在线客服:
       PVC 发泡制品
       PVC 异型材制品
       工程塑料制品
 
               您当前所在位置: > 网站首页 > 技术论坛
PVC 阻燃材料在建筑中的应用
点击:440 日期:2017/9/25 10:54:06
        摘要:主要介绍了无机阻燃剂、有机阻燃剂和复合型阻燃剂改性的聚氯乙烯(PVC),以及这些阻燃剂对PVC 阻
燃性能的影响。其中无机阻燃剂的阻燃效果最为明显,不过消烟效果较差;有机阻燃剂消烟效果较为明显,但阻燃能力不如无机阻燃剂;复合型阻燃剂兼具有机/无机阻燃剂的优点,或具有多种无机阻燃剂的优点,一般既具有较强的阻燃能力,又具有较为显著的消烟效果,是未来PVC 用阻燃剂的发展方向。
        聚氯乙烯(PVC) 具有优异的耐候性、耐化学腐蚀以及高力学强度,常用于工业制品、包装、建筑材料中,其中在建筑工程中主要用于地板、管材以及建筑用复合材料中[1–4]。PVC 本身具有较好的阻燃性能,但是由于在加工过程中添加大量的增塑剂,从而导致了其阻燃性能出现了较大幅度降低,而且PVC 的软化点仅为80℃左右,这使得其在建筑工程中应用安全系数大大降低[5–9]。而且PVC 由于其聚合物主链中含有卤素,在燃烧时会产生大量的有毒烟雾和气体,严重危害到人类身体健康,这些弊端大大限制了其在建筑工程中的应用[10]。
        为了克服PVC 阻燃性能方面的不足,学术研究和工业生产中均将提高PVC 阻燃性能和降低PVC 燃烧生烟量作为研究重点[11–14]。目前为止,应用最为广泛的改性手段是将具有阻燃性能和消烟作用的填料添加到PVC 基体中。目前已有报道的阻燃剂主要分为有机阻燃剂、无机阻燃剂和复合型阻燃剂。无机阻燃剂主要有金属氧化物( 例如Sb2O3)、金属氢氧化物,例如Mg(OH)2,Al(OH)3、金属盐( 硼酸锌) 以及多组分无机阻燃剂等,这类阻燃剂的阻燃效果较好,但是消烟效果不尽理想。用于PVC 改性的有机阻燃剂较少,其中以磷系阻燃剂应用最为广泛;复合型阻燃剂是指有机无机复合型阻燃剂或多种无机阻燃剂复配的阻燃剂,这类阻燃剂综合多种阻燃剂的优点,既具有较为理想的阻燃效果,又具有较为明显的消烟作用。笔者将从有机阻燃剂、无机阻燃剂和复合型阻燃剂改性PVC 等方面分别进行阐述。
1 无机阻燃剂改性PVC
        无机阻燃剂在PVC 的改性中应用较为广泛,其中以金属氧化物、金属氢氧化物、金属盐最为典型,按照金属元素主要分为锑系、铝系、硅系、镁系、铅系、锌系等。Sb2O3 是应用最为广泛的锑系阻燃剂,对塑料、橡胶、涂料、纺织品的阻燃改性效果都较为理想。Sb2O3 本身并没有阻燃效果,但是当聚合物发生燃烧时,其与聚合物基体中的卤素发生反应生成卤化锑后,可阻止燃烧进一步进行。
        周生刚[15] 以Sb2O3 阻燃剂,通过熔融共混法制备阻燃性PVC 材料,并且通过选用不同粒径的Sb2O3,研究了其对PVC 材料阻燃性能的影响。研究发现,随着Sb2O3 的粒径减小,与微米级Sb2O3 粒子相比,纳米级Sb2O3 粒子在PVC基体中的分布更为均匀,因此也直接导致了纳米Sb2O3/PVC 材料的阻燃效果更好。其中当微米级Sb2O3 的掺杂量为3%( 质量分数) 时,所制备出的阻燃性PVC 的氧指数为27%,而纳米级Sb2O3 的掺杂量仅为1.85% 时,氧指数便可达到同等水平。另外,利用表面活性剂对Sb2O3 进行改性,可以有效提高Sb2O3 在PVC 基体中的分散性,从而提高阻燃性能。利用PEG–6000 作为表面活性剂对Sb2O3 进行改性,当微米级Sb2O3 添加量为1.85% 时,改性后的Sb2O3 可以将PVC 的氧指数由25.2% 提升至27.1%。不同的表面活性剂的改善效果也不尽相同,当以OP–10 作为表面活性剂时,改性前后PVC 的阻燃性能没有明显变化;而当以笼型聚倍半
硅氧烷(POSS) 作为表面改性剂时,纳米Sb2O3 粒子反而更易发生团聚,从而导致阻燃性能有所降低。
