聚氯乙烯(PVC)具有优异的力学性能、耐腐蚀性能、阻燃隔热等优点，目前已经成为第二大通用高分子材料[1]，被广泛用于建筑、管材等行业。然而，PVC复合材料具有较低的极限氧指数，导致阻燃性能显著降低，不利于其在阻燃材料中的应用，故PVC管材中需要加入阻燃剂以改善PVC的阻燃性能[2]。因此，开发一种具有较好阻燃性能的PVC复合管材对扩展PVC在建筑阻燃领域的应用具有重要意义。用于PVC的阻燃剂主要包含无机阻燃剂和有机阻燃剂[3]。目前，常用的商业无机阻燃剂主要包括氢氧化铝和氢氧化镁，无机阻燃剂加入PVC在一定程度上会导致PVC复合材料的极限氧指数增大。然而，阻燃剂增加至一定含量，PVC复合材料的极限氧指数不再继续增加[4]。此外，无机阻燃剂与PVC基体之间黏合力较差，严重降低PVC复合材料的力学性能。常用的有机阻燃剂分为含卤素阻燃剂和含磷阻燃剂，这些阻燃剂使材料在燃烧过程中产生大量的有毒气体如HCl，不利于环境保护[5]。此外，有机阻燃剂的合成成本较大，不利于实际应用。近年来，聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)作为一种芳纶纤维，具有较高的力学强度、较强耐热性以及低成本等特点，已经被广泛用于增强材料[6]。本实验将PVC与PPTA进行共混制备PVC/PPTA复合材料，并对其力学性能、热稳定性、阻燃性能以及耐久性进行研究，评估其在阻燃建筑管材的应用。1实验部分1.1主要原料聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)，芳纶1414，美国杜邦公司；聚氯乙烯(PVC)，SG5，纯度99.8%，沧州三塑责任有限公司；N-N二甲基甲酰胺，分析纯，国药制药有限公司；偶联剂，NDE-311，天津市科密欧化学试剂有限公司；硬脂酸，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；二甲基亚砜，分析纯，天津大茂试剂有限公司。1.2仪器与设备扫描电子显微镜(SEM)，S4800，日本日立公司；热重分析仪(TG)，Q600 SDT，美国TA公司；电子万能试验机，WDW-600，长春科新试验仪器有限公司；极限氧指数测试仪，HC-C，江宁机械制造厂；锥形量热仪，BT300-2J，苏州菲尼克斯质检仪器有限公司；垂直燃烧仪，CZF-6，南京江宁分析仪器有限公司。1.3样品制备PPTA纤维的制备：将10 g PPTA与33 mL二甲基亚砜混合，室温下搅拌24 h得到均一的分散液。将分散液抽滤后，冷冻干燥得到疏松的PPTA纤维。PVC/PPTA复合材料的制备：表1为PVC/PPTA复合材料的配方。将分散后PPTA纤维、PVC、硬脂酸以及偶联剂按一定比例与50 mL的N-N二甲基甲酰胺进行混合并超声分散1 h，升温至60 ℃并搅拌12 h。反应结束将混合溶液倒入不同的模具中，60 ℃下干燥24 h得到PVC/PPTA复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.T001表1PVC/PPTA复合材料的配方Tab.1Formula of PVC/PPTA composites样品PVC芳纶硬脂酸偶联剂PVC3000.450.17PVC/PPTA-128.51.50.450.17PVC/PPTA-22730.450.17PVC/PPTA-325.54.50.450.17PVC/PPTA-42460.450.17gg1.4性能测试与表征SEM分析：样品在液氮中冷冻脆断，对断面喷金处理，观察断面形貌。TG分析：N2气氛，温度范围25~825 ℃，升温速率10 ℃/min。拉伸强度测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，拉伸速率10 mm/min。弯曲强度测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率为2 mm/min。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，摆锤能量设置为10 J。极限氧指数测试：按ASTMD 2863—2017进行测试，样品尺寸为100 mm×10 mm×10 mm。锥形量热仪测试：按ASTME 1354进行测试，功率设置为50 kW/m2，样品尺寸为80 mm×80 mm×20 mm。耐久性测试：将样品放置80 ℃的烘箱中老化72 h，对其拉伸强度、弯曲强度以及极限氧指数进行测试，计算其性能下降率。2结果与讨论2.1PVC/PPTA复合材料的SEM分析图1为PPTA、PVC以及PVC/PPTA复合材料的SEM照片。