Polyvinylchlorid (PVC) ist ein thermoplastischer Allzweckkunststoff. Hersteller verwenden es häufig in Baumaterialien aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften, guten Korrosionsbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und Flammhemmung. Obwohl starres PVC aufgrund der geringen Menge an Weichmacher Hinzu kommt, dass Flammschutz und Rauchunterdrückung noch verbesserungswürdig sind. Das liegt daran, dass PVC Chlor enthält, das bei der Verbrennung leicht große Mengen gesundheitsschädlicher säurehaltiger Gase freisetzen kann. Die hohen Preise der meisten Flammschutzmittel und ihr komplexer Herstellungsprozess erschweren die Massenproduktion, sodass nur sehr wenige eine echte Industrialisierung erreichen. Anorganische Flammschutzmittel wie Magnesiumhydroxid (MH) spielen nicht nur eine verstärkende Rolle, sondern weisen auch gute Rauchunterdrückungseigenschaften auf. Der Wasserdampf und das bei seiner Zersetzung entstehende Magnesiumoxid wirken in der Gasphase bzw. der kondensierten Phase flammhemmend und rauchunterdrückend.
Um die Auswirkungen eines synergistischen Flammschutzsystems bestehend aus GY-3000, HX-3000, GY-6000 Magnesiumhydroxidpulver und Antimontrioxid auf die mechanischen und flammhemmenden Eigenschaften von Hart-PVC-Materialien zu untersuchen, haben Forscher die in der folgenden Tabelle dargestellte Formel entwickelt.
| Formulierungstabelle des synergistischen Flammschutzsystems aus Antimontrioxid und Zinkoxid | |||||||||||
| Formulierungskomponenten | Formulierungscode | ||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| aus PVC | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Zinkpulver (GY-616) | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Zinkoxid GY-3000 | – | – | 4 | 8 | 12 | – | – | – | – | – | – |
| Zinkoxid HX-3000 | – | – | – | – | – | 4 | 8 | 12 | – | – | – |
| Zinkoxid GY-6000 | – | – | – | – | – | – | – | – | 4 | 8 | 12 |
| Antimontrioxid | – | 5 | 4 | 3 | 2 | 4 | 3 | 2 | 4 | 3 | 2 |
| Zink-Kalzium Verbundstabilisator | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| Stearinsäure | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| PE-Wachs | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 |
| CPE | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| DOP | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| Grundlegende physikalische Parameter von Zinkoxid GY-3000, HX-3000, GY-6000 | |||||
| Marke | D50 (μm) | D97 (μm) | Spezifische Oberfläche (m²/g) | Weißgrad (°) | Ölabsorptionswert (ml/100 g) |
| GY-3000 | 3.538 | 11.16 | 12.566 | 92 | 34 |
| HX-3000 | 3.564 | 11.25 | 11.864 | 92 | 28 |
| GY-6000 | 1.37 | 3.596 | 20.877 | 95 | 36 |
Die Forscher mischen die Materialien gemäß den Anteilen in der Formeltabelle und geben sie in den Extruderzylinder. Der Extruder verarbeitet die Mischung dann bei 180 °C bis 195 °C zu 5 mm dünnen Platten. Anschließend schneiden die Forscher sie in entsprechende Größen für Proben mit Sauerstoffindex (80 mm × 10 mm × 5 mm), Rauchdichte (25 mm × 25 mm × 3 mm), Zugfestigkeit (150 mm × 10 mm × 5 mm) und Aufprallfestigkeit (80 mm × 10 mm × 5 mm).
Die Forscher messen die Partikelgröße und -verteilung des Pulvers mit einem Laser-Partikelgrößenanalysator. Die spezifische Oberfläche testen sie mit einem BET-Oberflächenmessgerät.
Weiße: Getestet gemäß Standard GB/T 5950-2008.
Ölabsorption: Getestet gemäß Standard DB/T 5211.15-2014.
Die experimentellen Testergebnisse sind wie folgt:
| Formel | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Zugfestigkeit (Mpa) | 27.35 | 28.28 | 24.71 | 18.84 | 25.33 | 27.88 | 26.95 | 27.10 | 26.02 | 28.21 | 28.93 |
| Schlagfestigkeit (Mpa) | 3.27 | 4.55 | 4.00 | 3.20 | 2.81 | 3.99 | 3.90 | 4.13 | 3.18 | 4.18 | 5.43 |
| Sauerstoffindex LOI (%) | 36.80 | 43.80 | 46.80 | 47.60 | 46.60 | 46.20 | 46.40 | 45.60 | 45.80 | 46.80 | 47.00 |
| Maximale Rauchdichte (%) | 93.61 | 84.98 | 82.45 | 75.75 | 72.48 | 80.69 | 84.29 | 75.48 | 84.14 | 89.23 | 74.64 |
| Rauchdichte | 68.25 | 64.75 | 63.52 | 61.97 | 55.31 | 62.78 | 65.48 | 61.92 | 67.24 | 64.41 | 61.74 |
Sauerstoffindex: Getestet gemäß Standard GB/T 2406.2-2009.
Rauchdichte: Getestet gemäß Standard GB/T 8627-2007.
