木塑复合材料阻燃改性中的主要影响因素


J商要:研究了木塑复合材料阻燃改性中的3个重要因素,即木塑比例、阻燃剂种类和阻燃剂的添加量对其性能 的影响。结果表明:木塑比例对材料的综合性能影响最大,木粉与塑料的比例提高时,材料的耐水性能提高,而材 料的阻燃性能降低,静曲强度降低;在不同种类的阻燃剂对材料的阻燃性能改性实验中,复合磷氮类阻燃剂效果最 佳;阻燃剂的添加实验表明,随着阻燃剂添加的量增加,材料的阻燃性能提高,内结合强度加大,而耐水性能降低。

关键词:木塑复合材料;木塑比例;阻燃剂改性;眯基脲磷酸盐

composites )。由 于木塑复合材料中的主要原料植物纤维和塑料(特 别是聚烯烃塑料)都是易燃材料,因此,木塑复合材 料具有消防安全隐患,从而在相当的程度上限制了这 种绿色环保产品的应用范围。近年来,木塑复合材料 的阻燃性研究越来越受到人们的重视。

目前国内对纯木纤维和纯塑料的阻燃研究比较 多,但是对木塑复合材料的阻燃研究较少。现国内无 机阻燃剂市场上以氢氧化铝、氢氧化镁、红磷、氧化锑 应用最为广泛。它们具有热稳定好、高效、抑烟、阻 滴、填充安全、对环境基本无污染等特点⑴。但是, 也存在着填充量大,对板材的物理性能有很大不良影 响等不足,同时大幅度降低了板材的耐水性能。而自
收稿日期:201243-25 修回日期:2012-06-05

基金项目:广西壮族自治区科技厅项目“新型木塑复合材料的研制及

应用”(编号:桂科攻1099059 - 2)。

第一作者简介:龙慈明(1984 -),男,主要从事木质复合材料的研制开 发工作。E-mail :33097638@ qq. com
制的环保型复合磷氮类阻燃剂FL - ZRJ002不仅具 有阻燃高效、环保的特点,同时对板材的物理性能影 响小。本研究探讨了木塑的比例、阻燃剂的种类及阻 燃剂添加量等3个主要因素对木塑复合材料阻燃性 能及物理性能的影响情况,以优选出这些工艺因素的 较佳生产组合。

1材料与方法 1.1实验材料:

聚乙烯粉末:ExxonMobil LLDPE线性低密度聚 乙烯;桉木纤维:广西丰林木业集团南宁分公司生产; 烷基类偶联剂:KH - 550 ;阻燃剂:自制磷氮类燃剂 脒基脲磷酸盐。

1.2 实验仪器及设备

平板硫化机、氧指数测定仪、万能力学试验机、高 速粉碎机、搅拌机、恒温干燥箱、低温恒温循环箱。

1.3 生产工艺流程

1.3.1 原料的准备

(1)纤维:桉木纤维。速生桉在广西大面积种 植,有充裕的原料供应。将桉树木片在热磨机中粉

碎,并干燥至含水率<4%存储待用。

(2)聚合物的选择:用于WPC加工中的树脂可 以是热固性和热塑性的。热固性树脂如环氧树脂、酚 醛树脂;热塑性树脂如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及 聚氯乙烯(PVC)。但是,由于木纤维热稳定性较差, 只有加工温度在2001以下的热塑性树脂才被作为 WPC的基体树脂而广泛使用,尤其是PE[2]。将洗净 的PE废料晾干后,将其添加到高速粉碎机中粉碎至 目数不低于80目,收集待用。

1.3.2脒基脲嶙酸盐的合成

脒基脲磷酸盐制备:双氰氨100 ~ 120质量份、磷 酸140 ~ 170质量份、硼酸102 ~ 120质量份,水94 ~ .113质量份。将双氰胺及水在常压下,加入到反应器 中,在搅拌下升温至80 ~ 90^,缓慢加入将质量分数 为85%的磷酸,并保温3 ~5 h后,加人硼酸,反应1 ~2 h,即得脒基脲磷酸盐,产率80% ~90%。最后经 冷却、干燥,把阻燃剂在高速粉碎机中粉碎至200目, 得到粉状GUP阻燃剂。

