H-P-151_阻燃聚丙烯-LDH纳米复合材料的制备及其性能研究
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阻燃聚丙烯/LDH纳米复合材料的制备及其性能研究
丁鹏*，唐圣福，杨慧，冯欣，施利毅*
上海大学纳米科学与技术研究中心，上海，200444
关键词：层状双氢氧化物聚丙烯阻燃性能力学性能
进入21世纪以后，随着材料科学对阻燃剂的要求日趋提高，各国相关法规也逐渐规范和严格，发展对环境友好的低烟、无卤、无磷、无毒的清洁型阻燃剂及其阻燃材料已成为必然。
目前适用于通用塑料的环境友好型阻燃体系主要包括：磷-氮系膨胀型阻燃体系、无机金属氢氧化物体系、层状硅酸盐纳米阻燃体系、可膨胀石墨体系、硅胶/碳酸钾体系和有机硅阻燃剂体系等。
这其中又以无机金属氢氧化物体系和层状硅酸盐纳米阻燃体系发展最为迅速，并得到了广泛的应用。
但是该类阻燃剂单独使用时往往效率低下，需要很大的添加量才能达到满意的阻燃效果，这就严重影响了材料的其它性能。
[1] 近年来，聚合物/层状双氢氧化物（LDH）纳米复合材料的制备与性能研究引起了人们的广泛关注。
这是因为，与传统的纳米复合材料相比，LDH纳米片层的引入不仅可以使复合材料具有优异的力学性能、热稳定性和光学性能等[2]，而且还具有阻燃和抑烟性能。
同时，由于LDH片层的物理化学性质易于调节，因此被认为是制备聚合物纳米复合材料的一种理想的层状无机组分[3]。
聚合物/LDH纳米复合材料的制备方法包括熔融插层法、溶液插层法和原位聚合法。
其中熔融插层法工艺简单，成本低，且无需有机溶剂，有利于环境保护，因此是一种制备聚合物/LDH纳米复合材料的理想方法。
本文在前期采用熔融插层获得完全层离的聚丙烯（PP）/LDH纳米复合材料的研究基础上[4]，将其与磷-氮系膨胀型阻燃体系复合，获得了阻燃型PP纳米复合材料，并研究了材料的力学性能及LDH的协同阻燃作用。
聚丙烯粉料（PP），金陵石化公司提供；其他试剂均由中国医药集团上海试剂公司提供；十二烷基硫酸钠（SDS）改性的LDH通过共沉淀方法制得。
先将一定量的PP和LDH在XSS-300转矩流变仪中150℃混合10min，再加入一定量的聚磷酸铵（APP）和季戊四醇（PER）继续混合3min，即得PP纳米复合材料，样品以P-Lx-Ay表示，其中x表示LDH相对于PP的重量百分含量，y表示APP的含量（APP与PER的重量比为2：1）。
所有样品均在150℃下通过热压制成1 mm或0.02 mm厚的薄片并剪裁成指定形状，以用于性能测试。
*教育部科学技术研究重点项目208182；上海市教委科研创新项目08YZ07；上海优秀青年教师科研专项SHU-07052；上海大学创
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Figure 1. Low-angle XRD patterns of LDH, P-L10-A10 and P-L5-A10 samples.
图1给出了样品的低角XRD谱图。
从图中可以看出，SDS改性的LDH的（001）衍射峰中心在2θ＝3.38o，d001＝2.58 nm处；在2θ＝6.80o处出现（002）衍射峰。
当LDH的添加量在10％（P-L10-A10样品）时，（001）衍射峰向低角方向移动，说明LDH的层间距变大，样品具有插层结构。
而当含量为5%（P-L5-A10样品）时，LDH组分的衍射峰不再出现，说明在该样品中LDH的片层已经完全层离，分散于PP基体中。
Figure 2. Effect of the LDH content on the mechanical properties of P-L x-A10 samples.
图2给出了随着LDH添加量的变化阻燃样品力学性能的变化曲线。
从图中可以看出，LDH添加量小于10％时，样品的拉伸强度和弯曲强度均有所提高，这说明LDH的添加对PP基体起到了增强作用。
但是，当LDH的添加量继续增大到20％时，样品的力学性能降低，这可能是由于LDH的大添加量导致其在PP基体
中不能均匀分散造成的。
Figure 3. Evolution of LOI values with the inorganic filler contents in the samples.
