锡酸锌包覆碳酸钙对聚氯乙烯的阻燃消烟作用

聚氯乙烯作为五大通用合成树脂之一,已被广泛应用于建筑、汽车、电缆、包装及家电行业。近几年来,随着发达国家PVC生产的转移和我国建筑、汽车及电力行业的迅速发展,我国PVC树脂的消费和生产量迅速增长。PVC分子中含氯量56%,氧指数大于45%,是一种自熄性聚合物。为了制得PVC的软制品,需加入一定量的增塑剂,使其氧指数显著下降,达不到阻燃要求,故需采用阻燃剂对其进行阻燃处理。无论是有焰燃烧还是无焰燃烧,PVC的发烟量都较大,并产生大量的有害气体HCl,造成人们窒息或中毒,所以PVC的抑烟和阻燃具有同等的重要性。

近几年来含锡、锌类的化合物如:锡酸锌、羟基锡酸锌等作为三氧化二锑替代品的相关研究受到了越来越多的重视。锡酸锌具有无毒、无害和良好的阻燃及抑烟性能,对卤素和填料有有益的影响。

但由于其昂贵的价格使其应用受到限制,所以如何在保持锡酸锌优良性能的同时降低其价格成为阻燃研究工作者的目标。

但随着其含量的增加剩炭率显著增加。锡酸锌、锡酸锌包覆碳酸钙的加入能显著提高PVC的氧指数和剩炭率,且随着两者含量的增加,其对应阻燃样品的氧指数和剩炭率都增加。

以锡酸锌包覆碳酸钙阻燃PVC的研究及其阻燃与抑烟机理还未见报导,因此在前人的基础上结合实验结果推断锡酸锌包覆碳酸钙对PVC的阻燃与抑烟机理如下:

锡酸锌中的锌离子Zn2+

能与PVC分解释放出的HCl反应生成氯化锌ZnCl2。ZnCl2可以捕捉气相中反应活性强的OH-、H+自由基,干扰中断燃烧的连锁反应。在固相中能促进生成致密而又坚固的碳化层。同时,在高温下,ZnCl2在可燃物表面形成玻璃状涂层,既可隔热又可隔绝空气SnO32-能与HCl反应。锡酸锌中的锡酸根离子生成锡酸H2SnO3和H2O。H2O能吸收热量和稀释氧气浓度,H2SnO3能在样品表面形成涂层且能与HCl反应生成SnCl2。SnCl2和ZnCl2一样都是一种强的路易斯酸,它们都能催化PVC脱HCl生成反式多烯结构,这种反式结构不能环化生成苯,从而减少了发烟量;它们能进一步促进分子间发生交联和炭化反应,提高成炭量、降低成烟量、阻止燃烧继续进行。

经锡酸锌包覆后的碳酸钙具有片状或棒状结构,锡酸锌在PVC基体中的分散性好于仅加入锡酸锌的情况,

锡酸锌包覆碳酸钙能提高PVC的氧指数、剩炭率和起始分解温度,降低PVC的烟密度等级,且用其阻燃PVC样品的剩炭结构比未阻燃PVC的致密。当含有相同量的锡酸锌时,锡酸锌包覆碳酸钙阻燃PVC比锡酸锌阻燃PVC的氧指数、剩炭率和起始分解温度高,烟密度等级低,剩炭的表面结构更均匀致密。当阻燃剂的添加量为10份时,锡酸锌包覆碳酸钙阻燃PVC的氧指数与三氧化二锑阻燃PVC的相当,但含量增加时前者明显高于后者。锡酸锌包覆碳酸钙阻燃PVC的烟密度等级比三氧化二锑阻燃PVC的烟密度等级降低10个单位,剩炭结构更致密。这样使锡酸锌更好地发挥阻燃作用。所以锡酸锌包覆碳酸钙的阻燃效果优于锡酸锌和三氧化二锑。

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