植物纤维属于天然纤维,是一种不均勻的各向异 性材料,界面特性比较复杂。其主要成分为纤维素、 半纤维素和木质素,它们均含有大量的极性羟基和酚 羟基官能团,使二次植物纤维表现出较强的化学极 性。聚乙烯是疏水性材料,因此,在用于制备增强木 塑复合材料过程中,需要解决的一个主要问题就是使 亲水的极性增强材料与疏水的非极性基体材料之间 能够具有良好的界面相容性,使两者的界面层达到分 子间的融合,从而提高木塑复合材料的力学性能[3]。

木材或木材纤维的另一个特点是在它们的表面 羟基基团的存在,使木塑复合材料的性能及应用存在 两个问题:极性和吸湿性,这对于木塑复合材料的力 学特性、耐热性及耐湿性能都有较大影响。木纤维表 面改性的重要方法是用偶联剂来改善木塑两种材料 界面的相容效果,采用有机硅烷对植物纤维进行偶联 改性,提高植物纤维与塑料的相容性,从而提高复合 材料的抗张强度、抗冲击强度和弹性模量等力学性 质〖4]。硅焼偶联剂是通过化学键与纤维填料的纤维 素分子相连,使木粉表面的亲水性羟基数减少,其有 机官能团与聚合物连接,从而提高木粉与塑料的相容 性及分散性⑴。

在高速搅拌机中将纤维、助剂、阻燃剂和PE粉 混合均匀,喷洒偶联剂,不能结成大团。因为木材纤 维表面分子间氢键的形成,使它们趋向于相互聚集, 形成纤维团或纤维束,造成在塑料基质间扩散不
均匀。

1.3.3 生产工艺流程

生产工艺流程如下:

纤维 j

聚乙烯 —混合搅拌—铺装—预压—

阻燃剂,偶联剂I 热压—冷却—检测。

1.3.4 热压工艺参数

热压温度:170 ~ 18(TC (能保证板材芯层的PE 熔融),密度控制800〜820 g/cm3,厚度控制在12.0 ~ 12. 5 mm,热压时间:7 ~ 8 min(让熔融的PE有足 够的运动时间),热压曲线:参照中密度纤维板曲线。

1. 4 检测

(1)物理性能及力学性能按GB/T 17657—1999 进行检测。

(2)防火性能采用氧指数法评定。氧指数简称 01,是在规定条件下试样在氧、氮混合气流中,维持平 稳燃烧所需的最低氧气浓度’以氧所占体积百分数表 示。氧指数高表示材料不易燃烧,氧指数低表示材料 容易燃烧。氧指数是评定塑料燃烧性能的重要指标, 用氧指数来表征塑料的燃烧特性,具有分辨率,、重 复性好、测试方便等特点。由于阻燃木塑复合材&是 一种新型材料,目前还没有相关国家标准,所以本实 验中氧指数的测定,参照GB/T 2406. 1—2008及GB/ T 2406—2009的相关方法进行检验。

2结果与分析

2.1 木塑比例对板材性能的影响

木塑比例对木塑复合板性能影响的实验结果见 表1。由表1可见,随着塑料比例的增加,板材表现 出静曲强度降低的趋势。这是因为木粉的主要成分 纤维素和木质素含有大量氢键属于刚性大分子,而 使用的线性低密度聚乙烯是线性柔性分子。在木粉 添加量占绝大多数时,此时材料的弯曲强度主栗由木 纤维决定。在塑料较少时,在木粉中的流动性变差, 呈孤岛状分散于基体材料中,塑料和木粉之间不易形 成连续均匀的界面层。当材料受到剪切时,塑料孤岛 反而成为应力集中点,所以,一定比例内塑料的增加 使板材表现出静曲强度降低的趋势[6]。Nourbakhsh 等[7]研究了木粉含量对吸水率的影响,结果表明,木 粉在相同处理条件下,木粉含量越高,木塑复合材料 的吸水膨胀率越高。其原因是:木粉越多,其表面羟 基越多,结果导致木塑复合材料的吸水率越高。木塑 比例为85: 15时,吸水厚度膨胀率较木塑比例为80: