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部的物質遠離火焰，又能阻隔物質在燃燒過程中產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，這樣炭層內部物質產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，但是數量少，孔洞直徑也小，炭層對于阻隔炭層內部材料產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物質產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)樘繉右惶盍辖缑妫⑶液笳叩慕缑娼Y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。