聚氯乙烯(PVC)具有优异的绝缘性能、力学性能和加工性能，被广泛应用于人造革、电子电器、电线电缆、建筑材料和纺织品等领域[1-3]。但是纯PVC的热导率较低、受热易分解，难以满足电子器件、电线电缆和换热设备等热传递和热稳定性要求。PVC的阻燃性能较差，燃烧过程产生大量有毒浓烟[4-5]。将高热导率的填料与PVC基体共混制备PVC复合材料，是提高PVC热导率的主要途径[6]。导热无机填料主要包括氢氧化镁、氧化铝、氧化镁、氮化硼及二氧化硅等[7-9]。郑康奇等[10]采用硅微粉为导热填料，制备PVC复合材料。结果表明：125份硅微粉制备的复合材料的热导率显著提高，达到0.77 W/(m‧K)。为提高PVC的阻燃性能，目前主要以三氧化二锑(Sb2O3)为阻燃剂，少量Sb2O3能够提高PVC塑料的阻燃性。但是Sb2O3有毒且成本较高，通常需要两种或多种阻燃剂协同作用[11-12]。夏锐等[11]研究磷酸三（2氯丙基）酯(TCPP)和纳米Sb2O3复合阻燃剂对PVC电线电缆料性能的影响。结果表明：TCPP和纳米Sb2O3协同作用显著提高PVC的阻燃性能，但对PVC的力学性能和体积电阻率带来不利影响。为了满足PVC的应用需求，需要制备一种综合性能较好的高性能PVC塑料。本实验采用无硅灰（主要成分为SiO2）为填料，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)改性硅灰，制备了阻燃绝缘型PVC塑料，研究不同掺量改性硅灰条件下，PVC塑料的阻燃性能、绝缘性能、热学性能和力学性能。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，SG-5，上海圣祥利新材料科技有限公司；偏苯三酸三辛酯(TOTM)，工业级，山东齐鲁增塑剂股份有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，纯度≥99%，山东百耀化工有限公司；钙锌稳定剂，纯度≥99%，潍坊航灏新材料科技有限公司；硅灰(SF)，40~80 μm，SiO2含量为98%，石家庄博瑞建材有限公司；硬脂酸，SA-1810，FAB，威县丰瑞建筑材料有限公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，纯度≥98%，云盛化学（山东）有限公司；无水乙醇，工业级，锦州古城化学试剂有限公司。1.2仪器与设备超声波分散仪，JH2000W-20，杭州精浩机械有限公司；粉体接触角测量仪，XG-CAMF，欧兰达仪器科技（苏州）有限公司；双辊筒炼塑机，XH-401A，广东锡华机械有限公司；平板硫化机，YT-LH75A，仪通检测设备科技有限公司；导热系数仪，G(Ⅱ)，上海理涛自动化科技有限公司；热重分析仪(TG)，DZ-TGA101，南京大展检测仪器有限公司；拉力试验机，EH-5000，深圳市恩普达工业系统有限公司；体积电阻率测试仪，ZST-121，北京航天纵横检测仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JEOL-JSM-6700F，日本电气株式会社；邵氏硬度仪，HTS-800C，上海奕纵精密仪器有限公司；烟密度等级测试仪，JCY、垂直燃烧测定仪，CZF-3，南京江宁仪器厂；氧指数测定仪(LOI)，JF-3，广东艾斯瑞仪器科技有限公司。1.3样品制备1.3.1SF表面改性将SF放入105 ℃真空干燥箱中干燥4 h。将KH-550、水和无水乙醇按照质量比3∶2∶5混合，在磁力搅拌器中搅拌20 min，配置成表面改性溶液。称取200 g干燥的SF与600 g表面改性溶液在超声波分散仪中分散30 min。取出超声混合的溶液，用抽滤装置抽滤，将抽滤得到的固体放入105 ℃真空干燥箱中干燥至恒重。将干燥的粉末取出，在研钵中研磨后过200目方孔筛，得到改性SF，记为G-SF。1.3.2阻燃绝缘型PVC塑料的制备表1为阻燃绝缘型PVC塑料配方。按表1称取PVC、TOTM、DOP和钙锌稳定剂加入烧瓶中，在120 ℃的磁力搅拌器上，以1 500 r/min混合10 min，并保温5 min。将硬脂酸和G-SF加入烧瓶中继续混合5 min。将混合物加入170 ℃的双辊筒炼塑机中熔融混炼10 min。将熔融的胶料在温度180 ℃、压力15 MPa的平板硫化机上热压5 min，取出后继续冷压3 min。成型24 h后，用裁样机裁剪测试标准样条。