阻燃剂及增韧剂用量对聚酯的阻燃性能和力学性能的影响

阻燃剂及增韧剂用量对聚酯的阻燃性能和力学性能的影响

摘 要：聚酯是一种良好的化学材料，具有可燃性，在不饱和的状态下应用，固体胶黏剂脆性很大、韧性不足，一旦承受外力，极易开裂。为此，需借助阻燃剂和增韧剂，使聚酯的功能得到充分发挥。在制备聚酯纤维时，阻燃剂选择微胶囊化红磷，增韧剂使用纳米二氧化硅，实验表明，当两种添加剂的用量分别为3%、2%时，聚酯纤维的综合性能达到最佳状态，阻燃性良好，弯曲和拉伸强度也最强。

关键词：聚酯 微胶囊化红磷 阻燃性 纳米二氧化硅 增韧剂 力学性能

引言

作为一种高分子化合物，聚酯性能优异，经过加工，可形成聚酯纤维、聚酯薄膜或其他塑料制品，用途十分广泛，涉及医疗卫生、包装、建筑、电子电器等诸多领域。但聚酯具有可燃性，易引起燃烧，为此，需要做好阻燃工作；另外，作为聚酯的一种，聚酯树脂具有良好的耐热性和透明性，胶层硬度较大，但柔韧度很低，在外力作用下容易断裂，为此，需增强其韧性。

一、聚酯及其性能概述

聚酯是一种聚合物，由多元酸和多元醇相结合缩聚而成，是制备纤维、薄膜的上好材料，如用于薄膜时，介电性能和尺寸稳定性良好，强度较高。聚酯熔体冷却时，因结晶速度过快，加大了成型加工的难度，为保证产品质量，模具温度至少为140℃，如若达不到标准，则制成的产品韧性不足，脆性较大，为此需增强其韧性。增韧剂或增塑剂均能起到增加韧性的效果，而且以纳米级微粒居多，纳米二氧化硅（SiO2）是一种无机新材料，化学纯度较高、粒径小，表面张力大，具有良好的分散性和热阻性、增稠性和补强性，应用十分广泛。

聚酯的另一不足之处在于其可燃性，为解决这一问题，许多阻燃材料先后被研发问世，红磷化学性质稳定，常温下与氧气几乎不会发生反应，但大量堆放时，容易自燃爆炸，而且烟气有毒，如若用于树脂材料，一旦受到冲击或剧烈摩擦，极易引发火灾，需先对其进行处理，方能用作聚酯的阻燃剂。在经济技术的推动下，阻燃剂朝着多功能化发展，以混合阻燃剂为例，除了增加材料的阻燃性，还能起到增塑作用。

二、实验

2.1 实验目的

采取共混熔融法制备聚酯纤维样条，研究探讨阻燃剂及增韧剂用量对聚酯的阻燃性能和力学性能产生的影响。

2.2 原料和仪器

原材料主要有①由上海汇精亚纳米新材料有限公司提供的纳米二氧化硅；②连云港市爱德旺粉体材料有限公司生产的微胶囊红磷；③液体石蜡，来自南昌华鑫医药化工有限公司；④杭州荣盛化纤销售有限公司提供的半消光聚酯切片。

实验仪器主要包括：①氧指数仪，来自承德市大加仪器有限公司；②无锡鸿源塑料机械制造有限公司生产的注塑机；③江苏美芝隆机械有限公司的双螺杆挤出机；④万能材料试验机，由上海恒准仪器科技有限公司提供。

2.3工艺流程

首先，保持微胶囊化红磷、纳米二氧化硅和聚酯切片的干燥；分若干情况，按照不同的比例将微胶囊红磷和纳米二氧化硅进行搭配，形成混合阻燃剂，可滴入少许液体石蜡，以便阻燃剂的粉体能够均匀地粘在聚酯切片表面；采用熔融共混的方法，使混合阻燃剂同聚酯切片相混，制备不同规格的聚酯纤维样条。须注意的是，因聚酯切片主要用于纺丝，需合理控制阻燃剂的用量，尽量在聚酯切片的7%以内。

