HPL砂光粉/HDPE复合材料的阻燃性能和抗静电性能
摘要：论文以HPL砂光粉作为增强相，HDPE作为基体，并加入功能助剂，制备功能型木塑复合材料，并探究该材料的阻燃性能和抗静电性能。通过对HPL砂光粉/HDPE复合材料成分的介绍及理化性质的概述，进一步阐述它的研究现状及意义。
关键词：HPL砂光粉/HDPE复合材料、木塑复合材料、阻燃性、抗静电性
1 背景及意义
木塑复合材料（Wood plastic composites, WPC）是以天然植物纤维填料和塑料为主要原料，采用植物纤维改性及改善界面相容性等方法，将废弃的天然植物纤维、废旧塑料与助剂一起熔融、混炼制成颗粒，再加工成型的一种新型环保材料[1]。用于制造木塑复合材料的热塑性塑料主要由聚乙烯（Polyethylene, PE）、聚丙烯（Polypropylene, PP）、聚苯乙烯（Polystyrene, PS）、聚氯乙烯（Plyvinyl Chloride, PVC）等聚烯烃类，包括新料，回收料以及二者的混合料。纤维部分最初是以木材为主要原料，近年来也正向其他植物纤维材料拓展，如木粉、麦秸等资源丰富的天然植物纤维。砂光粉（High-pressure decorative laminated sheets, HPL）/高密度聚乙烯（High Density Polyethylene， HDPE）复合材料就是以植物纤维和热塑性树脂作为填料经热处理后复合而成的一种新材料。从当前全球资源日益枯竭的形势看，一方面要尽量减少木材采伐量，另一方面为提高木材利用率，由此WPC可作为极具发展前途的生态环保型复合材料，具有良好的生态效益和经济效益，发展前景广阔[2]。随着环境保护压力的增加，锯截产生的废料及HPL砂光粉的资源化利用得到重视。木塑复合材料兼备木材和塑料的双重特性，其质感与性能兼有塑料与木材的优点。克服木质材料吸水率高，易变形开裂和被虫蛀霉变的缺点，并具有许多木材所没有的特性如质轻、防潮、耐酸碱等优点。
由于木质纤维和热塑性塑料都具有易燃特点，燃烧热值很大，且燃烧可能释放大量有毒气体，污染环境。因此WPC使用时在安全问题方面引起了高度重视。HPL简称高压装饰板，又称防火板，学名为热固性树脂浸渍纸高压层积板，是由酚醛树脂浸渍纸为芯（底）层和由氨基树脂浸渍纸为面层，经加热在高压下胶合而成的一种装饰材料，因其具有坚硬光亮的表面以及良好的耐水、耐磨等特殊的物理力学性能，被广泛用于室内装饰装修、车船制造等领域[3]。这种材料不同于传统的复合板和其他一些材料，它的耐腐性、可塑性让它具有更长的使用寿命，最外层免去喷漆等额外装饰处理更加符合当今的环保理念。HPL砂光粉是一种植物纤维，由植物纤维增强的聚乙烯复合材料作为一种新型的复合材料是近年来国内外研究热点之一，目前已在汽车、运输方面得到应用。与玻璃纤维增强复合材料相比，植物纤维增强复合材料具有密度低、可回收、易降解、可再生、隔音效果好等优点[4]。HDPE是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。因其优异的介电、耐腐等性能常用作电线电缆的包覆材料，但它作为WPC的基体本身易燃，氧指数（LOI）低，每年发生的电气火灾事故中因电线阻燃性能差而引起的二次起火所占比例很大。因此必须提高HDPE的阻燃性能，才能安全使用。所以对于本课题HPL砂光粉/HDPE复合材料进行阻燃性能的探究是很有必要的。
