硬質聚氯乙烯(Upvc)管材具有質輕、價廉、安裝操作簡單、耐化學藥品腐蝕、阻燃性好等優點。然而，聚氯乙烯(PVC)是良好的絕緣體，表面電阻大，導電性能差，在煤礦等易產生靜電的場合應用時，會因靜電積聚而引起火災或瓦斯爆炸。另外，UPVC管材在使用中經常受到沖擊、碰撞，且不可能經常更換，這就要求管材必須具有持久和良好的抗沖擊性能。因此，在煤礦等場合使用的管材必須同時具有阻燃、抗靜電和耐沖擊性能。本工作以PVC樹脂為基體，輔以適當的助劑，制備出阻燃、抗靜電和耐沖擊性能達到礦井下實際應用要求的UPVC管材專用復合材料，研究了炭黑用量和表面改性處理對材料性能的影響。
1 實驗部分
1．1 原料
PVC，SG一5，；氯化聚乙烯(CPE)，135A，；丙烯酸酯樹JI~(ACR)，HL一2005，；超細CaCO，HG2226—91，；鈦酸酯偶聯劑，NDZ一31l，；特導電炭黑，HG—IP，；復合穩定劑OGP一101，硬脂酸鈣，硬脂酸，氧化聚乙烯蠟，均為化學純，市售。
1．2 儀器與設備
JF一3型氧指數測定儀，；TCG一25G型簡支梁液晶沖擊實驗機，；DT9025型數字萬用表，；ZC-36型高阻計。
1．3 試樣制備
炭黑和超細CaCO 的表面處理：分別將炭黑和超細CaCO，加人到研磨杯中，準確稱取占物料總質量3％ 的鈦酸酯偶聯劑，滴人物料中。將研磨杯安裝到高速混合攪拌機主機上，以(1．1～2．2)x10r／min的轉速高速攪拌2～3 rain后出料。基本配方：PVC 100．0 phr，CPE 12．0 phr，ACR2．0 vhr，超細CaCO3 10．0 phr，OGP一101為6．0 phr，硬脂酸鈣0．8 phr，硬脂酸0．8 phr，氧化聚乙烯蠟
0．8 phr。
保持基本配方不變，僅改變炭黑用量，制備一系列不同組成的試樣。將配方中各組分加入到高速混合機中混合均勻，得到干混料。然后，把干混料在雙輥溫度為175 oC的開放式塑煉機上熔融混煉均勻后出片，粉碎，在平板硫化機上于175℃下模壓制備厚度為3 mm的片材，較后按標準要求裁成合適的樣條。
1．4 性能測試
水平和垂直燃燒實驗按GB／T 24O8—1996測試，氧指數(01)按GB／T 2406-1993測試，簡支梁沖擊強度按GBfF 1043-1993測試。體積電阻小于2xlO Q時用數字萬用表測試，體積電阻大于2×l0’Q時用高阻計測試。低溫冷凍墜落實驗：將試樣在(0±1)oC冰箱中恒溫冷凍24 h，取出后迅速從2 m的高度自由墜落于混凝土地面，墜落時應使5個試樣在5個不同位置接觸地面，并應盡量使接觸點為易損點。試樣從離開恒溫狀態到完成墜落，必須在10 S之內進行，記錄實驗現象。
2 結果與討論
2．1 UPVC的阻燃性能研究發現，對所有組成的試樣，無論炭黑含量多少，表面改性處理與否，水平燃燒實驗中試樣在點燃30 S離開火源后均迅速自熄，有少量白煙，無熔融滴落現象，燃燒級別均達到FH一1級，表現出良好的阻燃性。這表明炭黑的引入和表面處理與否對材料的水平燃燒性能沒有影響。從表l看出，隨炭黑用量增加，2種UPVC復合材料的垂直燃燒性能均有所降低。對于表面處理體系：當炭黑用量小于8 phr時，材料的垂直燃燒等級達FV一0級，材料的阻燃性能很好；炭黑用量為10 phr以上時，材料的垂直燃燒等級為FV一1級，阻燃性能有所下降。
表1 不同炭黑含量的UPVC垂直燃燒性能
Tab．1 Vertical burning properties of UPVC composites
with difierent carbon black content
炭黑用量／phr0268lOl5垂直燃燒級別表露處理體系 表面未處理體系
FV—．0 FV——0
FV——0 FV——0
FV——0 FV— 0
FV-0 FV—l
FV—l FV—l
FV—l FV一1
從表1還看出，炭黑經過表面處理的體系比未經過表面處理的體系具有更好的阻燃性能。當炭黑用量為8 phr時，表面處理體系的垂直燃燒等級為FV一0級，而表面未處理體系已經降至FV—l級。但用量超過8 phr時，麗者的垂直燃燒等級均為FV-1級。這是因為炭黑雖然是一種具有良好阻燃性能的導電填料，但在持續的火焰作用下，比較容易發生無焰燃燒(產生持續時間很長的紅色灰燼)。而無焰燃燒會使材料的垂直燃燒性能變差，阻燃等級下降。從圖1看出：在炭黑用量小于4 phr時，2種UPVC的0，均隨炭黑用量增加而升高；而當炭黑用量大于4 phr時，隨著用量增加，2種體系試樣的D，均逐漸降低。