然后，借助双螺杆挤出机挤压混合均匀的聚酯切片，形成条状物，利用注塑机对此条状物进行加工，形成标准尺寸的样条。

2.4 性能测试

①拉伸性能

按照规定的方法和标准对聚酯纤维样条的拉伸性能展开测试，样品的尺寸大下为180×12×6mm ，空载速度和试验速度分别为12 ± 6mm/min 、105±12mm/min ，每一组共有5个样条；

②柔韧性能

对其弯曲柔韧性能的测试，也需按照相关和统一的标准规定进行，纤维样品的的尺寸为75×12×5mm ，实验速度作为22±11mm/min ，每一组有5个样条；

③阻燃性能

在测试聚酯纤维样条的阻燃性时，应参考塑料燃烧性能试验方法氧指数法，按照此标准进行。纤维样条的尺寸为150×5×4mm ，测试时，样品的表面应保持平整光滑，没有气泡出现，每一组有5个样条；

④冲击性能

关于冲击性能的测试，应尽量参考塑料冲击性能小试样试验方法的标准展

开，纤维样条的尺寸是35×4×3mm ，对测试条件的规定是：支撑线间的距离为20mm ，采用无缺口试样，每一组有10个样条。

三、实验结果及相关讨论

3.1阻燃性能

对实验过程仔细观察，做好详细记录，从最终结果分析中可知：

①当聚酯纤维的阻燃剂只采用微胶囊化红磷一种材料时，其极限氧指数值与微胶囊红磷用量的变动有联系，起初，随着微胶囊红磷的增多而升高，当达到一定的程度时，极限氧指数不再继续上升，而呈现出平缓趋势。经观察，当微胶囊化红磷占5%的比例时，纤维的极限氧指数达到最高值，为33 。因为在聚酯纤维燃烧的过程中，红磷也会发生变化，形成聚偏磷酸，而后以薄膜的形式附在聚合物表层，对氧气有一种很好的隔绝作用，进而阻止混合物的燃烧。除此原因外，还与聚偏磷酸的性质有关，它属于一种强酸，能够按照碳正离子的模式对聚合物进行脱水成碳，进一步提高阻燃性。

②当聚酯纤维的阻燃剂采用的是微胶囊化红磷及纳米二氧化硅两种材料时，极限氧指数要比单纯的微胶囊红磷低。以总量为5%计算，微胶囊红磷和纳米二氧化硅占的比例依次是3%和2% ，此时聚酯纤维的极限氧指数为29，要低于上面所得分析的33 ，可知，其阻燃效果偏低。因为混合阻燃剂中掺加有纳米二氧化硅，会对微胶囊红磷性能的发挥形成阻碍，具体来说，纳米二氧化硅粒径极细，几乎呈粉末状，而且具有良好的热稳定性，在聚合物表面覆盖时，会影响到聚偏磷酸阻燃性的发挥。

3.2力学性能

①微胶囊化红磷作为阻燃剂，不但影响着聚酯纤维的阻燃性，与其力学性能也有莫大关系，但对二者的影响有所不同。力学性能随其含量的增加而降低，因为受粒径影响，微胶囊红磷与聚酯之间的界面结合时，牢度较低，所以其含量越大，低牢度的界面越多，对聚酯的力学性能有很大影响，这就要求适当添加增韧剂，在聚酯纤维的力学性能不会发生较大变动的基础上，提高其阻燃性。

②如果是微胶囊化红磷和纳米二氧化硅的混合物，聚酯纤维的力学性能会提升许多，但是和纯聚酯纤维比，还是有所不足。当微胶囊红磷和纳米二氧化硅的比例分别是3%、2% 时，聚酯纤维的力学性能较好，多半原因在于纳米二氧化硅的增韧作用。然而纳米颗粒具有团聚性，难以均匀的分布在聚酯中，以至于增韧作用并不能完全发挥。

四、结束语

聚酯在诸多行业都有广泛应用，但其自身存在着阻燃性低、韧性不足的弱点，为此，需借助适宜的阻燃剂和增韧剂对其进行改变，使其具备良好的阻燃性，保

持良好的综合力学性能，以更好地投入到实际应用中。

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