Il cloruro di polivinile (PVC) è una plastica termoplastica multiuso. I produttori la utilizzano ampiamente nei materiali da costruzione per le sue eccellenti proprietà meccaniche, la buona resistenza alla corrosione, le proprietà anti-invecchiamento e la ritardanza di fiamma. Sebbene il PVC rigido abbia migliori proprietà ritardanti di fiamma rispetto ai materiali in PVC morbido a causa della piccola quantità di plastificante aggiunto, necessita ancora di miglioramenti in termini di ignifugazione e soppressione del fumo. Questo perché il PVC contiene cloro, che può facilmente produrre una grande quantità di gas acidi nocivi durante la combustione. Gli alti prezzi della maggior parte dei ritardanti di fiamma e il loro complesso processo di preparazione rendono difficile la produzione di massa, quindi solo pochi riescono a raggiungere una vera industrializzazione. I ritardanti di fiamma inorganici, come l'idrossido di magnesio (MH), non solo svolgono un ruolo di rinforzo, ma presentano anche buone proprietà di soppressione del fumo. Il vapore acqueo e l'ossido di magnesio prodotti dalla sua decomposizione svolgono un ruolo di ritardante di fiamma e di soppressione del fumo rispettivamente nella fase gassosa e nella fase condensata.
Per studiare gli effetti di un sistema ignifugo sinergico composto da polvere di idrossido di magnesio GY-3000, HX-3000, GY-6000 e triossido di antimonio sulle proprietà meccaniche e ignifughe dei materiali in PVC rigido, i ricercatori hanno ideato la formula riportata nella tabella seguente.
| Tabella di formulazione del sistema ritardante di fiamma sinergico di triossido di antimonio e ossido di zinco | |||||||||||
| Componenti della formulazione | Codice di formulazione | ||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| PVC | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| Polvere di zinco (GY-616) | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 |
| Ossido di zinco GY-3000 | – | – | 4 | 8 | 12 | – | – | – | – | – | – |
| Ossido di zinco HX-3000 | – | – | – | – | – | 4 | 8 | 12 | – | – | – |
| Ossido di zinco GY-6000 | – | – | – | – | – | – | – | – | 4 | 8 | 12 |
| Triossido di antimonio | – | 5 | 4 | 3 | 2 | 4 | 3 | 2 | 4 | 3 | 2 |
| Zinco-Calcio Stabilizzatore composito | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 |
| Acido stearico | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| Cera PE | 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 |
| Parametri fisici di base dell'ossido di zinco GY-3000, HX-3000, GY-6000 | |||||
| Marca | D50 (μm) | D97 (μm) | Superficie specifica (m²/g) | Bianchezza (°) | Valore di assorbimento dell'olio (mL/100g) |
| Modello GY-3000 | 3.538 | 11.16 | 12.566 | 92 | 34 |
| Modello HX-3000 | 3.564 | 11.25 | 11.864 | 92 | 28 |
| Motore GY-6000 | 1.37 | 3.596 | 20.877 | 95 | 36 |
I ricercatori mescolano i materiali in base alle proporzioni nella tabella delle formule e li inseriscono nel cilindro dell'estrusore. L'estrusore quindi elabora la miscela in fogli sottili da 5 mm a 180℃-195℃. Quindi i ricercatori li tagliano nelle dimensioni corrispondenti per i campioni di indice di ossigeno (80 mm × 10 mm × 5 mm), densità del fumo (25 mm × 25 mm × 3 mm), resistenza alla trazione (150 mm × 10 mm × 5 mm) e impatto (80 mm × 10 mm × 5 mm).
I ricercatori misurano la dimensione delle particelle e la distribuzione della polvere utilizzando un analizzatore laser delle dimensioni delle particelle. Testano l'area superficiale specifica utilizzando un misuratore di area superficiale BET.
Bianchezza: Testato secondo lo standard GB/T 5950-2008.
Assorbimento dell'olio: Testato secondo la norma DB/T 5211.15-2014.
I risultati dei test sperimentali sono i seguenti:
| Formula | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| Resistenza alla trazione (Mpa) | 27.35 | 28.28 | 24.71 | 18.84 | 25.33 | 27.88 | 26.95 | 27.10 | 26.02 | 28.21 | 28.93 |
| Resistenza all'impatto (Mpa) | 3.27 | 4.55 | 4.00 | 3.20 | 2.81 | 3.99 | 3.90 | 4.13 | 3.18 | 4.18 | 5.43 |
| Indice di ossigeno LOI (%) | 36.80 | 43.80 | 46.80 | 47.60 | 46.60 | 46.20 | 46.40 | 45.60 | 45.80 | 46.80 | 47.00 |
| Densità massima del fumo (%) | 93.61 | 84.98 | 82.45 | 75.75 | 72.48 | 80.69 | 84.29 | 75.48 | 84.14 | 89.23 | 74.64 |
| Livello di densità del fumo | 68.25 | 64.75 | 63.52 | 61.97 | 55.31 | 62.78 | 65.48 | 61.92 | 67.24 | 64.41 | 61.74 |
Indice di ossigeno: Testato secondo la norma GB/T 2406.2-2009.
Densità del fumo: Testato secondo la norma GB/T 8627-2007.