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.T001表1阻燃绝缘型PVC塑料配方Tab.1Formula of flame retardant and insulating PVC plastic试样编号PVC/gTOTM/gDOP/g钙锌稳定性/g硬脂酸/gG-SF/gG-SF占PVC掺量/%1100.040.050.04.00.5002100.040.050.04.00.510.010.03100.040.050.04.00.520.020.04100.040.050.04.00.530.030.05100.040.050.04.00.540.040.01.4性能测试与表征垂直燃烧测试：按GB/T 2408—2021进行测试。LOI测试：按GB/T 2408—2021进行测试，样品尺寸150 mm×6 mm×3 mm。烟密度等级测试：按GB/T 8627—2007进行测试，样品尺寸30 mm×30 mm×3 mm。绝缘性能测试：按GB/T 31838.2—2019进行测试。热导率测试：按GB/T 10294—2008进行测试，样品尺寸300 mm×300 mm×6 mm。TG分析：N2气氛，气流为20 mL/min，升温速率为20 ℃/min，升温范围为50~800 ℃。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率为50 mm/min。邵氏硬度测试：按GB/T 531.1—2008进行测试。SEM分析：裁切试样，在断面喷金后，观察试样断面微观形貌。2结果与讨论2.1绝缘性能分析图1为PVC塑料的绝缘性能。从图1可以看出，随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的体积电阻率逐渐降低，说明G-SF降低了PVC塑料的绝缘性能。试样1的体积电阻率为8.0×1013 Ω·m，G-SF掺量从10%增至40%时，试样体积电阻率分别降至4.6×1013、2.7×1013、1.9×1013和5.1×1012 Ω·m。《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》(GB/T 8815—2008)要求电线电缆用软聚氯乙烯塑料体积电阻率一般不低于108 Ω·m，最高要求时体积电阻率不低于3.0×1012 Ω·m。虽然G-SF加入降低软质PVC塑料绝缘性能，但是其绝缘性能仍满足应用要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.F001图1PVC塑料的绝缘性能Fig.1Insulation performance of PVC plastic2.2阻燃性能分析表2为PVC塑料的阻燃性能。从表2可以看出，随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的引燃时间延长，LOI值增大，垂直燃烧等级提高，烟密度等级降低，说明G-SF提高了PVC塑料的阻燃性能。试样4和试样5的阻燃性能相差不大，说明G-SF掺量为30%后，继续增加G-SF对PVC塑料阻燃性提高不显著。主要原因是分散在PVC基体中G-SF可以限制燃烧继续蔓延，使引燃时间变长，且LOI值增大。G-SF覆盖在PVC基体表面，而G-SF的不燃性，导致PVC试样更难燃烧，垂直燃烧等级提高，烟密度等级降低。当G-SF达到一定量后，G-SF基本均匀填充到整个PVC基体中，继续增加G-SF可能增加G-SF颗粒团聚，对PVC塑料的整体阻燃性贡献不大[13-15]。随着G-SF掺量增加，PVC塑料的阻燃性能逐渐提高，但是试样2和试样3的垂直燃烧等级仍然只达到V-1级。G-SF掺量为30%时，PVC塑料的垂直燃烧等级提高到V-0级，说明PVC塑料的阻燃性能得到显著提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.T002表2PVC塑料的阻燃性能Tab.2Flame retardancy of PVC plastic试样编号燃烧时间/sLOI/%垂直燃烧等级烟密度等级11820.9V-19822226.2V-17632629.3V-16542932.1V-05753132.6V-053为了更深入了解G-SF提高PVC塑料阻燃性能的机理，对试样1和试样4的残炭形貌进行SEM分析，图2为PVC塑料燃烧后SEM照片。从图2可以看出，试样1燃烧残余物出现熔融状态，且形成了许多孔洞或沟槽。因为纯PVC燃烧时出现明显熔融分解，分解出大量HCl或水蒸气等气体，产生孔洞或沟槽。试样4燃烧残余物表面炭层较为完整且紧密，同时表面出现部分块状凸起固体。因为G-SF均匀分散到PVC塑料基体中，在燃烧时PVC与G-SF相互包裹，形成致密的炭层或固体块状物，而且G-SF阻隔氧气进入，阻止PVC塑料继续燃烧，提高PVC的阻燃性能[10]，与表2的结果一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.F002图2PVC塑料燃烧后SEM照片Fig.2SEM images of PVC plastic after burning2.3TG分析图3为PVC塑料的TG曲线。