聚氯乙烯(PVC)具有优异的化学稳定性以及抗腐蚀能力，已经广泛用于电缆电线，建筑管材等领域[1-2]。纯PVC的氯含量较高，具有较好的阻燃性能。然而在加工PVC中，通常需要添加大量增塑剂，使其阻燃性能明显降低[3]。此外，PVC在燃烧中产生大量的烟雾以及有毒气体，从而严重危害人类健康和环境保护[4-5]。因此，开发具有高效阻燃性能的PVC材料具有重要的现实意义以及应用前景。目前开发阻燃PVC材料主要是利用熔融共混将阻燃剂与PVC基材进行混合。一般PVC常用的阻燃剂包括磷系阻燃剂、卤素阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂等[6-7]。对于卤素阻燃剂，在燃烧过程释放烟雾以及有毒物质；对于磷系阻燃剂，在燃烧中有毒物质较少，但热分解温度较低[8]。而金属氢氧化物阻燃剂具有较好的力学性能增强效果、优异的阻燃性能，已经广泛用于PVC的阻燃抑烟[9]。邱文福等[10]将三种不同细度的超细氢氧化镁阻燃剂与PVC复合制成复合薄膜，研究了阻燃剂细度对复合薄膜性能的影响。结果表明：氢氧化镁的粒径越小，对复合薄膜阻燃性能越佳。并且阻燃剂的粒径对复合材料的力学性能影响较小。锡酸锌(ZHS)具有较好的阻燃抑烟效果[11]，可以用于热塑性材料的阻燃抑烟添加剂，然而用于PVC的阻燃应用较少。本实验采用ZHS作为添加剂，与PVC复合制备了阻燃PVC/ZHS复合材料，并研究了不同含量的ZHS对复合材料的阻燃性能、耐高温性能以及力学性能的影响。1实验部分1.1主要原料锡酸锌(ZHS)，分析纯，国药制药集团有限公司；聚氯乙烯(PVC)糊树脂，440，工业级，台塑工业股份有限公司；对苯二甲酸二辛酯(DOTP)，工业级，陕西科罗化工科技有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，SZJ-62AB，徐州聚成化工机械有限公司；热重分析仪(TG)，STA499，德国耐驰仪器制造有限公司；极限氧指数分析仪(LOI)，JF-5，扬州昌哲试验机械有限公司；全自动万能试验机，UTM-1422，廊坊华建华工仪器有限公司；烟密度测试仪，ATS-JCY-03，上海艾提森仪器有限公司；垂直燃烧试验仪，CV-56，扬州昊天有限公司。1.3样品制备表1为不同PVC/ZHS复合材料的配方。根据表1的配方，在常温下将一定量的ZHS、PVC糊树脂以及增塑剂DOTP搅拌均匀形成均一的混合分散液。常温放置稳定12 h后将混合分散液放入双螺杆挤出机中，搅拌均匀并加热至180 ℃，保持10 min后挤出为5 mm厚的薄片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.T001表1不同PVC/ZHS复合材料的配方Tab.1Formula of different PVC/ZHS composites样品PVCZHSDOTP纯PVC97.502.5PVC/ZHS-195.02.52.5PVC/ZHS-292.55.02.5PVC/ZHS-390.07.52.5PVC/ZHS-487.510.02.5%%1.4性能测试与表征LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，样品尺寸为60 mm×10 mm×5 mm。力学性能测试：拉伸强度按GB/T 1040.1—2018进行测试，样品尺寸100 mm×10 mm×5 mm；缺口冲击强度GB/T 1843—2008进行测试，样品尺寸60 mm×10 mm×5 mm。SEM测试：液氮冷冻后脆断，喷金进行测试，加速电压10 kV。TG测试：N2气氛，温度区间室温~800 ℃，升温速率5 ℃/min。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2021和GB/T 8627—2007进行测试，试样尺寸为25 mm×25 mm×5 mm。耐高温性能测试：将样品在高温烘箱中120 ℃放置72 h，取出后测试其力学性能以及LOI值的变化率。2结果与讨论2.1热稳定性分析图1为纯PVC和PVC/ZHS复合材料的TG曲线。从图1可以看出，纯PVC的初始分解温度为203 ℃，最大质量损失温度为557 ℃，残炭率仅为4.3%。而加入ZHS后，由于其作为一种无机盐晶体具有较高的分解温度，PVC/ZHS复合材料的热稳定性得到提高。随着ZHS含量的增加，PVC/ZHS复合材料的初始分解温度逐渐增加。PVC/ZHS-4初始分解温度最高为278 ℃，残炭率增至20.3%。表明ZHS的加入可以有效提高PVC复合材料热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F001图1纯PVC和PVC/ZHS复合材料的TG曲线Fig.1TG curves of pure PVC and PVC/ZHS composites2.2SEM分析图2为PVC/ZHS复合材料的SEM照片。从图2可以看出，随着ZHS的增加，PVC复合材料的形貌表现出明显差异。PVC/ZHS-1断面显示光滑的树脂类形貌；在PVC/ZHS-2、PVC/ZHS-3和PVC/ZHS-4中，可以明显观察到片状的ZHS。PVC/ZHS-3中ZHS呈现均匀分布，复合材料表面均一并且无明显的褶皱和裂痕。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F002图2PVC/ZHS复合材料的SEM照片Fig.2SEM images of PVC/ZHS composites2.3力学性能分析图3为PVC/ZHS复合材料的拉伸强度以及断裂伸长率。从图3可以看出，纯PVC的拉伸强度为16.8 MPa，断裂伸长率为319%。而加入ZHS后，PVC/ZHS复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均先增加后下降，并PVC/ZHS-3达到最大值，其拉伸强度和断裂伸长率分别为19.7 MPa和387%，表明ZHS在PVC中表现优异的增强作用，这一结果与SEM形貌相吻合。由于ZHS在PVC中分散较均匀，复合材料体现最佳的拉伸强度和断裂伸长率。