        沈治华等[16] 也选用Sb2O3 作为阻燃剂,并通过熔融混炼法制备出了阻燃性PVC 电缆料。经实验发现,当Sb2O3
的质量分数达到3%~4% 时,所制备的PVC 电缆料的氧指数便可提高至27% 以上( 难燃性),并且随着Sb2O3 的添为10% 时,PVC 的氧指数可高达32%。但随着Sb2O3 含量的增加,PVC 电缆料在200℃下的稳定时间逐渐降低。当Sb2O3 的质量分数为3%~4% 时,PVC 电缆料的热稳定时间可高达126 h,当Sb2O3 含量增大到10% 后,热稳定时间下降至82 h 左右。当Sb2O3 的质量分数为3%~4% 时,PVC 电缆料综合性能最为优异,可以应用于建筑工程的电缆中,具有较高的安全系数。
        除了锑系阻燃剂外,铝系阻燃剂的应用也较为广泛,其中AL(OH)3 是较为常见的铝系阻燃剂。徐晓萍[17] 在软质
PVC 中添加AL(OH)3,并对其燃烧性能进行了研究,实验结果表明,未添加AL(OH)3 的软质PVC 在200℃便发生较为明显的分解,并且随后500℃和700℃再次发生二次分解和三次分解,而添加了AL(OH)3 的软质PVC 在700℃时才发生分解第一次分解。
        刘立华等[18] 也研究了AL(OH)3 对软质PVC 阻燃性能的影响,他们发现当AL(OH)3 添加量逐渐增大时,所制备的PVC 材料的阻燃性能逐渐得到改善,当在100 gPVC 中添加60 g AL(OH)3 后,其氧指数便可由25.5% 提升至28.5%,并且利用硬脂酸和硬质酸钠对AL(OH)3 进行表面改性后,由于AL(OH)3 与PVC 基体相容性得到改善,可以进一步提升PVC 的阻燃性能。但随着阻燃剂含量的提高,PVC 的力学性能有所下降,实验结果表明,硬质酸钠改性的AL(OH)3 的添加量为60 g/100 gPVC 时,最终所制备的材料的综合性能最好。另外,由于AL(OH)3 的分解温度仅为200℃,所以与具有较高分解温度的Mg(OH)2(340~490℃ ) 进行复配,可以进一步提高PVC 阻燃性能。
        Mg(OH)2 也可单独用作PVC 的阻燃剂,林雅莲[19] 在硬质PVC 中添加了不同质量份的Mg(OH)2,当100 g PVC 中添加20 g Mg(OH)2(20 份) 时,制备的硬质PVC 的氧指数便可提高至27% 以上,为难燃型PVC。随着Mg(OH)2 添加量的增加,PVC 材料的氧指数逐渐升高。但PVC 的力学性能随Mg(OH)2 含量的升高而逐渐降低,当其添加量为20~30份时,综合性能最好,可用于建筑工程中的电气管道。
        蛭石是一种硅酸盐类矿物质,也是一种较为理想的无机阻燃剂,属于硅系阻燃剂。与Sb2O3 不同,蛭石本身便具有阻燃性能。虞华东等[20] 制备PVC/蛭石复合材料,当二者质量比为100/125(PVC/蛭石) 时,所制备的PVC 复合材料的氧指数可达到26.8%,但是进一步提高蛭石的含量,氧指数增加不再明显。因而在PVC/蛭石复合材料中添加了300 份的钢渣粉( 即PVC/蛭石/钢渣粉质量比为100/125/300),所得的PVC 复合材料的氧指数大幅提升,高达29.6%,而将钢渣粉替换为同等质量的硫酸钡后,所得PVC复合材料的氧指数可提升至31.0%。又进一步向其中添加了8 份的羟基锡酸锌,所制备PVC 复合材料的氧指数再次大幅提升,高达35.8%。该阻燃型PVC 材料已经完全满足难燃型PVC 的性能要求,应用在建筑物的地板、管材中。
        蒙脱土也是一种常见的硅系阻燃剂,林雅莲[19] 在硬质PVC 中添加了不同质量份的蒙脱土,蒙脱土添加量为30 份时,所制备的硬质PVC 的氧指数便可提高至27.5% 以上,并且随着蒙脱土添加量的增加,所制备的PVC 的氧指数逐渐升高。不过PVC 的力学性能随蒙脱土含量的升高而逐渐降低,当蒙脱土添加量为30 份时,综合性能最好,可用于建筑工程中的电气管道。
