龐錦英，莫羨忠，劉鈺馨，楊 芳

（廣西師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，廣西 南寧 530001）

近年來,天然植物纖維作為增強(qiáng)材料的潛在優(yōu)勢(shì)越來越引起人們的注意。它資源豐富,價(jià)格低廉，密度比所有無機(jī)纖維都小,而模量和拉伸強(qiáng)度與無機(jī)纖維相近。植物纖維復(fù)合材料加工時(shí)耗能少,對(duì)加工設(shè)備的損耗小,有利于節(jié)約能源，而它最突出的優(yōu)點(diǎn)是具有生物降解性和可再生性,這是其他增強(qiáng)材料無法比擬的[1]。環(huán)氧樹脂(EP)在各種包裝材料、涂料、土木、建筑、膠粘劑、電子及航空等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，普通EP的氧指數(shù)僅為19.8%左右,屬于易燃物質(zhì)。因此提高材料的阻燃性能成為迫切需要解決的問題。

目前，國(guó)內(nèi)常見的阻燃劑大多是含鹵阻燃劑或由聚磷酸鹽、多元醇及含氮化合物等組成的混合阻燃劑。含鹵阻燃劑具有發(fā)煙量大、毒性大的缺點(diǎn)，其應(yīng)用受一定限制[2-4]；而混合型阻燃劑用量多，熱穩(wěn)定性較差，水溶性好，耐老化性差，對(duì)基材有可能產(chǎn)生腐蝕作用。新型三聚氰胺焦磷酸鹽自膨脹阻燃劑無鹵、低煙、低毒[5]，與被處理的涂料能夠很好地相容，且對(duì)其性能影響很少；受熱可分解放出水和三聚氰胺起阻燃作用，并可發(fā)生P-N協(xié)同阻燃效應(yīng)，能生成均勻致密的炭質(zhì)層，具有良好的隔熱、隔氧、阻燃和抑煙作用，并可有效阻止滴落現(xiàn)象，防止火焰的傳播和蔓延，并且季戊四醇和纖維都是良好的成炭劑。

本文采用MPP、PER按照不同的配比和不同的含量加入到環(huán)氧樹脂中，和水性阻燃液處理后的纖維制備成香蕉纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，找出最佳配方后再與添加其他阻燃劑的復(fù)合材料比較力學(xué)性能和燃燒性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

環(huán)氧樹脂E-44和低分子量聚酰胺樹脂650（工業(yè)品），三聚氰胺焦磷酸鹽（MPP，AR），季戊四醇（PER，AR），氫氧化鎂（AR），氫氧化鋁（AR），三聚氰胺磷酸鹽（AR），聚磷酸銨（AR）。

CZF-3型水平垂直燃燒測(cè)定儀，JF-3型氧指數(shù)測(cè)定儀，XWW型萬能試驗(yàn)機(jī)。

1.2 試樣的制備

1.2.1 香蕉纖維的阻燃處理

對(duì)偶聯(lián)劑A-174處理過的纖維進(jìn)行阻燃處理[6-7]：按比例取一定量原料（硫酸銨5.30%、磷酸二氫銨20.21%、硼酸5.30%和水69.20%）混合,把偶聯(lián)處理過的纖維放入已配制好的阻燃混合液中浸泡40min，一共浸泡3次，用適量的磷酸三丁酯每隔30min噴1次，一共噴3次，烘干。

1.2.2 復(fù)合材料的制備

阻燃香蕉纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法：將環(huán)氧樹脂E-44、低分子量聚酰胺樹脂 650、乙醇、鄰苯二甲酸二丁酯、咪唑等原料混合均勻再加入阻燃的香蕉纖維，攪拌均勻，然后放入真空干燥箱中抽真空后放置大約0.5h后取出，然后把混合物倒入事先做好的模具中,在一定壓力下室溫固化24h脫模，室溫放置7d后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),測(cè)試力學(xué)性能和燃燒性能。

1.3 復(fù)合材料的性能測(cè)試

拉伸性能按照GB/T 1040測(cè)試，氧指數(shù)(LOI)按照GB/T 2406測(cè)試，垂直燃燒按照GB 2408測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

采用L9(34)三水平正交表安排試驗(yàn)[8-11]。本試驗(yàn)主要考察纖維的長(zhǎng)度、纖維的含量、阻燃劑的含量、阻燃劑的配比4個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)復(fù)合材料的燃燒性能和力學(xué)性能的影響。

2.1 正交試驗(yàn)及結(jié)果

正交試驗(yàn)因素水平表見表1，復(fù)合材料的正交試驗(yàn)方案見表2，復(fù)合材料的力學(xué)性能和燃燒性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 復(fù)合材料的正交試驗(yàn)方案

