摘要: 聚氯乙烯（PVC）具有耐腐蚀、可增塑、绝缘性好等优点，使其在工程领域应用极为广泛。PVC本身的含氯量高达56%，极限氧指数（LOI）高达45%-49%。但是，由于增塑剂等助剂的使用使PVC阻燃性能严重下降。现阶段，工程PVC领域通常采用添加微米级三氧化二锑... 展开 聚氯乙烯（PVC）具有耐腐蚀、可增塑、绝缘性好等优点，使其在工程领域应用极为广泛。PVC本身的含氯量高达56%，极限氧指数（LOI）高达45%-49%。但是，由于增塑剂等助剂的使用使PVC阻燃性能严重下降。现阶段，工程PVC领域通常采用添加微米级三氧化二锑（micro-Sb2O3）的方法改善其阻燃性能，由于在基体材料燃烧过程中微米颗粒反应面积较小，阻燃效果并不理想，而且当基体材料受到较大外部应力时，微米颗粒将会割裂基体，使基体材料的机械性能破坏严重。采用高能机械球磨法可将micro-Sb2O3有效纳米化，且此法具有成本低、工艺简单等优点。诚然，通过高能机械球磨法所得纳米级三氧化二锑（nano-Sb2O3）易团聚，需进一步改性，提高纳米颗粒分散性。因此，本文将首先通过高能机械球磨法将micro-Sb2O3纳米化，并选用工业增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、硅烷偶联剂KH791为改性剂，以高能机械球磨为加工方式，将所得nano-Sb2O3进一步表面改性，通过X射线衍射分析（XRD）表征Sb2O3纳米化与表面改性前后晶型变化，采用傅里叶红外（FTIR）表征nano-Sb2O3表面改性效果，采用粒度分析与透射电镜（TEM）分析改性后纳米颗粒分散性，以此确定nano-Sb2O3的最佳改性工艺；其次，将等质量比的nano-Sb2O3与micro-Sb2O3加入PVC基体中，制备mirco-Sb2O3/DOP/PVC与nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料，通过极限氧指数测试（LOI）、垂直燃烧等级测试（UL-94）、锥形量热测试（CCT）研究纳米级与微米级Sb2O3对PVC基复合材料阻燃性能的不同影响，通过热重分析（TGA）研究对复合材料热稳定性能的影响差异，并通过拉伸测试对比nano-Sb2O3与micro-Sb2O3对PVC基复合材料拉伸强度与杨氏模量的破坏程度；最后，向PVC基复合材料中添加等质量比的改性nano-Sb2O3，制备PVC基复合材料，通过上述检测方法分析经不同含量与种类改性剂改性后的nano-Sb2O3对PVC基复合材料阻燃性能、热稳定性能、拉伸强度和杨氏模量的影响差异，以制备高阻燃性能与较好力学性能兼具的PVC基复合材料。主要研究内容与结果概括如下： （1）对micro-Sb2O3采用高能机械球磨纳米化后，有效地降低了Sb2O3粒径，使其主要粒径分布于90-200nm之间，在此过程中未改变Sb2O3晶型。 （2）对nano-Sb2O3表面改性的过程中，亦未改变nano-Sb2O3的晶型结构。通过对改性nano-Sb2O3进行FTIR表征发现，改性剂DOP与KH791均成功地连接于纳米粒子表面。通过对nano-Sb2O3进行粒度与TEM分析发现，改性后的纳米粒子粒径普遍减小，分散性得到较大地提升。其中，经2.0wt%-KH791改性的nano-Sb2O3分散性最佳，且其主要粒径尺寸降低至80-140nm区间。通过对纳米颗粒进行Zeta电位分析发现不同改性剂对纳米颗粒表面Zeta电位绝对值具有不同影响效果，经DOP改性后的纳米颗粒表面Zeta电位绝对值出现降低趋势，经KH791接枝改性纳米颗粒后的表面Zeta电位值呈现出升高的趋势。其中，使用2.0wt%-KH791对Sb2O3改性时，纳米颗粒表面Zeta电位绝对值可升至34.5mV；使用7.0wt%-DOP对纳米颗粒改性时，Sb2O3表面Zeta电位绝对值可降至3.5mV。 （3）向PVC基体中添加同质量比的micro-Sb2O3与nano-Sb2O3时，nano-Sb2O3对PVC复合材料的阻燃性能提升明显优于micro-Sb2O3。经锥形量热测试表征，nano-Sb2O3对软质PVC火灾威胁降低更为显著，2.0wt%-nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料THR值降至28.6MJ/m2、总产烟量TSP降至10.9m2，燃烧残样表面炭层致密，具有良好的阻燃性能。通过热重分析表征发现，含有质量比为2.0wt%-nano-Sb2O3的PVC基复合材料残碳量可达9.010%，且其热稳定性能明显优于含等质量比micro-Sb2O3的PVC基复合材料。在PVC基复合材料拉伸测试中发现nano-Sb2O3/DOP/PVC复合材料下降趋势更平缓。 （4）通过对比不同改性状态下的质量比为2.0wt%的nano-Sb2O3对PVC基复合材料性能影响发现，采用不同配比改性nano-Sb2O3对PVC基复合材料性能产生不同影响。在LOI测试中，采用2.0wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的PVC基复合材料具有30.4%的最高值。在锥形量热测试中，经2.0wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料，其有效燃烧时间仅为169s，THR值最低，但HRR峰值达到259.97kW/m2；经5.0wt%-DOP改性nano-Sb2O3制备的复合材料HRR峰值最低，但有效燃烧时间最长；经2.0wt%-DOP与1.0wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料HRR峰值与有效燃烧时间均得到有效降低。通过热重分析发现，nano-Sb2O3颗粒经改性后可对基体材料热稳定性进一步提升，尤其是经2.0wt%-KH791改性nano-Sb2O3制备的复合材料，其热稳定性最好，且残炭率达到9.556%。在PVC基复合材料拉伸测试中发现，经5.0wt%-DOP改性nano-Sb2O3制备的复合材料效果最为明显，其拉伸强度值增至15.9MPa，杨氏模量值增至2.1GPa。 收起