        除上述较为常见的无机阻燃剂外,铁酸锌、铁酸铍、铁酸镧等铁酸盐也是有效的PVC 阻燃剂,铁酸盐可以促进PVC 在燃烧时释放氯化氢,进而产生氯原子自由基,抑制氢氧根自由基的链式反应,从而起到阻燃作用。
        韩丽静[21] 分别利用空气氧化湿法、水热法和共沉淀法制备了铁酸锌、铁酸铍和铁酸镧,并将其作为阻燃剂分别添加到PVC 中。实验发现,铁酸铍的阻燃效果最好,当其添加质量分数为5%~20% 时,PVC 的氧指数由原来的24.8%提高至27.7%~31.1%,为难燃材料,并且烟密度也由原来的91.0% 降低至73.0%~71.6% ;铁酸锌的阻燃效果次之,当其添加量为20% 时,材料的氧指数提高至28.9%,也为难燃材料,烟密度降低至85.0% ;三者之中,铁酸镧的阻燃效果相对较差,当其添加量为20% 时,所制备的PVC 的氧指数为26.5%,烟密度为85.6%。与常见的无机阻燃剂相比,所制备的铁酸盐类阻燃剂的消烟效果得到了改善。
        无机阻燃剂的阻燃机理各不相同,例如Sb2O3 是利用燃烧时与PVC 分解产生的氯乙烯单体发生反应而阻止进一步燃烧,但硅系阻燃剂则是利用自身的阻燃性能来提高PVC的阻燃性能。无机阻燃剂的阻燃效果随其添加量增多而提高,但PVC 材料的热稳定性和力学性能随阻燃剂含量增多而降低,要综合考虑材料的阻燃性能和应用性能,选择合适的阻燃剂添加量,以制备满足建筑工程的阻燃性PVC 材料。
2 有机阻燃剂改性PVC
        有机阻燃剂种类多种多样,在阻燃性PVC 制备中,最常见的有机阻燃剂为膦系阻燃剂。冯国东等[22] 利用9,10– 二氢–9– 氧杂–10– 磷杂菲–10– 氧化物(DOPO) 与粗甘油和油酸反应,制备了含膦的阻燃性聚甘油脂肪酸酯。以阻燃性聚甘油脂肪酸酯作为PVC 的增塑剂,制备出了阻燃性PVC材料。实验结果表明,当增塑剂质量分数增高至60% 时,所制备的PVC 材料的氧指数由原有的21.3% 提高至28.7%,阻燃剂别达到了V–0 级别,并且依然具有较高的力学性能。
        林辉等[23] 也通过在PVC 中添加膦系增塑剂,从而达到了改善PVC 阻燃性能的目的。在所制备的无机阻燃剂改性PVC 无纺纸中添加了磷酸三甲苯酯,使所制备的PVC 的氧指数由26.7% 提高到了32.5%,并且燃烧烟密度由原有的15.2% 降低至11.8%,氧指数和烟密度分别提高和降低了51.2% 和21.9%。所制备的阻燃型PVC 无纺纸满足国家标准GB 8624–2012 中B1 级阻燃材料的要求,可用作建筑工程中的室内阻燃性壁纸。
        林雅莲[19] 在硬质PVC 中添加了不同质量份的聚磷酸铵,当聚磷酸铵添加量为50 份时,所制备的硬质PVC 的氧指数便可提高至27.5% 以上,并且随着聚磷酸铵添加量的增加,所制备的PVC 的氧指数逐渐升高。与无机阻燃剂改性硬质PVC 相比,聚磷酸铵改性的阻燃型PVC 的阻燃效果相对较差,不过其力学性能却明显优于无机阻燃剂改性的硬质PVC。根据国家标准JG 3050–1998,当聚磷酸铵添加量为50 份时,所制备的阻燃型PVC 满足建筑工程中电气管路材料的应用性能要求。
        与无机阻燃剂相比,有机阻燃剂的阻燃效果较差。不过由于有机阻燃剂对PVC 力学性能的影响较小,可以通过提高阻燃剂添加量来改善其阻燃效果。另外,与无机阻燃剂相比,有机阻燃剂的消烟效果要明显改善。
3 复合型阻燃剂改性PVC
        无机阻燃虽具有较高的阻燃效果,但其消烟效果一般,使得PVC 在燃烧时仍会产生大量有毒的烟雾;而有机阻燃对PVC 燃烧时的消烟效果较为明显,但其阻燃效果远远不如无机阻燃剂。因此,在PVC 阻燃性的改性中,往往会添加同时兼具无机阻燃剂的阻燃作用和有机阻燃剂的消烟作用的复合型阻燃剂,进而制备出应用性能优异的PVC 材料。
