传统聚苯乙烯(PS)塑料由于具有价格较低，易加工等优点，在建筑材料中应用广泛[1]。然而，PS作为一种有机高分子材料，具有易燃的特点。因此，开发具有较好阻燃性能的PS塑料十分重要[2]。普通PS塑料板是一种热塑性塑料，极限氧指数(LOI)较低，极度易燃，因此，研究人员通过对其改性制备了阻燃PS板[3]。王雅珍等[4]通过将改性聚磷酸铵、氧化石墨与改性糠醛树脂复合制备了新型阻燃剂，并刷涂在PS上，制备阻燃PS复合材料，复合材料的LOI值达到34.7%，垂直燃烧为V0级，具有较好的阻燃效果。袁文杰等[5]通过丙烯酰氯与三溴苯酚反应得到丙烯酸三溴苯酯，并聚合得到聚丙烯酸三溴苯酯阻燃剂，该阻燃剂可以将PS的LOI值从18.0%提升至23.0%，垂直燃烧等级达到V-2级，可以有效提高PS的阻燃性能。尽管对于PS阻燃剂的研究已经较为广泛，但大部分阻燃剂仍为有毒的卤化物以及磷酸盐。因此，开发具有较高阻燃性能的环保阻燃剂对PS阻燃材料的发展具有重要的意义。本实验采用十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对氢氧化镁(MH)进行改性，并将其作为无机阻燃剂与PS复合制备了阻燃PS复合板。对阻燃PS复合板的微观形貌、阻燃性能以及燃烧特性进行了研究。1实验部分1.1主要原料氢氧化镁(MH)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、无水乙醇，分析纯，天津大茂化学试剂厂；通用聚苯乙烯(PS)，GP5250，东莞塑胶有限公司；液体石蜡，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备注射机，MH-150T，苏州铭辉塑胶机械有限公司；接触角测试仪，ZT-705SB，广东中天一起股份有限公司；比表面积测试仪(BET)，V-Sorb 2800TP，北京金埃普科技有限公司；热重分析仪，ZRT-B，北京京仪高科仪器有限公司；万能试验机，WE-300B，济南力领试验机有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM 5900LV，日本电子株式会社；氧指数测定仪，YN-HC2，东莞市南粤实验设备有限公司；热导率测试仪，2500-OT，瑞典Hot Disk公司；UL94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，苏州菲尼克斯仪器有限公司；锥形量热仪，FT-5，英国防火测试技术公司；旋转黏度计，NDJ-79，郑州南北仪器设备有限公司。1.3样品制备改性氢氧化镁(MMH)的制备：将氢氧化镁（MH）在100 ℃下干燥12 h，过80目筛。将1 000 mL 15%的MH浆料在90 ℃的油浴锅中搅拌加热2 h，加入15 g的SDBS继续搅拌。加热2 h后，将反应物进行抽滤得到白色固体，使用水和乙醇洗涤3次后，在100 ℃中进行烘干，将得到的固体物研磨，过80目筛，得到MMH。阻燃PS复合材料的制备：表1为阻燃PS复合材料的配方。分别将未改性的MH和MMH与PS按表1中的比例进行混合。在注射机中以195 ℃的温度进行注塑，时间为15 min。在温度为200 ℃，时间为20 min的条件下进行压片。冷却后，裁剪为4 cm×3 cm×2 cm的片状材料备用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.T001表1阻燃PS复合材料的配方Tab.1Formula of flame retardant PS composites样品氢氧化镁(MH)改性氢氧化镁(MMH)聚苯乙烯(PS)纯PS00100PS-MH3097PS-MMH-10199PS-MMH-20298PS-MMH-30397PS-MMH-40496份phr1.4性能测试与表征SEM恩熙：液氮脆断、喷金后观察样品表面形貌。TG分析：样品0.5 g，温度范围25~600 ℃，升温速率10 ℃/min。接触角测试：采用粉末接触角仪进行测量，计算时将未MMH的接触角表示为0°作为基准。比表面积测试：采用BET多点法进行测定，经过真空脱气，将样品放入冷阱，温度设置为78 K。放热速率测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流25 kW/m2，样品尺寸20 mm×20 mm×20 mm。LOI测试：按GB/T 2408—2008进行测试，样品尺寸100 mm×10 mm×10 mm。力学性能测试：按GB/T 14484—2008进行测试，加载速率2 mm/min，样品尺寸40 mm×30 mm×20 mm。