图3给出了样品的LOI测试结果。
可以看出，低于10%的LDH添加量对LOI 的提高几乎没有任何作用，只有当其含量达到10%以上时，才能使样品的LOI值有所提高，例如，LDH的含量为20%时，PP的LOI从19提高到22，提高了4个百分点。
这说明LDH单独用作阻燃添加剂时，只有在高添加量时才能对聚合物基体起到阻燃作用。
这一结果与通常使用的无机阻燃剂（如氢氧化镁、氢氧化铝等）往往需要很高添加量才能达到阻燃效果相吻合。
但是，当在PP/APP基体中引入LDH片层时，其对LOI值的影响则较为明显，少量添加LDH（小于5%）就能够大幅度的提高PP的LOI值。
例如，当添加5%的LDH可以使样品的LOI值从30提高到35，该LOI值比纯PP的LOI提高了16个百分点。
这说明较少量的添加LDH便能与阻燃剂APP/PER起到很好的阻燃协效作用。
但是，随着LDH含量的提高，样品的LOI值却有所下降。
例如，添加10%的LDH后，样品的LOI降低到26。
进一步提高LDH的含量，则样品的LOI值不再有明显变化。
因此只有适量添加LDH才能与APP/PER起到最佳协同阻燃效果。
同时，UL-94测试表明，只有P-L5-A10样品通过了V-0级测试，即添加5%的LDH可以使样品达到V-0级。
另外，图4与图5给出了纯PP、P-L5-A0和P-L5-A10样品的锥形量热测试结果，从图中可以看出，P-L5-A10样品的热释放速率（HRR）和质量损失速率（MLR）都明显减小。
结合上述测试结果可以得出，在P-L5-A10样品中LDH与APP/PER起到了最大的协同阻燃作用，具有最佳的阻燃效果。
参考文献：
[1]．
Qiu LZ, Xie RC, Ding P, Qu BJ, Compos. Struct. 2003, 62: 391 [2]．
瞿保钧，陈伟，邱龙臻，自然科学进展，2005, 15: 272 [3]．
Leroux F, Besse JP, Chem. Mater . 2001, 13: 3507 [4]．
Ding P, Qu BJ, Polym. Eng. Sci., 2006, 46: 1153 Synthesis and Properties of Flame-Retardant Polypropylene/Layered
Double Hydroxide Nanocomposites Peng Ding *，Shengfu Tang ，Hui Yang ，Feng Xin ，Liyi Shi *
Nano Science and Technology Research Center, Shanghai University, Shanghai, 200444 Abstract ：The flame-retardant PP/LDH nanocomposite was successfully synthesized by melt-intercalation method. The XRD analysis and mechanical property test demonstrate that the LDH layers were well dispersed in the PP matrix and enhanced the tensile and flexural strength of the samples. The results of LOI, UL-94 and cone calorimeter test show that suitable LDH content has good synergistic effect with intumescent flame retardants on the flame retardant property of PP matrix.
Key Words ：Layered double hydroxide Polypropylene Flame-retardant
mechanical property
Figure 4. HRR curves of the samples.
Figure 5. MLR curves of the samples.
阻燃聚丙烯/LDH纳米复合材料的制备及其性能研究
丁鹏*，唐圣福，杨慧，冯欣，施利毅*
上海大学纳米科学与技术研究中心，上海，200444 进入21世纪以后，随着材料科学对阻燃剂的要求日趋提高，各国相关法规也逐渐规范和严格，发展对环境友好的低烟、无卤、无磷、无毒的清洁型阻燃剂及其阻燃材料已成为必然。
本文采用熔融插层方法将层状双氢氧化物（LDH）片层与磷氮类阻燃体系（聚磷酸铵APP和季戊四醇PER）复合，制备了插层或完全层离的PP/LDH阻燃纳米复合材料。
样品的力学性能测试表明，适当的LDH添加量可以提高材料的拉伸与弯曲强度。
LOI、UL-94和锥形量热仪测试表明，LDH与APP/PER体系有很好的协同阻燃效果。
在体系中引入5 wt%的LDH可使其LOI 值从30提高到35，并通过V-0级测试。
关键词：层状双氢氧化物，聚丙烯，阻燃性能，力学性能
*教育部科学技术研究重点项目208182；上海市教委科研创新项目08YZ07；上海优秀青年教师科研专项SHU-07052；上海大学创新基金。
