器与设备
JF一3型氧指数测定仪，；TCG一25G型简支梁液晶冲击实验机，；DT9025型数字万用表，；ZC-36型高阻计。
1．3 试样制备
炭黑和超细CaCO 的表面处理：分别将炭黑和超细CaCO，加人到研磨杯中，准确称取占物料总质量3％ 的钛酸酯偶联剂，滴人物料中。将研磨杯安装到高速混合搅拌机主机上，以(1．1～2．2)x10r／min的转速高速搅拌2～3 rain后出料。基本配方：PVC 100．0 phr，CPE 12．0 phr，ACR2．0 vhr，超细CaCO3 10．0 phr，OGP一101为6．0 phr，硬脂酸钙0．8 phr，硬脂酸0．8 phr，氧化聚乙烯蜡
0．8 phr。
保持基本配方不变，仅改变炭黑用量，制备一系列不同组成的试样。将配方中各组分加入到高速混合机中混合均匀，得到干混料。然后，把干混料在双辊温度为175 oC的开放式塑炼机上熔融混炼均匀后出片，粉碎，在平板硫化机上于175℃下模压制备厚度为3 mm的片材，较后按标准要求裁成合适的样条。
1．4 性能测试
水平和垂直燃烧实验按GB／T 24O8—1996测试，氧指数(01)按GB／T 2406-1993测试，简支梁冲击强度按GBfF 1043-1993测试。体积电阻小于2xlO Q时用数字万用表测试，体积电阻大于2×l0’Q时用高阻计测试。低温冷冻坠落实验：将试样在(0±1)oC冰箱中恒温冷冻24 h，取出后迅速从2 m的高度自由坠落于混凝土地面，坠落时应使5个试样在5个不同位置接触地面，并应尽量使接触点为易损点。试样从离开恒温状态到完成坠落，必须在10 S之内进行，记录实验现象。
2 结果与讨论
2．1 UPVC的阻燃性能研究发现，对所有组成的试样，无论炭黑含量多少，表面改性处理与否，水平燃烧实验中试样在点燃30 S离开火源后均迅速自熄，有少量白烟，无熔融滴落现象，燃烧级别均达到FH一1级，表现出良好的阻燃性。这表明炭黑的引入和表面处理与否对材料的水平燃烧性能没有影响。从表l看出，随炭黑用量增加，2种UPVC复合材料的垂直燃烧性能均有所降低。对于表面处理体系：当炭黑用量小于8 phr时，材料的垂直燃烧等级达FV一0级，材料的阻燃性能很好；炭黑用量为10 phr以上时，材料的垂直燃烧等级为FV一1级，阻燃性能有所下降。
表1 不同炭黑含量的UPVC垂直燃烧性能
Tab．1 Vertical burning properties of UPVC composites
with difierent carbon black content
炭黑用量／phr0268lOl5垂直燃烧级别表露处理体系 表面未处理体系
FV—．0 FV——0
FV——0 FV——0
FV——0 FV— 0
FV-0 FV—l
FV—l FV—l
FV—l FV一1
从表1还看出，炭黑经过表面处理的体系比未经过表面处理的体系具有更好的阻燃性能。当炭黑用量为8 phr时，表面处理体系的垂直燃烧等级为FV一0级，而表面未处理体系已经降至FV—l级。但用量超过8 phr时，丽者的垂直燃烧等级均为FV-1级。这是因为炭黑虽然是一种具有良好阻燃性能的导电填料，但在持续的火焰作用下，比较容易发生无焰燃烧(产生持续时间很长的红色灰烬)。而无焰燃烧会使材料的垂直燃烧性能变差，阻燃等级下降。从图1看出：在炭黑用量小于4 phr时，2种UPVC的0，均随炭黑用量增加而升高；而当炭黑用量大于4 phr时，随着用量增加，2种体系试样的D，均逐渐降低。这是由于：一方面，炭黑本身具有很好的阻燃性，加入后有利于材料在燃烧时的成炭作用，增强材料的阻燃性能；另一方面，炭黑在持续点燃作用下容易发生无焰燃烧，又会降低材料的阻燃性能。这2种作用共同存在，在炭黑用量很少(小于4 phr)时，前一种效应占主导作用，因而材料的D，增大；随炭黑用量增加，后一种效应逐渐占据主导作用，从而导致材料的阻燃性能变差，D，减小。但总的来看，当炭黑用量小于15 phr时，2种体系试样的0，均在40％ 以上，表现出很好的阻燃性。由图1还看出，在同样条件下，与炭黑经过表面处理的试样相比，炭黑未经过表面处理试样的0，稍高，表明炭黑未经过表面处理的体系具有更好的阻燃性，但总的来看区别不大。图l 炭黑用量对UPVC的0，的影响