热释放总量与产烟量测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流20 kW/m2，样品尺寸100 mm×10 mm×10 mm。热导率测试：按ISO22007-2:2008进行测试，样品尺寸40 mm×30 mm×20 mm。黏度测试：配置不同比例的MH-石蜡溶液并充分搅拌，测试温度25 ℃。2结果与讨论2.1MMH的性质分析表2为改性前后MH的比表面积及水接触角。从表2可以看出，改性后，MMH的比表面积及水接触角均变大，分别为(51.324±0.213) m2/g和23.7°，表明MH在经过SDBS修饰后，SDBS离子中的链烃与MH中的氢键相互吸引形成半胶束状态,从而增加了比表面积[6]。与此同时，在MH改性接枝SDBS后，由于半胶束状态的形成，表面由亲水向憎水性过渡，因而接触角变大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.T002表2改性前后MH的比表面积以及接触角Tab.2Surface area and contact angle of MH before and after modification样品比表面积/(m2·g-1)接触角/(°）MH46.234±0.2060MMH51.324±0.21323.72.2阻燃PS复合板的力学性能图1为阻燃PS复合板的拉伸强度以及断裂伸长率。图1阻燃PS复合板的拉伸强度和断裂伸长率Fig.1Tensile strength and elongation at break of flame retardant PS composite plate10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F001(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F002(b)断裂伸长率从图1可以看出，随着MMH的加入，PS复合材料的拉伸强度逐渐增加，在PS-MMH-3中达到最佳值19.23 MPa，而后开始降低。可能是因为MH作为一种无机纳米粒子，具有较高的拉伸强度，与PS进行共混时，可提高复合材料的机械强度。而MMH含量继续增加时(PS-MMH-4)，由于无机纳米粒子在材料中无法均匀分散，产生了一定的团聚，使聚合物基体原有的结构被破坏从而拉伸强度发生了一定的下降[7]。而在纯PS中，由于没有无机纳米粒子提供的机械强度，其拉伸性能最低，为6.23 MPa。在PS-MH中，由于MH的加入，其拉伸强度相较于纯PS有一定的提升，为8.62 MPa，但低于MMH填充PS复合材料，这是由于MMH提高了在聚合物基体中的相容性，可以有效地提高PS复合材料的拉伸强度。与拉伸强度类似，断裂伸长率随着MH的增加变化趋势与拉伸强度的变化趋势相同，在PS-MMH-3中达到最大值87%，说明PS-MMH-3具有较高的延伸性，可用于建筑材料中。图2为PS-MMH-3的微观形貌SEM照片。从图2可以看出，PS基体中有许多分散均匀的纳米颗粒，这些颗粒与PS基体进行有效复合，且分布较为致密。这一致密结构可在基体之间充当隔热剂以及黏连剂，从而提升材料的力学性能和阻燃性能[8]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F003图2PS-MMH-3的微观形貌SEM照片Fig.2SEM image of micromorphology of PS-MMH-32.3阻燃PS复合板的热稳定性图3为不同阻燃PS复合材料的TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F004图3不同阻燃PS复合材料的TG曲线Fig.3TG curves of different flame retardant PS composites从图3可以看出，在温度低于320 ℃时，6个样品的热解趋势基本相同。这是由于在低温区基本为PS发生分解，热解反应迅速，生成了大量的气体，导致PS复合材料的质量保留率快速降低。而在温度高于320 ℃之后，纯PS由于仅剩残留炭，因此质量保留率最低，为12%。而在加入MMH的复合PS材料中，由于MMH在高温下会分解为水和氧化镁，因此在残留物中残留了一定的氧化镁，因此，残炭率随着MMH的增加而增加。同时，PS-MMH-3的残炭率高于PS-MMH-4，这是由于PS-MMH-3的分散性较好，生成的气体以及氧化镁在材料表面生成了均匀的无机盐层，具有较低的热导率，从而材料内部未分解的部分起到了较好的保护[9]，因此，残炭率最高为22%。由分析可知，PS-MMH-3具有较好的阻燃潜力。