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纳米水滑石对PVC热稳定性和烟密度的影响

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维普资讯 http://www.cqvip.com 18 塑料助剂 2007年第2期(总第62期) 纳米水滑石对PVC热稳定性和烟密度的影响 李盛兴 包永忠 黄志明 翁志学 (浙江大学聚合反应工程国家重点实验室,杭州,310027) 摘 要 研究了纳米水滑石(nano—Hrr)对聚氯乙烯(PVC)热稳定性和燃烧烟密度的影响。采用原位聚 合并熔融加工得到PVC/纳米水滑石复合材料,纳米水滑石在PVC基体中分散均匀,分散尺度小于 100nm。随着纳米水滑石含量增加,PVC/nano—HT复合材料的热分解温度和刚果红变色时间增加,热稳定 性提高;分散均匀的纳米水滑石对PVC具有良好的抑烟效果,当PVC/nano—HT复合材料中纳米水滑石含 量为1.25%和2.5%时,最大烟密度分别比空白PVC低40%和60%左右。 关键词 聚氯乙烯水滑石 热稳定性烟密度 Influence of Nano-hydrotalcite on Thermal Stability and Smoke Density of Poly(vinyl chloride) Li Sheng——xing Bao Yong——zhong Huang Zhi——ming Weng Zhi——xue (State Key Laboratory of Polymer Reaction Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,310027) Abstract:Influences of nano—sized hydrotalcite(H1r)on the thermal stability and smoke density of poly (vinyl chloride)(PVC)were investigated.PVC/HT nanocomposites were prepared via in-situ polymerization and subsequently melt—processing.HT particles were dispersed homogeneously in PVC matirx and in a nanometer scale.The thermal decomposition temperature and thermal stability time measured using Congo red method increases as the weight fraction of HT in composites increases.The well distibutred nano—sized HT particles exhibites excellent smoke-suppression effect on PVC.Compared with the pure PVC,the maximum smoke densities of PVC/nano-HT decreases by 40%and 60%when the weight fraction of n—HT is 1.25%and 2.5%respectively. Keywords:poly(vinyl chloride);hydrotalcite;thermal stability;smoke density 水滑石(hydrotaleite,简称Hrr)是一类阴离子型 层状结构材料,具有吸附和中和氯化氢的作用,可 当添加量较大时,阻燃和抑烟性才有较大幅度提 高。吴大鸣阎等先将纳米水滑石用适当的分散剂处 理,并制成乙烯一醋酸乙烯酯共聚物/纳米水滑石母 料,再将母料与PVC树脂熔融共混得到复合材料, 以用作聚氯乙烯(PVC)的辅助热稳定剂。它不仅可 以提高PVC的热稳定性,同时又对PVC具有阻燃 抑烟作用.是一种多功能PVC改性助剂[1・21。张强 当水滑石的加入量为5份时,材料的最大烟密度 刚等将表面改性水滑石与PVC熔融复合,发现水 降低27-3%。 作者曾提出采用原位悬浮聚合方法制备PVC/ 纳米水滑石复合材料的新方法.以实现纳米水滑 滑石与有机锡等稳定剂复配使用,具有良好的热 稳定协同作用;但由于水滑石粒子粒径较大,只有 石在PVC基体的良好分散[61。本文报道了在采用 收稿日期:2006—12—05 浙江省重大科技项目(项目号2005C1 1039)资助 这种方法制备的PVC复合材料中.纳米水滑石含 量对其热稳定性和燃烧烟密度的影响。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 李盛兴.等.纳米水滑石对PVC热稳定性和烟密度的影响 19 1实验部分 1.1实验原料 纳米水滑石(M酗1z(0H) zC03"4Hz0),表面硬脂 酸锌改性,大连富美达新材料有限公司:PVC和 PVC/纳米水滑石复合树脂,实验室自制,纳米水滑 石含量(质量分数,下同)分别为0、1.25%、2.5%、 5.0%;有机锡、环氧大豆油和硬脂酸均为工业级产 品。 