在PVC/ZHS-4中，由于ZHS过量导致部分ZHS堆叠，从而引起PVC复合材料受力不均而使拉伸强度下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F003图3纯PVC和PVC/ZHS复合材料的拉伸强度以及断裂伸长率Fig.3Tensile strength and elongation at break of pure PVC and PVC/ZHS composites图4为纯PVC和PVC/ZHS复合材料的缺口冲击强度。从图4可以看出，在添加ZHS后，复合材料的缺口冲击强度均先增加后下降，并且PVC/ZHS-3达到最大值，为29.32 kJ/m2。ZHS的加入可以有效地提高PVC复合材料的力学强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F004图4纯PVC和PVC/ZHS复合材料的缺口冲击强度Fig.4Notched impact strength of pure PVC and PVC/ZHS composites2.4阻燃性能分析图5为纯PVC和PVC/ZHS复合材料的LOI值。从图5可以看出，随着ZHS含量的增加，PVC复合材料的LOI值先增加后下降，表明ZHS的加入可以有效提高PVC复合材料的阻燃性能。纯PVC的LOI值为23.8%；而PVC/ZHS-3的LOI值最佳，达到29.7%。由于ZHS具有较好的阻燃性能，从而赋予PVC复合材料更好的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F005图5纯PVC和PVC/ZHS复合材料的LOI值Fig.5LOI values of pure PVC and PVC/ZHS composites图6为纯PVC和PVC/ZHS复合材料的热释放速率(HRR)和总放热量(THR)曲线。从图6可以看出，随着ZHS的增加，PVC/ZHS复合材料的HRR和THR均小于纯PVC。由于ZHS在燃烧过程中分解吸收部分热量，从而使PVC/ZHS复合材料的HRR降低，并且ZHS可以有效促进炭层形成，有效阻止氧向内部扩散，减缓燃烧从而降低HRR以及THR[12]。PVC/ZHS-3具有最低的HRR以及THR，分别为226.5 kW/m2和14.1 kJ/m2，表明ZHS的加入可以有效降低PVC复合材料燃烧时放热行为，从而降低燃烧时的剧烈程度。而PVC/ZHS-4中由于ZHS的过量导致形貌出现裂纹以及褶皱，使得内部填充的空气促进复合材料的燃烧，使HRR增大、THR增加[13]。图6纯PVC和PVC/ZHS复合材料的HRR和THR曲线Fig.6HRR and THR curves of pure PVC and PVC/ZHS composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F6a1(a)HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F6a2(b)THR图7为纯PVC和PVC/ZHS复合材料的烟生成速率(SPR)以及总产烟量(TSP)曲线。图7纯PVC和PVC/ZHS复合材料的SPR和TSP曲线Fig.7SPR and TSP curves of pure PVC and PVC/ZHS composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F7a1(a)SPR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.F7a2(b)TSP从图7a可以看出，复合材料的SPR峰值均低于纯PVC。纯PVC的SPR峰值为0.23 m2/s，在160 s时SPR为0。而PVC/ZHS-3复合材料中SPR峰值为0.14 m2/s，低于纯PVC的SPR。由于PVC/ZHS-3复合材料在燃烧过程中生成更连续致密的炭层，从而阻碍烟雾释放[14]。从图7b可以看出，纯PVC中160 s后TSP达到最大值，为7.32 m2，这一结果与SPR曲线对应。PVC/ZHS-3中TSP较低，为5.25 m2。表明ZHS的加入可以有效增强PVC复合材料的阻燃抑烟性能。2.5耐高温性能分析通过高温作用下性能变化评估纯PVC和PVC/ZHS-3的耐高温性能，表2为纯PVC和PVC/ZHS-3高温老化后力学性能和阻燃性能变化。从表2可以看出，PVC/ZHS-3相较纯PVC具有较好的耐高温性能，经过120 ℃高温处理后，PVC/ZHS-3的拉伸强度、冲击强度以及LOI值下降率仅为5.23%、4.12%和1.08%；而纯PVC中拉伸强度、冲击强度以及LOI下降率为12.35%、14.56%和5.36%。这是由于PVC树脂材料更易在高温环境中产生老化现象从而导致性能下降。而PVC/ZHS-3中由于ZHS的加入，无机盐具有更强的耐高温性能，可以有效提高复合材料的耐高温性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.013.T002表2纯PVC和PVC/ZHS-3高温老化后力学性能和阻燃性能变化Tab.2Changes in mechanical properties and flame retardancy of pure PVC and PVC/ZHS-3 after high temperature aging项目纯PVCPVC/ZHS-3拉伸强度下降率12.355.23冲击强度下降率14.564.12LOI值下降率5.361.08%%3结论（1）在PVC树脂中添加ZHS阻燃剂，制备具有优异力学性能以及阻燃抑烟性能的PVC/ZHS复合材料。（2）当ZHS添加量为7.5%，PVC/ZHS-3的力学性能最佳，拉伸强度和断裂伸长率分别为19.7 MPa和387%，缺口冲击强度为29.32 kJ/m2。（3）相较纯PVC，PVC/ZHS具有优异的阻燃抑烟性能，PVC/ZHS-3的LOI值为29.7%，并且具有较低的热释放以及烟气产量。（4）PVC/ZHS-3复合材料相较纯PVC具有优异的耐高温性能，在高温处理后其性能下降率较低。