从图1a可以看出，PVC表面呈现无定型状态，基体之间无明显的相分离。从图1b可以看出，PPTA表面出现一定的褶皱。从图1c可以看出，PPTA与PVC基体复合较好。从图1d可以看出，PPTA良好嵌入PVC基体中，证明PPTA与PVC具有较好的相容性，并且PPTA与PVC基体能够产生一定的机械互锁作用，增大PPTA与PVC基体之间的界面摩擦，有效提高PVC/PPTA复合材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F001图1PVC、PPTA和PVC/PPTA的SEM照片Fig.1SEM images of PVC， PPTA and PVC/PPTA2.2PVC/PPTA复合材料的热稳定性图2为不同PVC/PPTA复合材料的TG曲线。从图2可以看出，PPTA的热稳定性高于PVC。对于纯PVC，80 ℃左右样品失去结合水。325 ℃时PVC开始脱HCl。500 ℃后为PVC脱去HCl的成炭阶段。PPTA中，120 ℃开始失去分子中的结合水；在431~578 ℃时，失去分子中的N2，质量损失率达到60%；在578 ℃之后，主要为PPTA中烃类的分解以及成炭过程[7-8]。对于PVC/PPTA复合材料，随着PPTA含量的增加，复合材料热稳定性逐渐增加，并且PVC/PPTA-3热稳定性最好，其最大质量损失温度为643 ℃，质量保留率达到34%。这主要是PPTA相比PVC具有更好的热稳定性。然而PVC/PPTA-4中PPTA含量过多，造成一部分PPTA缠结团聚，使PPTA与PVC之间的结合降低，影响热质交换的通道使热稳定性下降[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F002图2不同PVC/PPTA复合材料的TG曲线Fig.2TG curves of different PVC/ PPTA composites2.3PVC/PPTA复合材料的力学性能图3为不同PVC/PPTA材料的拉伸强度与断裂伸长率。从图3可以看出，随着PPTA含量的增加，PVC/PPTA复合材料的拉伸强度以及断裂伸长率均呈现先增加后下降的趋势。PVC/PPTA-3的拉伸强度和断裂伸长率达到最大值，分别为68.9 MPa，为254%。这是由于PPTA表面具有一定的粗糙度，可以有效增强PPTA与PVC基体之间的界面结合力，受应力时PPTA可以有效吸收能量，使PVC/PPTA复合材料产生较大的塑性形变，对复合体系起增韧的作用。此外，PPTA具有较大的长径比，可以有效提高复合材料的力学性能。PVC/PPTA-3满足排水用硬聚氯乙烯管材指标（拉伸强度≥40 MPa）[10]，可以有效用于建筑管材。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F003图3不同PVC/PPTA复合材料的拉伸强度与断裂伸长率Fig.3Tensile strength and elongation at break of different PVC/PPTA composites图4为不同PVC/PPTA复合材料的弯曲强度。从图4可以看出，纯PVC的弯曲强度为32.4 MPa。而随着PPTA含量的增加，PVC/PPTA的弯曲强度先增加后下降，PVC/PPTA-3达到最大值，为43.6 MPa。这是由于PPTA具有较大的长径比以及较大的粗糙度，可以有效增加复合材料的力学性能。而PVC/PPTA-4的力学性能下降源于较多的PPTA缠结，导致PPTA与PVC基体之间接触较差，降低弯曲强度。因此，PVC/PPTA-3可以满足建筑管材应用条件。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F004图4不同PVC/PPTA复合材料的弯曲强度Fig.4Bending strength of different PVC/PPTA composites2.4PVC/PPTA复合材料的阻燃性能图5为不同PVC/PPTA复合材料的LOI值。从图5可以看出，纯PVC的LOI值最低，为20.9%，说明PVC的阻燃性能较低。而加入PPTA后，PVC/PPTA复合材料的LOI值增加，PVC/PPTA-3达到最大值，为43.6%。这是由于PPTA具有较好的热稳定性，热量传递低于纯PVC。此外，PPTA受热分解时产生的CO2以及N2等气体可以有效抑制氧气以及热量的传输，并且这些气体可以有效吸收空气中热量，使可燃气体的浓度下降，增加复合材料的阻燃性能[11]。