這是由于：一方面，炭黑本身具有很好的阻燃性，加入后有利于材料在燃燒時的成炭作用，增強材料的阻燃性能；另一方面，炭黑在持續點燃作用下容易發生無焰燃燒，又會降低材料的阻燃性能。這2種作用共同存在，在炭黑用量很少(小于4 phr)時，前一種效應占主導作用，因而材料的D，增大；隨炭黑用量增加，后一種效應逐漸占據主導作用，從而導致材料的阻燃性能變差，D，減小。但總的來看，當炭黑用量小于15 phr時，2種體系試樣的0，均在40％ 以上，表現出很好的阻燃性。由圖1還看出，在同樣條件下，與炭黑經過表面處理的試樣相比，炭黑未經過表面處理試樣的0，稍高，表明炭黑未經過表面處理的體系具有更好的阻燃性，但總的來看區別不大。圖l 炭黑用量對UPVC的0，的影響
Fig．1 Plots of oxygen index of different UPVC composites
venus carhon black content
2．2 抗靜電性能
從表2可看出：無論對炭黑表面改性與否，UPVC復合材料的體積電阻率均隨炭黑含量增加而降低；在炭黑用量達到8 phr時，體積電阻率發生突變；此后隨炭黑用量增加，體積電阻率下降幅度減小；炭黑用量達到10 phr后就基本保持不變。炭黑用量相同時，炭黑表面未經改性的復合材料的體積電阻率均小于表面經過改性的UPVC復合材料。這是因為隨著復合材料中炭黑含量增加，分散于樹脂基體中的炭黑粒子依次排列并逐漸相互靠近，連接起來形成導電通路，使復合材料的電阻下降，抗靜電性能增強。炭黑用量較少時，這種導電通路很不完善，數量也很少，材料的體積電阻率很大。隨著炭黑含量增加，這種由炭黑粒子相互連接形成的導電通路逐漸完善，數量也逐漸增加，材料的體積電阻率逐漸降低。當炭黑含量達到逾滲閾值(指高分子復合材料的電阻率發生數量級的突變時相應的導電粒子質量分數的臨界值，本研究中為8 phr)時，復合材料內部已經形成了比較完善的導電網絡，從而使材料的電阻值出現突變。此后再增加炭黑含量，對導電網絡的形成不再有明顯影響，因而材料的體積電阻率下降幅度減小，在炭黑用量達到10 phr后就基本保持不變。此外，由于表面經過改性的炭黑粒子較外層表面吸附了一層絕緣的鈦酸酯偶聯劑分子，不利于粒子之間緊密接觸形成導電通路，降低了炭黑形成導電通路網絡的能力，所以，在炭黑用量相同時材料的體積電阻率普遍比未改性體系偏大。
表2 不同炭黑含量UPVC的體積電阻率
Tab．2 Bulk resistivity of UPVC compo~tes with
diferent carbon black contents
體積電阻率，(n&em)
炭黑用量／phr ～
炭黑經過處理 炭黑未經處理2-3 耐沖擊性能從圖2看出，隨炭黑用量增加，炭黑表面改性前后2種體系的簡支梁缺口沖擊強度均呈下降趨勢。這是由于炭黑加入到PVC中后減小了PVC分子鏈間的作用力，限制了分子鏈段的運動，并且存在應力集中現象，從而導致復合材料逐漸變硬變脆。炭黑用量越多，這種影響就越顯著。炭黑用量相同時，炭黑表面未經改性的UPVC復合材料的簡支梁缺口沖擊強度均比改性填充后的復合材料高，具有更好的沖擊韌性。此外，低溫冷凍墜落實驗發現，所有試樣在O℃ 環境中恒溫冷凍24 h后從2 ITI高處自由落下，均沒有在任何部位出現裂紋和破裂現象。這表明，制備的UPVC復合材料具有足夠的韌性，材料的抗沖擊性能能夠滿足礦井下實際應用的需要。從以上實驗可以看出，炭黑未經過表面處理且用量為10 phr左右時，所制備的UPVC復合材料具有優良的綜合性能，能夠滿足實際應用的需要。圖2 炭黑用量對UPVC簡支梁缺口沖擊強度的影響Fig．2 Effect of carbon black content on the impact
strength of UPVC composites
3 結論
a)隨著炭黑用量的增加，2種體系UPVC復合材料的垂直燃燒性能均有所降低，D，則隨炭黑用量的增加先增大后減小。
b)UPVC復合材料的導電性隨炭黑用量增加而增大。同等條件下，炭黑未經過表面處理的體系比經過表面處理的體系表現出更加優良的導電性。
C)隨著炭黑用量增加，材料的簡支梁缺口沖擊強度降低。同等條件下，未經過表面處理的體系比經過表面處理的體系表現出更加優良的抗沖擊性能。所有試樣在0℃ 環境中恒溫冷凍24 h后從2 in高處自由落下，均沒有在任何部位出現裂紋和破裂現象。
d)炭黑未經過表面處理且用量為10 phr左右時，所制UPVC復合材料具有優良的綜合性能。

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