从图3可以看出，试样1在262 ℃时PVC塑料开始分解，最终温度800 ℃时，残炭率为21.5%。随着G-SF的加入，试样2~试样5的初始热分解温度逐渐增大，分别为270、281、293和299 ℃；800 ℃时残炭率分别为30.5%、41.2%、53.7%和66.1%，说明G-SF的加入提高了PVC塑料试样的热稳定性。因为G-SF的热稳定性高，G-SF均匀分散到PVC基体中，可以覆盖在PVC表面，能够减缓PVC分解；G-SF受热时不产生任何变化且质量几乎不变，因此G-SF的加入增加了残炭率[16]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.F003图3PVC塑料的TG曲线Fig.3TG curves of PVC plastic2.4热导率分析图4为PVC塑料的热导率。从图4可以看出，试样1的热导率为0.16 W/(m‧K)。随着G-SF掺量增加，试样2~试样5的热导率不断增大。而且G-SF的掺量不超过30%时，PVC塑料热导率增加速率较快；继续增加G-SF掺量，PVC塑料热导率增长率不大。G-SF掺量为30%时，PVC塑料热导率达到0.70 W/(m‧K)，比试样1增长了337.5%；而G-SF掺量为40%时，热导率为0.76 W/(m‧K)，比试样1增长了375.0%。原因是PVC塑料的热导率较低，随着高热导率G-SF的加入，G-SF粉体在PVC基体中形成有效的导热网络通道，G-SF的密度大于PVC的密度，G-SF的加入增加了PVC的整体密度，材料密度增加会增大热导率。但G-SF粉体达到一定量时，导热网络通道基本贯通，继续增加G-SF对提升PVC塑料热导率贡献有限[17]。当G-SF掺量达到30%以后，PVC塑料热导率增加幅度不大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.F004图4PVC塑料的热导率Fig.4Thermal conductivity of PVC plastic2.5力学性能分析图5为PVC塑料的力学性能。从图5可以看出，随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的邵氏硬度不断增大，G-SF掺量不大于30%时，硬度增长显著，从82增至97；继续增加G-SF掺量，硬度变化不大。因为SF主要成分为SiO2，其硬度远大于PVC塑料的硬度，G-SF掺量越大，PVC塑料试样的邵氏硬度越大。但是G-SF掺量达到一定量时，G-SF分散到PVC基体中已经形成贯穿的连接网络，硬度基本达到峰值，继续增加G-SF掺量，对硬度影响不大[10]。随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的拉伸强度从22.5 MPa分别降至18.6、17.8、16.9和12.4 MPa，断裂伸长率从488%分别降至362%、295%、221%和145%。试样5的拉伸强度和断裂伸长率达不到《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》(GB/T 8815—2008)的要求（拉伸强度不低于15.0 MPa，断裂伸长率不低于180%），说明G-SF对PVC塑料的拉伸性能造成了不利影响。因为G-SF分散在PVC塑料基体内，相互界面位置属于薄弱区域，外部荷载造成基体不断变形最终断裂。当G-SF掺量较多时，部分G-SF颗粒团聚，G-SF颗粒间缺少PVC塑料黏结，形成部分黏结薄弱点，拉伸时更容易脱离断裂[10]。参考GB/T 8815—2008要求，试样4的综合力学性能较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.06.007.F005图5PVC塑料的力学性能Fig.5Mechanical properties of PVC plastic3结论（1）随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的阻燃性能提高，其引燃时间延长，LOI值增大，垂直燃烧等级提高，烟密度等级降低。（2）随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的体积电阻率逐渐降低，但是其绝缘性能仍满足应用要求。（3）随着G-SF掺量的增加，提高了PVC塑料的热稳定性和热导率。G-SF掺量不大于30%，对PVC塑料热稳定性和热导率提高较显著。（4）随着G-SF掺量的增加，PVC塑料的邵氏硬度不断增大，拉伸强度和断裂伸长率逐渐降低。G-SF掺量为30%时，PVC塑料综合力学性能较好。（5）G-SF掺量30%时，能制备出阻燃性能、绝缘性能、热学性能和力学性能优异的阻燃绝缘型PVC塑料。