2.4阻燃PS复合板的阻燃性能材料的LOI越高，说明该材料在燃烧状态下所需的氧气浓度就越高，因此，LOI越高的材料其阻燃性能就越好[10]。图4为不同PS复合材料的LOI。从图4可以看出，纯PS的LOI值最低，为25.6%。而随着MMH的加入，复合材料的LOI逐渐增加，并在PS-MMH-3中达到峰值，其LOI值为44.3%。这是由于MMH具有较高的热稳定性以及高效的促基材成炭作用，可以有效地发挥阻燃作用。并且MMH加入后，PS复合材料的LOI值高于加入MH的LOI值，产生这一结果的原因是MMH与聚合物基体可以进行有效的互容，并且其表面积较大，MMH颗粒上接枝较多的有机链烃可以延缓燃烧过程中氧气向材料内部的迁移速率[11]，因此，LOI值较高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F005图4不同PS阻燃复合材料的LOI值Fig.4LOI of different flame retardant PS composites图5为不同PS材料的热释放速率(HRR)。从图5可以看出，纯PS材料在较短的时间内即可达到热释放速率峰值(PHRR)，并在较短时间内就终止了热释放，说明其燃烧过程极其迅速。而在PS-MH中，由于MH的阻燃作用，其PHRR值较低，但是仍然在较短时间内结束了燃烧过程。在加入MMH之后，PS复合材料达到PHRR的过程较为平缓，燃烧过程不剧烈，说明MMH具有较好的阻燃效果。在PS-MMH-3中，PHRR最低，说明MMH对PS复合材料的燃烧过程具有较好的抑制作用，阻燃效果最佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F006图5不同PS阻燃复合材料的热释放速率Fig.5Heat release rate of different flame retardant PS composites图6为不同PS材料的产烟量以及产烟速率。从图6可以看出，与纯PS相比，加入MMH的PS复合材料的产烟量及产烟速率均降低，这是由于MMH在高温分解时产生的氧化镁层对材料内部起到阻隔作用，从而阻碍了热量的传播。且MMH含量越高时，分解时吸热以及产生的水较多，从而抑制PS的热分解并降低烟雾的浓度。因此，烟雾产生量以及产烟速率发生下降。此外，MMH的抑烟效果高于MH，在PS-MMH-3中产烟量以及产烟速率达到最低值，可能是因为PS-MMH-3中，MMH可以与PS基体进行较好的互容，在分解时燃烧残余物与未燃部分覆盖更加致密，因此，产烟量以及产烟速率均为最低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.F007图6不同阻燃PS复合材料的抑烟性能Fig.6Smoke suppression property of different flame retardant PS composites2.5阻燃PS复合板的耐腐蚀性能以及抗老化性能表3为将阻燃PS复合板浸泡在10%的盐酸和10%氢氧化钠溶液中24 h后，测试的耐腐蚀性能以及抗老化性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.04.012.T003表3阻燃PS复合板的耐腐蚀性能以及抗老化性Tab.3Corrosion resistance and aging resistance of flame retardant PS composite plate测试项目拉伸强度/MPa断裂伸长率/%LOI/%测试前19.238744.3盐酸14.567436.8氢氧化钠17.328242.3紫外老化16.237640.7从表3可以看出，经过酸碱腐蚀后，PMMH-3的各项性能都有一定的下降，且酸性环境对于PS-MMH-3的性能影响较大，这是由于一部分酸与MMH反应，从而降低了PS-MMH-3的性能。因此，在材料的使用过程中，需要注意环境的酸碱性。在经过紫外老化后，PS-MMH-3的性能也发生下降。原因是部分PS被老化，但由于PS本身具有较强的抗老化性，因此性能下降较低。综上所述，制备的PS-MMH-3材料具有一定的抗腐蚀性能以及抗老化性能，可以有效地用于建筑阻燃材料之中。3结论(1)MMH可以有效地提高材料的比表面积以及憎水性，从而提高其在PS基体中的分散性。(2)在PS-MMH-3中，由于MMH在PS基体中具有较高的分散性，因此，PS-MMH-3表现出较好的拉伸性能以及断裂伸长率，分别为19.23 MPa和87%。(3)PS-MMH-3表现出最佳的热稳定性、抑烟性能以及阻燃性能，LOI值达到44.3%，并且表现出较好的耐腐蚀性以及抗老化性，可以有效用于建筑阻燃材料中。