1.2复合材料的制备 将不同水滑石含量的PVC/纳米水滑石复合 树脂与有机锡、环氧大豆油、硬脂酸按100:3.5:1.5: 0.5的比例混合。在165℃下,用双辊塑炼机混炼 10 min。将得到的复合物在175℃和30 MPa的液 压机下压制10 rain,冷却后得到PVC/纳米水滑石 复合材料。 1.3 复合材料的结构和性能表征 …1微观结构 采用日本电子JEOL公司产JSM一1200EX T20 型透射电镜观察。 f2)热稳定性 用刚果红法测试PVC/LDH—U纳米复合树脂 的热稳定性。按照GB 2917—82进行。 采用P.E.公司的Pyris 1 TGA热重分析仪,在 氮气的氛围和10 ̄C/min的升温速率下,分析PVC 和PVC/纳米水滑石复合树脂的热失重特性。 f3)烟密度 采用中国船舶工业总公司725研究所生产的 SD一2A型烟密度测定仪,按ASTM E662—95测试 2结果与讨论 2.1 PVC/纳米水滑石复合材料的结构 与其他无机纳米材料一样,纳米水滑石易团 聚。水滑石吸附氯化氢能力与其比表面积,亦即纳 米水滑石的分散程度有关。若纳米水滑石团聚严 重,则其对PVC的热稳定和抑烟效果就会变得与 颗粒粒径尺寸大的水滑石相类似。因此,提高纳米 水滑石的分散性,是使纳米水滑石发挥其对PVC 热稳定和抑烟效果的关键。 将原位悬浮聚合得到的PVC复合树脂熔融加 工形成复合材料,取样观察得到典型的TEM照 片,如图1所示。 图1 水滑石含量为1.25%的PVC/水滑石纳米 复合材料的TEM照片 Fig.1 TEM micrograghs of PVC/HT composites containing 1.25%lIT 由图可见,在原位聚合并熔融加工形成的 PVC/水滑石复合材料中,水滑石基本以颗粒粒径 小于100 nm的尺寸分散于PVC基体中,分布均 匀,比表面积大。 2.2 PVC/纳米水滑石复合材料的热稳定性 由悬浮聚合制备PVC/纳米水滑石复合材料 的热失重曲线得到热失重为5%和10%时的热分 解温度,水滑石含量对热失重温度的影响如图2 所示 赠 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 水滑石含量/% 图2纳米水滑石含量对PVC/nano—HT复合材料的5% 和10%热失重温度的影响 Fig.2 Effect of HT contents on temperatures of PVC/nano——HT composites at thermal gravity loss of 5%and 1 0% 维普资讯 http://www.cqvip.com 塑料助剂 2007年第2期(总第62期) 由图2可见,当水滑石含量为4%时,复合 材料失重5%时的热分解温度提高23℃左右。这 是由于在PVC热分解初期,脱氯化氢为主要反 应,所产生的氯化氢对其热分解有催化作用,而 分散均匀的纳米水滑石粒子的存在.能有效吸收 PVC分解产生的氯化氢气体.从而延缓PVC的 热分解。 采用刚果红试验法对各种水滑石含量的 PVC/纳米水滑石复合树脂进行热稳定性测试,得 到温度为175℃时.刚果红变色时间与水滑石含 量的关系如图3所示。 盘 厘 窨 綦 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 水滑石含量,% 图3 水滑石含量与PVC/nano—HT复合材料 刚果红变色时间的关系 Fig.3 Relationship between HT content and thermal stability itme of PVC/nano-HT composite measured by Congo red method 由图3可见.水滑石含量在0%一5%的范围 内,复合材料的变色时间随着水滑石含量增加而 增加。PVC/水滑石纳米复合树脂热稳定性显著提 高,这不仅是由于水滑石能吸收、反应消耗氯化 氢,而且均匀分散的纳米粒子能起气体阻隔的作 用,阻止热降解产生气体的扩散,故随着水滑石 纳米粒子含量增加,复合树脂的热稳定性迅速增 加。 2.3 PVC/纳米水滑石复合材料的抑烟性能 图4为不同水滑石含量的PVC/水滑石纳米 复合材料的烟密度 随时间变化的曲线。 由图可见,在相同燃烧时间时,PVC/水滑石纳 米复合材料的烟密度均小于纯PVC,随着水滑石 含量增加, 减少。 水滑石含量对PVC复合材料最大烟密度的影 响如图5所示。由图可见,当水滑石含量为1.25% 时,复合材料的最大烟密度降低的幅度达到43%. 当水滑石含量为2.5%时,复合材料的最大烟密度 降幅达61%,显示了纳米水滑石对PVC的良好抑 烟作用。 稍 骚 时间,s 图4 不同水滑石含量PVC复合材料的烟密度一时间曲线 Fig.4 Variation of smoke densiyt witlI time for PVC composites witlI diferent HT contents 稍 骚 水滑石含量,% 图5 水滑石含量对PVC复合材料最大烟密度的影响 Fig.5 Influence of HT content on maximum smoke density of PVC 水滑石对PVC的抑烟作用源于:(1)水滑石分 解产生的水蒸气可以稀释PVC燃烧烟雾中的炭微 粒,并与炭微粒燃烧后生成的CO:一道起到消烟 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 李盛兴,等.