矿用阻燃抗静电塑料性能的研究
摘要：分别以聚丙烯(PP)树脂和ABS树脂作为基体材料，加入阻燃剂(溴-锑阻燃体系)、抗静电剂(导电炭黑)和偶联剂(KH-550)制备了矿用阻燃抗静电塑料。通过改变阻燃剂和抗静电剂的配比，考察了阻燃剂和抗静电剂对矿用阻燃抗静电塑料性能的影响，以及阻燃剂和抗静电剂彼此之间的影响。结果表明：溴-锑阻燃体系的加入能提高PP的抗静电性能；导电炭黑的加入会降低PP的阻燃性能；在添加一定量的KH550后，矿用阻燃抗静电塑料在阻燃抗静电性能符合要求情况下，力学性能有了明显提升，保证了制品更能适宜在井下恶劣环境中使用。
关键词：聚丙烯；丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物；矿用；阻燃；抗静电
近年来，由于矿山安全事故的频发，矿用安全产品得以大规模使用，而矿用高分子材料制品需满足井下更加苛刻的阻燃抗静电要求，对于矿用阻燃抗静电高分子制品的研究也越来越多。塑料制品的阻燃抗静电功能都是通过加入阻燃剂(多为溴-锑体系或磷系)和抗静电剂(导电炭黑、有机抗静电剂等)实现的，但以往的研究[1-6]多通过大量的实验来确定阻燃剂和抗静电剂的配比，而对于两者的共同作用和相互之间的影响研究较少。本文选择了两种不同的基体材料PP和ABS，通过改变阻燃剂(溴-锑阻燃体系)和抗静电剂(导电炭黑)的含量，研究它们对矿用阻燃抗静电塑料性能的影响，以及两者间的相互影响。同时，使用偶联剂(KH-550)对共混物进行了处理以解决阻燃剂和抗静电剂(导电炭黑)在较高填充量下的分散问题。
1 实验部分
1·1 主要原料
PP： K7726，中石油北京燕山分公司； ABS：0215，中石油吉林石化公司；导电炭黑： YML-100，九江亚米特石化有限公司；偶联剂： KH-550，南京康普顿曙光有机硅化工有限公司；十溴联苯醚：山东天一化学有限公司；三氧化二锑(Sb2O3)：云南木利锑业有限公司；硬脂酸钙：重庆长江扬帆化工有限公司；抗氧剂： 1010、168，瑞士汽巴精细化工有限公司。
1·2 主要仪器及设备
高速混合机： SHR-100型，张家港市亿利机械有限公司；同向双螺杆挤出机： TE-35，南京科亚化工装备有限公司；注塑机： SZ-90，广东东华机械有限公司； CMT4204型万能试验机、ZBC1000型悬臂梁冲击试验机、ZRZ1452型熔体流动速率仪：美特斯工业系统(中国)有限公司；绝缘电阻测试仪：YD2683型，常州市扬子电子有限公司；阻燃试验箱： CMK-1型，煤炭科学研究总院重庆研究院。
1·3 试样制备
将各种物料分别按表1配比称量后，经高速混合机混合均匀，然后在双螺杆挤出机上熔融共混，挤出造粒。PP挤出各段温度从加料口到机头依次为180、200、220、220、210℃； ABS挤出各段温度从加料口到机头依次为180、200、220、230、220℃；螺杆转速均为120 r/min，注塑机喷嘴控制在220℃，注射压力为65 MPa，成型周期为50s。将所得粒料在90℃干燥4 h，经注塑机注射成标准试样，以供性能测试使用。
1·4 性能测试
拉伸强度按GB/T1040·2—2006测试，拉伸速率50 mm/min；熔体质量流动速率(MFR)按GB/T3682—2000测试；悬臂梁冲击性能按GB/T 1843—2008测试；弯曲性能按GB/T 9341—2008测试；表面电阻按MT113—1995测试；阻燃性能按MT113—1995测试；扫描电镜(SEM)分析：将样品在液氮中脆断，经喷金后使用SEM观察断面变化。
2 结果与讨论
2·1 阻燃剂、抗静电剂和偶联剂对PP力学性能的影响