Fig．1 Plots of oxygen index of different UPVC composites
venus carhon black content
2．2 抗静电性能
从表2可看出：无论对炭黑表面改性与否，UPVC复合材料的体积电阻率均随炭黑含量增加而降低；在炭黑用量达到8 phr时，体积电阻率发生突变；此后随炭黑用量增加，体积电阻率下降幅度减小；炭黑用量达到10 phr后就基本保持不变。炭黑用量相同时，炭黑表面未经改性的复合材料的体积电阻率均小于表面经过改性的UPVC复合材料。这是因为随着复合材料中炭黑含量增加，分散于树脂基体中的炭黑粒子依次排列并逐渐相互靠近，连接起来形成导电通路，使复合材料的电阻下降，抗静电性能增强。炭黑用量较少时，这种导电通路很不完善，数量也很少，材料的体积电阻率很大。随着炭黑含量增加，这种由炭黑粒子相互连接形成的导电通路逐渐完善，数量也逐渐增加，材料的体积电阻率逐渐降低。当炭黑含量达到逾渗阈值(指高分子复合材料的电阻率发生数量级的突变时相应的导电粒子质量分数的临界值，本研究中为8 phr)时，复合材料内部已经形成了比较完善的导电网络，从而使材料的电阻值出现突变。此后再增加炭黑含量，对导电网络的形成不再有明显影响，因而材料的体积电阻率下降幅度减小，在炭黑用量达到10 phr后就基本保持不变。此外，由于表面经过改性的炭黑粒子较外层表面吸附了一层绝缘的钛酸酯偶联剂分子，不利于粒子之间紧密接触形成导电通路，降低了炭黑形成导电通路网络的能力，所以，在炭黑用量相同时材料的体积电阻率普遍比未改性体系偏大。
表2 不同炭黑含量UPVC的体积电阻率
Tab．2 Bulk resistivity of UPVC compo~tes with
diferent carbon black contents
体积电阻率，(n&em)
炭黑用量／phr ～
炭黑经过处理 炭黑未经处理2-3 耐冲击性能从图2看出，随炭黑用量增加，炭黑表面改性前后2种体系的简支梁缺口冲击强度均呈下降趋势。这是由于炭黑加入到PVC中后减小了PVC分子链间的作用力，限制了分子链段的运动，并且存在应力集中现象，从而导致复合材料逐渐变硬变脆。炭黑用量越多，这种影响就越显著。炭黑用量相同时，炭黑表面未经改性的UPVC复合材料的简支梁缺口冲击强度均比改性填充后的复合材料高，具有更好的冲击韧性。此外，低温冷冻坠落实验发现，所有试样在O℃ 环境中恒温冷冻24 h后从2 ITI高处自由落下，均没有在任何部位出现裂纹和破裂现象。这表明，制备的UPVC复合材料具有足够的韧性，材料的抗冲击性能能够满足矿井下实际应用的需要。从以上实验可以看出，炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，所制备的UPVC复合材料具有优良的综合性能，能够满足实际应用的需要。图2 炭黑用量对UPVC简支梁缺口冲击强度的影响Fig．2 Effect of carbon black content on the impact
strength of UPVC composites
3 结论
a)随着炭黑用量的增加，2种体系UPVC复合材料的垂直燃烧性能均有所降低，D，则随炭黑用量的增加先增大后减小。
b)UPVC复合材料的导电性随炭黑用量增加而增大。同等条件下，炭黑未经过表面处理的体系比经过表面处理的体系表现出更加优良的导电性。
C)随着炭黑用量增加，材料的简支梁缺口冲击强度降低。同等条件下，未经过表面处理的体系比经过表面处理的体系表现出更加优良的抗冲击性能。所有试样在0℃ 环境中恒温冷冻24 h后从2 in高处自由落下，均没有在任何部位出现裂纹和破裂现象。
d)炭黑未经过表面处理且用量为10 phr左右时，所制UPVC复合材料具有优良的综合性能。
无锡嘉弘塑料科技有限公司拥有近30年改性PVC颗粒料的研发、造粒生产经验,专业技术服务团队可为客户提供一站式系统解决方案。如想了解更多关于产品的信息，欢迎登录我们的官网∶www.js-plastics.com，咨询在线客服或拨打热线。固话：0510-68755207 手机：15190220696，我们将竭诚为您服务。
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