纳米水滑石对PVC热稳定性和烟密度的影响 21 的作用;(2)水滑石热解产物(LDO)具有较高的比 表面积和较强的碱性,可大量吸收PVC燃烧所产 生的酸性气体,降低烟雾度和腐蚀性;(3)LDO的 形成可能改变PVC的热分解途径,促使其向高度 交联的方向进行,从而促进残炭的形成,降低发烟 量。 参考文献 Y.J.un,D.Q.Li,D.G.Evans,X.Duan.Modulating Effect of Mg—A1一CO3 Layered Double Hydroxides on the Thermal Stability f oPVC Resin叨.Polym.Degr.Stab.,2005,(88): 286 2 Van der Ven L.,Van Gemert M.L.M.,Batenburg L.F.,et o1.,On the Action of Hydrotaleite一-like Clay Materils as a3 结论 (1)在原位聚合和熔融加工制备的PVC/纳米 水滑石复合材料中,水滑石均匀分布于PVC基体 中,水滑石的分散尺寸小于100 nm。 (2)PVC/纳米水滑石复合树脂的热分解温度 和热稳定时问随纳米水滑石含量增加而增大,当 水滑石含量为5%时,复合树脂热失重5%的分解 温度比空白PVC提高23℃左右,刚果红法测试的 热稳定时问与空白PVC相比延长35min左右。 (3)均匀分散的纳米水滑石对PVC具有很好 的抑烟效果,当水滑石含量为1.25%时,复合材料 的最大烟密度降低43%,当水滑石含量为2.5% 时,复合材料的最大烟密度降幅达61%。 . Stabilizers in Polyvinyl Chloride[J].App1 Clay Sei, 2O00.17:25 3 Wang X D,Zhang Q.Efect f oHydrotlaeite on he Thert- mal Stabiitly,Mechanical Properties,Rheology and F ̄tle Retardance of Poly(vinyl ehliride).Polymer International, 2oo4.53:698 张强,吕杰斌.水滑石填充PVC材料的热稳定性能及流 动性能[J].北京化工大学学报,2002,29(1):36 郑秀婷,吴大鸣,刘颖,等.纳米双羟基复合金属氧化物 (LDHs)对聚氯乙烯(PVC)阻燃抑烟研究叨.塑料, 2oo4,33(3):62 6 包永忠,黄志明,翁志学.一种聚氯乙烯,水滑石纳米复合 树脂的制备方法[P】. 中国发明专利,ZL 2oo41O017944.6.2006—10—11 (上接第10页) 2O02 2 J.R.Pauquet[J].Pure Applied Chemicals,1999,36(11): 4结语 从上述分析可以看出,Irganox ̄HP一136在 3 1 717-1 730 Alexander Matin,Lueedio Gredi,Paul Dubs.Antioxida— ifve Activity of 3一AIy1一benzofuran一2—one Stabilizers PP的稳定过程中起重要作用,与传统受阻酚类及 亚磷酸酯类抗氧剂复配得到的三元抗氧稳定体系 (IrganoxlHP-136)in Polypropylene叨.Polymer Degrada- iton and Stability.2002,76:489-494 4 A.Matin,Lu Gredi,Paul Dubs.Physical Behavior of 3- 与传统二元抗氧稳定体系相比,具有添加量少、抗 氧性能优、灰分少嗍等优点。 碳自由基捕获机理的深入研究已经为三元抗 aryl-benzofurar-2-one(Irganox HP-1 36)in Polypropy- lene 【J].Polmery Degradation and Stabiliyt,2002,78: 263~267 氧稳定体系的建立奠定了充分的理论基础。与二 元抗氧体系相比,三元抗氧体系高温抗氧化性能 尤为突出。目前汽巴精化公司已应市了Irganox ̄ HP和XP系列三元复合抗氧剂,GE Spec.Chem公 司和Great Lakes公司亦不甘落伍,都在加快研究 开发进程。尽管现在尚不构成对二元复合抗氧体 系的冲击,但长远来看,三元复合体系不失为聚合 物抗氧体系发展的趋势。 9 5 山西省化工研究所.塑料橡胶加工助剂.第二版【M】.北 京:化学工业出版社,2002 6 何小龙.抗氧剂作用机理及应用[J].广东化工,1999(4): 54~56 7 汉斯-茨魏费尔.塑料添加剂手册[M】.北京:化学工业出 版社,2oo5 8 余贤万.高效抗氧剂G2225在BOPP上的工业应用[J]. 工业催化,2003(1):52-54 V.Ivan.V.Giacomo.Straeture—property Relationship: 参考文献 1 杨明.塑料添加剂手册【M】.南京:江苏科学技术出版社, Phenolic Antioxidant wih High Eftficacy and LoW Color Contribution【J].Maeromol Symp,2001,176:1-15 

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