木质纤维有很强的静电效应，塑料虽为良好的电绝缘体，两种材料进行复合后制备而成的WPC同样属于电的不良导体。在日常摩擦使用中，材料表面会积聚大量静电荷，遇到易燃物质可能会发生爆炸。静电主要是通过摩擦和电荷的相互吸引引起电荷的重新分布而形成的。静电现象在HDPE的生产、加工和使用过程中是非常普遍的，但HDPE的体积电阻率很大，因而带上静电后很难消除。这些电荷的积聚正是导致生产障碍、火灾、爆炸和电击等灾害的根源。且这种静电荷如果过多集聚会对人身体健康带来危害，干扰仪器的正常运行。因此在一些特殊场合应用时进行抗静电处理是很有必要的[5]。HDPE的静电现象在一定程度上也限制了HPL砂光粉/HDPE复合材料的使用范围。当前，对于抗静电性能的研究,绝大多数是停留在纯高聚物的研究[6，7，8，9],对于HPL/HDPE复合材料甚至普通的木塑复合材料的研究少有耳闻[10]。同时随着HPL砂光粉应用范围的扩大,对其阻燃性能的要求也在不断提高。因此要对本项研究持续开展。
木材的阻燃主要是通过采用物理或化学的方法抑制其热分解过程以及气相和固相的氧化反应，减少火焰传播速度，从而延缓木材燃烧。阻燃机理主要包括覆盖作用、热量吸收、成炭作用等[11，12]。目前WPC常用的阻燃处理方法是添加阻燃剂法和表面涂覆法。阻燃剂法即将阻燃剂与木质纤维材料及树脂材料融合，再经过一定的成型方式制得阻燃型WPC[13]。此方法处理简单容易操作。表面涂覆法即将阻燃剂等制成浆料涂覆在WPC表面，这样既可隔绝氧气，又可阻挡热传导，减少反馈给纤维材料的热量，从而抑制热裂解和燃烧反应。这种方法操作起来也不麻烦，但由于阻燃层一旦被破坏，会大大影响阻燃效果，所以还需谨慎使用[14]。此外，WPC阻燃处理方法还有协同阻燃的方式，将2种或2种以上阻燃剂按一定比例复配制成复合型阻燃剂，将该阻燃剂加入WPC后，可克服单一阻燃剂阻燃效果不佳的缺点。常用的阻燃材料有卤系阻燃剂、氮磷阻燃剂和铝镁阻燃剂等。阻燃剂按使用方法可分为添加型和反应型两类,添加型阻燃剂是在树脂的初期缩合物阶段加入，反应型阻燃剂则是在树脂制备时加入，使聚合物本身含有阻燃成分，从而达到阻燃效果。HPL砂光粉和HDPE都作为木塑复合材料的原料，其阻燃性能的研究可加入高性能、环境影响低的阻燃剂。理论上不采用卤系阻燃剂，因为在燃烧时会产生大量有毒气体，对环境的危害不可忽视，已经被证实对人体健康有很大危害，如易致癌、不利于胎儿发育等。因此在阻燃领域含有卤系元素的产品正逐步被取代[15]。铝镁阻燃剂虽然其热稳定性好，吸热分解后不会产生像卤系阻燃剂那样产生有害气体，但因添加量过大，与有机物质相容性较差对木塑复合材料力学性能有较大的不利影响，因此也不建议使用。众多无卤阻燃剂中，氮磷阻燃剂很好地克服了以上缺点。其中磷系阻燃剂因具有较好的热稳定性和较高的阻燃效率，同时价格便宜，毒性较低，使用安全，在木塑复合材料中应用较多，一直是阻燃研究领域的热点[16]。但其吸湿程度随氨化程度而增加，在水溶液中部分会水解，水解到最后阶段成正磷酸铵盐。这都限制其使用。本课题或许可采用添加磷系阻燃剂如聚磷酸铵（ammonium polyphosphate, APP）对HPL砂光粉/HDPE复合材料阻燃性能进行研究，从而得出最佳阻燃配方。
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