尼龍6(PA6)是一種工程塑料，已廣泛應用于電子電器、建筑工程等領域。但PA6本身可燃，而在這些領域要求其應有很好的阻燃性能，因此很有必要對其進行阻燃改性。同時由于PA6存在尺寸穩(wěn)定性和加工性能差等缺點，在實際應用中一般都用無機填料填充，以提高其尺寸穩(wěn)定性和加工性能，并且在一定程度上降低成本。江西奧特科技有限公司研究不同形貌的無機填料對PA6/MCA阻燃復合材料的影響。選用工業(yè)上常用的MCA阻燃PA6的配方，同時引入硅灰石和酸鈣，考察它們對于PA6/MCA阻燃復合材料性能的影響。

無機填料的形貌特征

a一硅灰石 ；b一碳酸鈣 無機填料的TEM圖

圖為無機填料的TEM圖，由圖中可以看出，硅灰石為針狀，長徑比很大，碳酸鈣為球狀。由于兩種無機填料的形貌不同，可能會對PA6阻燃復合材料的性能產(chǎn)生不同的影響。

阻燃性能

上表給出了硅灰石和碳酸鈣對PA6/MCA阻燃復合材料LOI和垂直燃燒性能的影響。從表中可以看出，與PA6/MCA阻燃復合材料的LOI為28％和垂直燃燒等級為UL94 V-2級相比，加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的LOI有所提高，達到29％，并且其垂直燃燒等級達到UL94-0級。這是由于SiO2是硅灰石中的組分，從而鍵合到硅灰石表面生成親油性的非極性表面，使硅灰石很好地分散在基體內(nèi)部，對于復合材料阻燃性能的提高發(fā)揮了有利的作用。此外硅也能夠催化炭層的形成，提高炭層的強度，使PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的阻燃性能得到提高。而加入碳酸鈣后，PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料的LOI下降到24.3％，而垂直燃燒等級仍為UL94 V-2級，與PA6/MCA阻燃復合材料一致。在材料燃燒過程中，雖然產(chǎn)生的熔滴很少，但持續(xù)燃燒。這可能是因為堿性的碳酸鈣會吸收MCA分解的氰尿酸，使氰尿酸催化PA6降解為低聚物，形成熔滴，帶走熱量的作用減弱，可保持較高的熔體粘度，熔滴滴速慢，但不自熄。

SEM分析

a一PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料； b一PA6/MCA/碳酸鈣復合材料； C一PA6/MCA阻燃復合材料

PA6阻燃復合材料燃燒后表面炭層的SEM圖

MCA作為一種氮系阻燃劑，能夠很好地提高PA6的阻燃性能，也符合環(huán)境保護的要求。在PA6/MCA阻燃復合材料燃燒過程中，氰尿酸催化PA6降解為低聚物，形成熔滴，帶走燃燒產(chǎn)生的熱量；而三聚氰胺進一步分解為水、氮氣、氨氣等惰性氣體，稀釋空氣中的氧氣濃度從而抑制燃燒。所以MCA阻燃PA6的機理主要是氣相阻燃，有焰熔滴的產(chǎn)生使材料難以達到V-0級。但在材料表面形成的炭層能夠讓其內(nèi)部的物質遠離火焰，又能阻隔物質在燃燒過程中產(chǎn)生的熱和可燃性氣體向炭層外傳播。因此炭層的形成在很大程度上影響了材料的阻燃性能。由于加入的填料是不燃的，它們保持在凝固相并成為了炭層的一部分，因此填料對于炭層的形成和性能有很大的影響。 上圖顯示了PA6阻燃復合材料燃燒后形成炭層的微觀形貌。從圖b可以看到，PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料表面有很多孔洞，孔洞直徑也較大，這樣炭層內(nèi)部物質產(chǎn)生的熱和可燃性氣體很容易向炭層外傳播，使材料進一步燃燒。這與前述PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料的阻燃性能差的分析結果是一致的。而從圖c可以看到，PA6/MCA阻燃復合材料的炭層表面也有一些孔洞，但是數(shù)量少，孔洞直徑也小，炭層對于阻隔炭層內(nèi)部材料產(chǎn)生的熱和可燃性氣體向炭層外傳播有一定的作用。從圖a可以看出，阻燃PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的炭層表面致密、光滑，幾乎沒有孔洞，能夠很好地隔絕炭層內(nèi)物質產(chǎn)生的熱和可燃性氣體向炭層外傳播，使材料達到自熄，提高了材料的阻燃性能。 炭層形貌的不同可能是由于加入填料的幾何形狀不同造成的，由于碳酸鈣是球狀，表面光滑，摩擦系數(shù)低，在炭層的形成過程中，使基體一填料界面改變?yōu)樘繉右惶盍辖缑?，并且后者的界面結合強度不如前者，在炭層膨脹過程中，碳酸鈣容易滑出炭層，填料和炭層的分離使得炭層的表面不致密，形成很多孔洞，進而影響PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料的阻燃性能。而硅灰石由于是針狀的，在炭層形成過程中嵌入到炭層內(nèi)部，形成了致密、平滑的炭層，提高了PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的阻燃性能。