Mechanische Eigenschaften: Die Tests der plastischen Zugeigenschaften und der Schlagfestigkeit von Kragträgern wurden gemäß den Standards GB/T 1040.1-2006 und GB/T 1843-2008 durchgeführt.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, beträgt die Zugfestigkeit ohne Flammschutzmittel 27,3 MPa, und die Zugfestigkeit von PVC mit alleiniger Zugabe von Sb₂O₃ wird leicht auf 28,3 MPa verbessert. Die Zugabe von MH zu GY-3000 führt zu einer leichten Abnahme der Zugfestigkeit des Produkts. Die Zugfestigkeit von HX-3000 nimmt nicht ab, und die Zugfestigkeit der Formel Nr. 5 (die 1 Teil Sb₂O₃ durch 4 Teile MH ersetzt) beträgt 27,8 MPa. Dies zeigt, dass die Kompatibilität von HX-3000 mit PVC nach der Oberflächenbehandlung verbessert wird, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden.
Wenn dem MH-Verbundwerkstoff 4 Teile GY-6000 zugesetzt werden, nimmt die Zugfestigkeit ab, doch mit zunehmender MH-Menge steigt die Zugfestigkeit allmählich an und erreicht maximal 28,9 MPa. Dies ist deutlich höher als bei anderen Formeln, was darauf hindeutet, dass die kleinere Partikelgröße von MH die Kontaktfläche mit PVC vergrößert, was zu einer verbesserten Zugfestigkeit führt.
Wie aus der Tabelle ersichtlich, beträgt die Schlagfestigkeit ohne Flammschutzmittel 3,27 MPa, und die Schlagfestigkeit von PVC mit nur zugesetztem Sb₂O₃ steigt deutlich auf 4,55 MPa. Durch Zugabe von 4 Teilen GY-3000 zum MH-Verbundwerkstoff wird die Schlagfestigkeit erheblich auf 4 MPa erhöht. Mit weiter steigendem Gehalt nimmt jedoch die Schlagfestigkeit des Verbundwerkstoffs ab. Die Schlagfestigkeit von aktivem HX-3000 steigt deutlich auf 4,13 MPa, was zeigt, dass die Oberflächenbehandlung die mechanischen Eigenschaften wirksam verbessert. Die Schlagfestigkeit des GY-6000 MH-Verbundwerkstoffs zeigt den stärksten Anstieg. Durch die Zugabe von mehr MH steigt die Schlagfestigkeit schnell an und erreicht ein Maximum von 5,42 MPa, was erheblich höher ist als bei anderen Formeln. Dies deutet darauf hin, dass die feinere Partikelgröße zu einem verbesserten Mikrokügelchen-Verhärtungseffekt führt und die Schlagzähigkeit erheblich verbessert.
Die Sauerstoffindexdaten in der Tabelle zeigen, dass die Zugabe von Magnesiumhydroxid den Sauerstoffindex des PVC-Verbundwerkstoffs deutlich verbessert. Die Zugabe von 8 Teilen GY-3000 erhöht den Sauerstoffindex auf maximal 47,6%. Der Sauerstoffindex von HX-3000 war etwas niedriger. Dies kann auf die Wirkung des Tensids auf der Außenfläche zurückzuführen sein, ist jedoch immer noch höher als bei PVC ohne Flammschutzmittel. Durch die Zugabe von mehr GY-6000 erhöht sich der Sauerstoffindex und erreicht maximal 47%.
Die Daten zur Rauchunterdrückung zeigen, dass die Zugabe von Flammschutzmitteln die Rauchdichte des PVC-Verbundwerkstoffs deutlich reduziert. Die Verwendung von Sb₂O₃ allein senkt die maximale Rauchdichte auf 85%, während GY-3000 die beste Rauchunterdrückungswirkung bietet. Mit zunehmender Menge von GY-3000 verbessert sich seine Rauchunterdrückungswirkung weiter und reduziert die minimale Rauchdichte auf 72,5%. Die Rauchunterdrückungswirkung von HX-3000 und GY-6000 ist etwas geringer als die von GY-3000, wobei die minimalen maximalen Rauchdichtewerte 75,48% bzw. 74,64% betragen.
Abschluss
Durch die Untersuchung der Flammschutz-, Rauchunterdrückungs- und mechanischen Eigenschaften von Magnesiumhydroxid-Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Typen und Komponenten sind die Schlussfolgerungen wie folgt:
Der Sauerstoffindex von PVC-Verbundwerkstoffen wird durch die Zugabe von Magnesiumhydroxid deutlich verbessert. Bei Zugabe von 8 Teilen GY-3000 erreicht der Sauerstoffindex maximal 47,6%. Je mehr GY-6000 hinzugefügt wird, desto höher ist der Sauerstoffindex, wobei der maximale Sauerstoffindex 47% erreicht.
GY-3000 hat die beste Rauchunterdrückungswirkung. Mit zunehmender Menge an hinzugefügtem GY-3000 verbessert sich die Rauchunterdrückungswirkung weiter, wobei die minimale Rauchdichte auf 72,51 TP3T sinkt. Die Rauchunterdrückungswirkung von HX-3000 und GY-6000 ist etwas geringer als die von GY-3000, mit minimalen und maximalen Rauchdichten von 75,51 TP3T bzw. 74,61 TP3T.
Die Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit des Verbundwerkstoffs mit 12 Teilen hinzugefügtem GY-6000 MH sind am höchsten und erreichen 28,9 MPa bzw. 5,4 MPa.
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