表2是PP样条的各项性能。根据表2，对比PP和PP-1可以发现，阻燃剂的加入，降低了PP的力学强度，如拉伸强度、弯曲强度等；同时也降低了PP的形变能力和加工性能，如断裂伸长率从95%降低到26%，MFR从24·5 g/10min下降到9·3 g/10min；对比PP-4和PP-6也有类似现象。其原因主要是由于十溴联苯醚本身强度较PP低，流动性也不如PP7726，所以添加到PP基体中，会明显降低PP的相关性能。
同时，对比PP-1和PP-2可以看出，加入KH-550可在一定程度上提高PP-1的力学强度和加工性能，这主要是由于KH-550含有氨基和三个可水解基团乙氧基，其中乙氧基先水解生成硅醇，由于硅醇不稳定，极易与无机物或金属表面的羟基结合脱水，从而与无机物或金属结合起来。氨基上带有两个活泼氢可以和各种聚合物发生反应，从而通过化学键将两种性质完全不同的材料紧密地结合起来。最终使阻燃剂与基体材料结合力增强的同时，也使阻燃剂得到更好的分散。以上现象也可从PP-3和PP-4的对比以及PP-5和PP-6的对比中得到。
从PP和PP-3对比可以发现，导电炭黑的加入增强了PP的导电性能，同时也在一定程度上提高了PP的力学强度，如拉伸强度、弯曲强度等；但也降低了PP的形变能力和加工性能，如断裂伸长率，从95%降低到36%，MFR从24·5 g/10min下降到10·6 g/10min。这是因为炭黑作为抗静电剂的同时也是一种无机填料，所以添加到PP的基体中，会明显地增加PP的力学强度，同时也会降低PP的延展性和加工性能。
2·2 抗静电剂和偶联剂对PP阻燃性能的影响
根据表2，对比PP和PP-1可以发现，阻燃剂的引入，可以明显提高PP的阻燃性，这主要是源于阻燃剂燃烧时形成的气层隔绝了PP和氧气，从而达到阻燃的效果。对比PP-1和PP-2可以发现，偶联剂的引入，可进一步提高其阻燃效果，这主要是由于偶联剂的桥接作用所导致。对比PP-1和PP-5可以发现，抗静电剂炭黑的加入，有焰燃烧时间有一定的增加，主要是由于导电炭黑虽然导电能力很强，但本身易于燃烧，降低了材料的阻燃性能。
2·3 阻燃剂和偶联剂对PP抗静电性能的影响
根据表2，对比PP-3和PP-5可以发现，阻燃剂的加入，材料表面电阻从1·6×105Ω下降到5·7×104Ω，表明阻燃剂的添加对材料的抗静电性有一定的增强作用，这可能是由于阻燃剂中的三氧化二锑具有一定导电性能所致。对比PP-5和PP-6可以发现， KH-550的加入，对PP-5的抗静电性能几乎没有影响。
综上所述，阻燃剂的加入会削弱PP的力学性能和加工性能，但能在一定程度上提高其抗静电性能；KH-550的加入可在一定程度上提高PP的力学性能、加工性能和阻燃性能，但对静电性能没有影响；炭黑的加入虽然能增强PP的力学强度，但也降低了PP的形变能力、加工性能和阻燃性能。
2·4 阻燃剂、抗静电剂和偶联剂对ABS力学性能和其他性能的影响
为了验证以上现象或规律是否具有普适性，本文还选择了ABS基体材料来加以验证。实验测得的性能数据如表3所示。表3表明， ABS的力学性能、阻燃性能和电性能的变化规律和PP的基本一样。
3 结论
1)阻燃剂十溴联苯醚/Sb2O3的加入，会降低PP的力学性能和流动性能，但能在一定程度上提高抗静电性能。
2)偶联剂KH-550的加入，可在一定程度上提高PP的力学性能、加工流动性能和阻燃性能，但对静电性能没有影响。
3)抗静电剂导电炭黑的加入，虽然能增强PP的力学强度，但也降低了PP的形变能力、加工流动性能和阻燃性能。
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