尼龙6(PA6)是一种工程塑料，已广泛应用于电子电器、建筑工程等领域。但PA6本身可燃，而在这些领域要求其应有很好的阻燃性能，因此很有必要对其进行阻燃改性。同时由于PA6存在尺寸稳定性和加工性能差等缺点，在实际应用中一般都用无机填料填充，以提高其尺寸稳定性和加工性能，并且在一定程度上降低成本。江西奥特科技有限公司研究不同形貌的无机填料对PA6/MCA阻燃复合材料的影响。选用工业上常用的MCA阻燃PA6的配方，同时引入硅灰石和酸钙，考察它们对于PA6/MCA阻燃复合材料性能的影响。

无机填料的形貌特征

a一硅灰石 ；b一碳酸钙 无机填料的TEM图

图为无机填料的TEM图，由图中可以看出，硅灰石为针状，长径比很大，碳酸钙为球状。由于两种无机填料的形貌不同，可能会对PA6阻燃复合材料的性能产生不同的影响。

阻燃性能

上表给出了硅灰石和碳酸钙对PA6/MCA阻燃复合材料LOI和垂直燃烧性能的影响。从表中可以看出，与PA6/MCA阻燃复合材料的LOI为28％和垂直燃烧等级为UL94 V-2级相比，加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的LOI有所提高，达到29％，并且其垂直燃烧等级达到UL94-0级。这是由于SiO2是硅灰石中的组分，从而键合到硅灰石表面生成亲油性的非极性表面，使硅灰石很好地分散在基体内部，对于复合材料阻燃性能的提高发挥了有利的作用。此外硅也能够催化炭层的形成，提高炭层的强度，使PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的阻燃性能得到提高。而加入碳酸钙后，PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料的LOI下降到24.3％，而垂直燃烧等级仍为UL94 V-2级，与PA6/MCA阻燃复合材料一致。在材料燃烧过程中，虽然产生的熔滴很少，但持续燃烧。这可能是因为碱性的碳酸钙会吸收MCA分解的氰尿酸，使氰尿酸催化PA6降解为低聚物，形成熔滴，带走热量的作用减弱，可保持较高的熔体粘度，熔滴滴速慢，但不自熄。

SEM分析

a一PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料； b一PA6/MCA/碳酸钙复合材料； C一PA6/MCA阻燃复合材料

PA6阻燃复合材料燃烧后表面炭层的SEM图

MCA作为一种氮系阻燃剂，能够很好地提高PA6的阻燃性能，也符合环境保护的要求。在PA6/MCA阻燃复合材料燃烧过程中，氰尿酸催化PA6降解为低聚物，形成熔滴，带走燃烧产生的热量；而三聚氰胺进一步分解为水、氮气、氨气等惰性气体，稀释空气中的氧气浓度从而抑制燃烧。所以MCA阻燃PA6的机理主要是气相阻燃，有焰熔滴的产生使材料难以达到V-0级。但在材料表面形成的炭层能够让其内部的物质远离火焰，又能阻隔物质在燃烧过程中产生的热和可燃性气体向炭层外传播。因此炭层的形成在很大程度上影响了材料的阻燃性能。由于加入的填料是不燃的，它们保持在凝固相并成为了炭层的一部分，因此填料对于炭层的形成和性能有很大的影响。 上图显示了PA6阻燃复合材料燃烧后形成炭层的微观形貌。从图b可以看到，PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料表面有很多孔洞，孔洞直径也较大，这样炭层内部物质产生的热和可燃性气体很容易向炭层外传播，使材料进一步燃烧。这与前述PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料的阻燃性能差的分析结果是一致的。而从图c可以看到，PA6/MCA阻燃复合材料的炭层表面也有一些孔洞，但是数量少，孔洞直径也小，炭层对于阻隔炭层内部材料产生的热和可燃性气体向炭层外传播有一定的作用。从图a可以看出，阻燃PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的炭层表面致密、光滑，几乎没有孔洞，能够很好地隔绝炭层内物质产生的热和可燃性气体向炭层外传播，使材料达到自熄，提高了材料的阻燃性能。 炭层形貌的不同可能是由于加入填料的几何形状不同造成的，由于碳酸钙是球状，表面光滑，摩擦系数低，在炭层的形成过程中，使基体一填料界面改变为炭层一填料界面，并且后者的界面结合强度不如前者，在炭层膨胀过程中，碳酸钙容易滑出炭层，填料和炭层的分离使得炭层的表面不致密，形成很多孔洞，进而影响PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料的阻燃性能。而硅灰石由于是针状的，在炭层形成过程中嵌入到炭层内部，形成了致密、平滑的炭层，提高了PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的阻燃性能。

FTIR分析

a一PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料； b一PA6/MCA/硅灰石复合材料

PA6阻燃复合材料燃烧后残留的FTIR谱图

上图是PA6阻燃复合材料燃烧后残留物的FTIR谱图。从图中b谱图可以看到，在453 cm-1处是Si-O变形振动吸收峰，1008 cm-1处是Si一O一C伸缩振动吸收峰，表明加入硅灰石后，SiO2与表面炭层能很好地结合，形成致密的保护层，发挥凝聚相的阻燃作用。l 420，873，708 cm-1处为碳酸钙的特征吸收峰，但在图中a谱图上没有这些特征吸收峰，表明碳酸钙在炭层形成过程中脱离了炭层，使得炭层表面凹凸不平，并有很多孔洞，无法隔绝炭层内部的热和可燃性气体向炭层外传播，从而降低了复合材料的阻燃性能。

力学性能

PA6阻燃复合材料的力学性能

从表中可以看到，PA6/MCA阻燃复合材料的拉伸强度、冲击强度分别为55.2MPa，8.65 kJ/m2。加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的力学性能有所提高，其拉伸强度为58.2 MPa，提高了5.4％，冲击强度为7.78KJ/m2,下降了10.1％。这可能是因为针状硅灰石沿着注塑方向取向排布，使得PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的拉伸性能优于PA6/MCA阻燃复合材料。然而，硅灰石的形状为针状，棱角尖锐，当受外力作用时，表现为缺口冲击强度下降。加入碳酸钙后，PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料的综合力学性能有所下降，其拉伸强度为42.9 MPa，下降了22.3％，冲击强度为5.47 KJ/m2，下降了36.8％。这可能是由于球状的碳酸钙与PA6基体的界面结合强度较低，在受到拉伸和冲击力时容易脱粘，导致材料的拉伸强度和缺口冲击强度都下降。

结论

01 加入针状硅灰石提高了PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的阻燃性能，而加入球状碳酸钙会降低PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料的阻燃性能。当加入硅灰石后，PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的LOI达到29％，UL94达到V-0级，性能最佳。

02 对阻燃PA6复合材料燃烧后的表面和残留物进行SEM和FTIR分析表明，在PA6/MCA阻燃复合材料中加入硅灰石，SiO2与表面炭层结合，并且炭层致密；而加入碳酸钙，阻燃PA6/MCA/碳酸钙阻燃复合材料燃烧中碳酸钙脱离炭层，且炭层上有很多孔洞。PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的阻燃性能更好。

03 力学性能测试表明，与PA6/MCA阻燃复合材料相比，PA6/MCA/硅灰石阻燃复合材料的拉伸强度为58.2 MPa，提高了5.4％，冲击强度为7.78 kJ/m2，下降了10.1％。加入碳酸钙后，尼龙6/McA/碳酸钙阻燃复合材料的拉伸强度为42.9MPa，下降了22.3％，冲击强度为5.47 kJ/m2，下降了36.8％。加入硅灰石后材料的拉伸强度有一定程度提升。