        林辉等[23] 制备了氧化锌/B2O3/水( 质量比为2/3/3.5,简称ZB–2335) 改性的无纺纸基PVC,ZB–2335 在受热后分解生成氯化锌和B2O3,紧密覆盖在PVC 壁纸表面,从而抑制可燃气体产生,阻止PVC 壁纸发生进一步燃烧和分解;另外B2O3 在受热时与氯乙烯单体反应生成BCl3,结晶水受热挥发,二者反应产生HCl 气体,进一步生成氯原子自由基,有效阻止羟基自由基的链式反应,进而起到阻燃作用。但当ZB–2335 在PVC 中的质量分数为10% 时,所制备出的PVC壁纸的氧指数仅为26.7%,远低于国家标准GB 8624–2012规定的氧指数标准(32.0%),烟密度为15.2%。并且进一步提高阻燃剂用量,氧指数不会进一步明显提高。因而向PVC阻燃材料中添加了质量分数为5% 的磷酸三苯甲酯,磷酸三苯甲酯在燃烧时会产生聚偏磷酸类产物,覆盖于PVC 壁纸表面,可以阻止PVC 与氧气接触,从而进一步提高阻燃效果。添加了有机/无机复合型阻燃剂的PVC 壁纸,不仅氧指数提高至32.5%,而且烟密度也成功降低至11.8%。这说明,采用有机/无机复合型阻燃剂可以同时提高材料的阻燃性能和消烟性能。
        除了有机/无机复合型阻燃剂,多种无机阻燃剂复配的阻燃剂也是常见的复合型阻燃剂,并且这种复合型阻燃剂兼具多种无机阻燃剂的优点,阻燃效果和消烟效果均要高于任何一种阻燃剂单独使用时的效果。
        PVC/木粉复合材料是一种在建筑工程中常见的天花板用木塑复合材料,刘建中等[24] 分别以八钼酸铵、八钼酸铵/水滑石、八钼酸铵/Mg(OH)2 作为阻燃剂添加到了PVC/木粉复合材料中,并且这三种阻燃剂均能有效改善PVC 的阻燃性能。与八钼酸铵单独做阻燃剂相比,添加了复合型阻燃剂八钼酸铵/水滑石和八钼酸铵/Mg(OH)2 的PVC/木粉复合材料在燃烧时,热释放速率降低了27%,烟释放率降低了60%。这说明,无机复配的复合型阻燃剂也能够有效提高PVC 材料的阻燃性能,并同时改善其消烟性能。
        赵程波等[25] 将硼酸锌和AL(OH)3 复配,制备了复合型阻燃剂,并用到了PVC 纺织结构材料中。实验结果表明,随着复合阻燃剂在PVC 基体中添加量的增大,所制备的PVC材料的氧指数逐渐上升,并且通过光老化实验可以进一步提高材料的氧指数。另外,随着复合型阻燃剂中硼酸锌比重的增加,材料在燃烧时烟密度显著下降。当复合型阻燃剂中硼酸锌的质量分数为40%~60%,100 g PVC 纺织结构材料中添加30 g复合型阻燃剂时,PVC 烟密度由原来的98% 成功降低至50%。
        孙英娟等[26] 以微胶囊红磷、硼酸锌、AL(OH)3 和Mg(OH)2 为原料,制备了复合型阻燃剂,并应用于PVC改性。
研究结果表明,当PVC、微胶囊红磷、硼酸锌、AL(OH)3 和Mg(OH)2 的质量比为100/3/1/20/20 时,所得材料的氧指数高达35.9%。并且与AL(OH)3 和Mg(OH)2 改性的PVC相比,由于多种无机阻燃剂的协同作用,复合型阻燃剂改性PVC 的氧指数更高,且在燃烧时烟气、一氧化碳和二氧化碳的释放量更低,材料的热稳定性和燃烧成碳率也明显更低。
4 结语
        用于阻燃型PVC 的阻燃剂主要分为无机阻燃剂、有机阻燃剂和复合型阻燃剂。其中无机阻燃剂主要有锑系阻燃剂、铝系阻燃剂、硅系阻燃剂和铁酸盐类阻燃剂,无机阻燃剂的阻燃效果较好,通过调节阻燃剂的添加量可以将PVC 的氧指数提高至27% 以上,制备出难燃的PVC 建筑用料。有机阻燃剂主要以磷系阻燃剂为主,这类阻燃剂在燃烧时通常会在PVC 表面产生致密的聚偏磷酸类物质,从而起到阻燃效果,与无机阻燃剂相比,有机阻燃剂的阻燃效果较差,但消烟效果较为明显。复合型阻燃剂分为有机/无机复合型阻燃剂和无机复配型阻燃剂,其中有机/无机复合型阻燃剂兼具有机阻燃剂优良的消烟效果和无机阻燃剂显著的阻燃效果,而无机复配型阻燃剂则兼具多种无机阻燃剂的优点。这两类复合型阻燃剂是今后PVC 阻燃的发展方向。
[返回上页]
版权所有:绍兴市万维塑业有限公司