PVC/PPTA-3符合阻燃套管及配件技术性能中规定的极限LOI值≥32%，可以用于建筑阻燃管材。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F005图5不同PVC/PPTA复合材料的LOI值Fig.5LOI values of different PVC/PPTA composites图6为不同PVC/PPTA复合材料的热释放速率，图7为不同PVC/PPTA复合材料的总热释放量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F006图6不同PVC/PPTA复合材料的热释放速率Fig.6Heat release rates of different PVC/PPTA composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.F007图7不同PVC/PPTA复合材料的总放释放量Fig.7Total heat release of different PVC/PPTA composites从图6和图7可以看出，纯PVC在140 s达到热释放速率峰值，为793 kW/m2，总热释放量达到82.6 MJ/m2。相比于PVC，随着PPTA含量的增加，PVC/PPTA复合材料的热释放速率峰值以及总热释放量均发生下降，达到最大热释放速率的时间增加。PVC/PPTA-3达到热释放速率峰值的时间最长，在148 s达到568 kW/m2，与PVC相比时间增加5.71%，热释放速率峰值降低30.6%；总热释放量为69.2 MJ/m2，相比PVC下降16.22%。这说明PPTA的加入可以有效降低PVC/PPTA复合材料剧烈燃烧的时间，使复合材料难以充分燃烧，提高复合材料使用安全性。表2为不同PVC/PPTA复合材料的燃烧状态以及燃烧等级。从表2可以看出，PVC的点燃时间为13 s，并且发生滴落，说明其极易燃烧且难以自熄，UL-94测试无等级。而PVC/PPTA的点燃时间相较PVC逐渐增加，并且燃烧状态发生改变。PVC/PPTA-3的点燃时间最长，达到27 s，燃烧时不发生滴落，说明其燃烧程度较低，并且具有一定的自熄性，UL-94测试达到V-0。因此，PVC/PPTA-3具有最佳的阻燃性能，可以作为阻燃建筑管材材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.T002表2不同PVC/PPTA复合材料的燃烧状态以及燃烧等级Tab.2Combustion status and grade of different PVC/PPTA composites样品点燃时间/s滴落状态垂直燃烧等级PVC13滴落无等级PVC/PPTA-118滴落无等级PVC/PPTA-221滴落V-0PVC/PPTA-327无滴落V-0PVC/PPTA-424无滴落V-02.5PVC/PPTA复合材料的耐久性建筑管材在日常使用中会受到高温日晒等老化，导致管材性能下降，因此对PVC/PPTA复合材料的耐久性进行研究，表3为测试结果。从表3可以看出，受高温老化后，不同复合材料的力学性能以及LOI值随着PPTA的增加，呈现先下降后增加的趋势，外观由起泡变为不起泡。PVC/PPTA-3的力学性能下降率以及LOI值下降率最低，拉伸强度下降12.6%，弯曲强度下降8.6%和LOI下降3.8%，在高温老化后并无起泡开裂现象，满足排水用硬聚氯乙烯管件产品指标规定，说明PVC/PPTA-3具有优异的耐久性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.09.011.T003表3不同PVC/PPTA复合材料的耐久性Tab.3Durability of different PVC/PPTA composites样品拉伸强度下降率/%弯曲强度下降率/%LOI值下降率/%外观PVC23.119.810.9起泡，开裂PVC/PPTA-119.615.18.2起泡，开裂PVC/PPTA-216.813.26.3无起泡开裂PVC/PPTA-312.68.63.8无起泡开裂PVC/PPTA-414.510.24.5无起泡开裂3结论（1）PPTA与PVC混合能够制备具有优异力学性能以及阻燃性能的PVC/PPTA复合材料。PVC/PPTA-3具有最佳的热稳定性，质量保留率达到34%；同时具有最佳的拉伸强度、断裂伸长率以及弯曲强度，分别为68.9 MPa，254%以及43.6 MPa；且阻燃性能最好，LOI值为43.6%。（2）PVC/PPTA-3的耐久性最好，经过高温老化仍然具有较好的性能，因此可以有效用于建筑阻燃管材。