Proprietà meccaniche: Le prove sulle proprietà di trazione plastica e sulla resistenza all'impatto della trave a sbalzo sono state eseguite in conformità con gli standard GB/T 1040.1-2006 e GB/T 1843-2008.
Come si vede dalla tabella, la resistenza alla trazione senza alcun ritardante di fiamma è di 27,3 MPa, e la resistenza alla trazione del PVC con solo Sb₂O₃ aggiunto è leggermente migliorata a 28,3 MPa. L'aggiunta di MH a GY-3000 determina una leggera diminuzione della resistenza alla trazione del prodotto. La resistenza alla trazione di HX-3000 non diminuisce, e la resistenza alla trazione della formula n. 5 (che sostituisce 1 parte di Sb₂O₃ con 4 parti di MH) è di 27,8 MPa. Ciò indica che la compatibilità di HX-3000 con PVC è migliorata dopo il trattamento superficiale, migliorando così le proprietà meccaniche.
Quando si aggiungono 4 parti di GY-6000 al materiale composito MH, la resistenza alla trazione diminuisce, ma con l'aumentare della quantità di MH aggiunta, la resistenza alla trazione aumenta gradualmente, raggiungendo un massimo di 28,9 MPa. Questo valore è significativamente più alto rispetto ad altre formule, il che suggerisce che la dimensione più piccola delle particelle di MH aumenta la sua area di contatto con il PVC, portando a prestazioni di trazione migliorate.
Come si vede dalla tabella, la resistenza all'impatto senza alcun ritardante di fiamma è di 3,27 MPa, e la resistenza all'impatto del PVC con solo Sb₂O₃ aggiunto diventa significativamente di 4,55 MPa. Aggiungendo 4 parti di GY-3000 al materiale composito MH aumenta notevolmente la resistenza all'impatto a 4 MPa. Tuttavia, man mano che il contenuto continua ad aumentare, la resistenza all'impatto del materiale composito diminuisce. La resistenza all'impatto dell'HX-3000 attivo aumenta significativamente, raggiungendo 4,13 MPa, dimostrando che il trattamento superficiale migliora efficacemente le proprietà meccaniche. La resistenza all'impatto del materiale composito MH GY-6000 mostra il maggiore aumento. Con più MH aggiunto, la resistenza all'impatto aumenta rapidamente, raggiungendo un massimo di 5,42 MPa, che è significativamente più alto rispetto ad altre formule. Ciò suggerisce che la dimensione più fine delle particelle porta a un effetto di indurimento delle microsfere migliorato, migliorando notevolmente la tenacità all'impatto.
I dati dell'indice di ossigeno nella tabella mostrano che l'aggiunta di idrossido di magnesio migliora significativamente l'indice di ossigeno del materiale composito in PVC. L'aggiunta di 8 parti di GY-3000 aumenta l'indice di ossigeno fino a un massimo di 47,6%. L'indice di ossigeno di HX-3000 era leggermente inferiore. Ciò potrebbe essere dovuto all'effetto del tensioattivo sulla superficie esterna, ma è comunque superiore al PVC senza alcun ritardante di fiamma. Aggiungendo più GY-6000, l'indice di ossigeno aumenta, raggiungendo un massimo di 47%.
I dati sulla soppressione del fumo mostrano che l'aggiunta di ritardanti di fiamma riduce significativamente il livello di densità del fumo del materiale composito in PVC. L'uso di Sb₂O₃ da solo riduce la densità massima del fumo a 85%, mentre GY-3000 fornisce il miglior effetto di soppressione del fumo. Con l'aumento della quantità di GY-3000, il suo effetto di soppressione del fumo continua a migliorare, riducendo la densità minima del fumo a 72,5%. Gli effetti di soppressione del fumo di HX-3000 e GY-6000 sono leggermente inferiori a quelli di GY-3000, con i valori minimi e massimi della densità del fumo pari rispettivamente a 75,48% e 74,64%.
Conclusione
Studiando le proprietà ignifughe, di soppressione del fumo e meccaniche dei materiali compositi di idrossido di magnesio con diverse tipologie e componenti, le conclusioni sono le seguenti:
L'indice di ossigeno dei materiali compositi in PVC con l'aggiunta di idrossido di magnesio è notevolmente migliorato. Quando si aggiungono 8 parti di GY-3000, l'indice di ossigeno raggiunge un massimo di 47,6%. Più GY-6000 viene aggiunto, maggiore è l'indice di ossigeno, con l'indice di ossigeno massimo che raggiunge 47%.
GY-3000 ha il miglior effetto di soppressione del fumo. Man mano che aumenta la quantità di GY-3000 aggiunta, l'effetto di soppressione del fumo continua a migliorare, con la densità minima del fumo che scende a 72,5%. Gli effetti di soppressione del fumo di HX-3000 e GY-6000 sono leggermente inferiori a quelli di GY-3000, con densità minima massima del fumo di 75,5% e 74,6%, rispettivamente.
La resistenza alla trazione e la resistenza all'impatto del materiale composito con l'aggiunta di 12 parti di GY-6000 MH sono le più elevate, raggiungendo rispettivamente 28,9 MPa e 5,4 MPa.
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