表3 復(fù)合材料的力學(xué)性能和燃燒性能

2.2 極差分析

極差分析方法, 是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出正交表中每列的極差R 值, 來判斷因素的主次關(guān)系。根據(jù)極差值的大小， 可以判斷各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小，判斷的原則是： 極差越大，所對(duì)應(yīng)的因子作用越顯著。

從數(shù)據(jù)分析，阻燃效果和強(qiáng)力的關(guān)系是成反比的。因此要把2個(gè)主要參數(shù)影響的重要性主次順序統(tǒng)一起來是辦不到的。綜合以上各個(gè)因素，由于正交的9個(gè)試樣中，除了D7的氧指數(shù)為31.6外，其余試樣的氧指數(shù)都超過了32，垂直燃燒均達(dá)到UL94V-0級(jí)，因此，應(yīng)著重考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于纖維的增強(qiáng)作用，復(fù)合材料的力學(xué)性能都高于環(huán)氧樹脂，但效果最好的應(yīng)為纖維的長(zhǎng)度為5mm，纖維質(zhì)量為總質(zhì)量的10%，阻燃劑的質(zhì)量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的40%，阻燃劑中MPP和PER的配比為3∶1時(shí)，因此最佳的配方為A1B1C2D2。

表4 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度極差分析

表5 復(fù)合材料的氧指數(shù)極差分析

2.3 添加不同阻燃劑的復(fù)合材料的制備和性能研究

根據(jù)以上得出的最佳配方制備成復(fù)合材料，在纖維長(zhǎng)度、阻燃纖維含量、阻燃劑含量都相同的情況下，添加不同種類的阻燃劑后制備成復(fù)合材料，比較它們的燃燒性能和力學(xué)性能，其中，A、B配方中的阻燃劑比例均為它們的最佳比例[12-13]。

表6 添加不同阻燃劑的復(fù)合材料的配方

表7 添加不同阻燃劑的復(fù)合材料的力學(xué)性能和燃燒性能

圖1 阻燃香蕉纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸斷面形貌圖

從表7中得出，添加了阻燃劑MPP和季戊四醇的配方C拉伸強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于配方A和配方B，但配方A的氧指數(shù)沒有達(dá)到難燃級(jí)。配方B的拉伸強(qiáng)度均低于配方C，綜合力學(xué)性能和燃燒性能，配方C的效果是最好的。從圖1的拉伸斷面也可以看出，配方C幾乎沒有纖維拔出，而配方A和配方B中都有少量的纖維拔出，說明香蕉纖維與環(huán)氧樹脂基體之間的界面結(jié)合是良好的。當(dāng)最佳配方纖維的長(zhǎng)度為5mm，纖維質(zhì)量為總質(zhì)量的10%，阻燃劑的質(zhì)量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的40%，阻燃劑中MPP和季戊四醇的配比為3∶1時(shí)，制備出來的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為20.45MPa，比表3中的19.75MPa略高，氧指數(shù)達(dá)到33.7%，垂直燃燒達(dá)到V-0級(jí)（UL-94），說明利用正交試驗(yàn)法確定的最佳配方是可靠的。

由于MPP既是阻燃劑又是輔助固化劑，在環(huán)氧樹脂固化的過程中起到了交聯(lián)作用，所以力學(xué)性能在同等條件下高于其他的配方，同時(shí)環(huán)氧樹脂添加MPP有明顯的膨脹結(jié)炭現(xiàn)象, 制得的試樣是自熄、膨脹、無滴落的。MPP與多元醇一起使用有利于結(jié)炭層的形成,最終達(dá)到阻燃的效果,其中季戊四醇的作用是為MPP提供附加炭源,增加結(jié)炭層的量,減少M(fèi)PP的用量。纖維也是很好的成炭劑，纖維為固體物質(zhì),通常不能直接進(jìn)行燃燒,必須通過熱解過程產(chǎn)生可燃性揮發(fā)物,當(dāng)該揮發(fā)物與空氣相遇并達(dá)到一定濃度范圍內(nèi),溫度達(dá)到燃點(diǎn)便產(chǎn)生有焰燃燒,而熱解殘留物為木炭。

3 結(jié)語

通過以上研究可以得到如下結(jié)論：

1)正交試驗(yàn)和極差分析結(jié)果顯示，4個(gè)因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響順序?yàn)椋鹤枞祭w維含量＞阻燃劑含量＞纖維長(zhǎng)度＞阻燃劑配比。

2)復(fù)合材料的最佳配方：纖維長(zhǎng)度5mm，阻燃纖維含量為總質(zhì)量的10%，阻燃劑質(zhì)量為環(huán)氧樹脂質(zhì)量的40%，阻燃劑MPP和季戊四醇配比為3∶1。

3)在纖維長(zhǎng)度、阻燃纖維含量、阻燃劑含量都相同的情況下，添加不同種類的阻燃劑，其中添加MPP和季戊四醇的性能最好。

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