FTIR分析

a一PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料； b一PA6/MCA/硅灰石復合材料

PA6阻燃復合材料燃燒后殘留的FTIR譜圖

上圖是PA6阻燃復合材料燃燒后殘留物的FTIR譜圖。從圖中b譜圖可以看到，在453 cm-1處是Si-O變形振動吸收峰，1008 cm-1處是Si一O一C伸縮振動吸收峰，表明加入硅灰石后，SiO2與表面炭層能很好地結合，形成致密的保護層，發(fā)揮凝聚相的阻燃作用。l 420，873，708 cm-1處為碳酸鈣的特征吸收峰，但在圖中a譜圖上沒有這些特征吸收峰，表明碳酸鈣在炭層形成過程中脫離了炭層，使得炭層表面凹凸不平，并有很多孔洞，無法隔絕炭層內(nèi)部的熱和可燃性氣體向炭層外傳播，從而降低了復合材料的阻燃性能。

力學性能

PA6阻燃復合材料的力學性能

從表中可以看到，PA6/MCA阻燃復合材料的拉伸強度、沖擊強度分別為55.2MPa，8.65 kJ/m2。加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的力學性能有所提高，其拉伸強度為58.2 MPa，提高了5.4％，沖擊強度為7.78KJ/m2,下降了10.1％。這可能是因為針狀硅灰石沿著注塑方向取向排布，使得PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的拉伸性能優(yōu)于PA6/MCA阻燃復合材料。然而，硅灰石的形狀為針狀，棱角尖銳，當受外力作用時，表現(xiàn)為缺口沖擊強度下降。加入碳酸鈣后，PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料的綜合力學性能有所下降，其拉伸強度為42.9 MPa，下降了22.3％，沖擊強度為5.47 KJ/m2，下降了36.8％。這可能是由于球狀的碳酸鈣與PA6基體的界面結合強度較低，在受到拉伸和沖擊力時容易脫粘，導致材料的拉伸強度和缺口沖擊強度都下降。

結論

01 加入針狀硅灰石提高了PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的阻燃性能，而加入球狀碳酸鈣會降低PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料的阻燃性能。當加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的LOI達到29％，UL94達到V-0級，性能最佳。

02 對阻燃PA6復合材料燃燒后的表面和殘留物進行SEM和FTIR分析表明，在PA6/MCA阻燃復合材料中加入硅灰石，SiO2與表面炭層結合，并且炭層致密；而加入碳酸鈣，阻燃PA6/MCA/碳酸鈣阻燃復合材料燃燒中碳酸鈣脫離炭層，且炭層上有很多孔洞。PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的阻燃性能更好。

03 力學性能測試表明，與PA6/MCA阻燃復合材料相比，PA6/MCA/硅灰石阻燃復合材料的拉伸強度為58.2 MPa，提高了5.4％，沖擊強度為7.78 kJ/m2，下降了10.1％。加入碳酸鈣后，尼龍6/McA/碳酸鈣阻燃復合材料的拉伸強度為42.9MPa，下降了22.3％，沖擊強度為5.47 kJ/m2，下降了36.8％。加入硅灰石后材料的拉伸強度有一定程度提升。