聚碳酸酯薄層阻燃配方及性能

黃承輝，姚一新，楊俊杰，李會(huì)

(1.嘉善申嘉科技有限公司，浙江嘉善 314100； 2.浙江中科輻射高分子材料研發(fā)中心，浙江嘉善 314100)

聚碳酸酯(PC)分子鏈中含有碳酸酯基，是工程塑料的主要品種之一[1]。根據(jù)酯基的結(jié)構(gòu)可分為脂肪族、芳香族、脂肪族－芳香族等多種類(lèi)型。其中，芳香族PC 獲得了大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)[2]。PC 結(jié)構(gòu)已成為五大工程塑料中增長(zhǎng)速度最快的工程塑料。PC 是非晶態(tài)聚合物，熔融和冷卻后變成透明的玻璃狀物，具有優(yōu)良的光學(xué)和力學(xué)性能。PC 具有突出的抗沖擊性能、透明性、尺寸穩(wěn)定性，優(yōu)良的力學(xué)性能和電性能，以及較高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱變形溫度和較寬的使用溫度范圍(–60～120℃)[3-5]。PC 工程塑料的應(yīng)用領(lǐng)域主要有玻璃裝配業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和電子、電器工業(yè)，其次還有工業(yè)機(jī)械零件、光盤(pán)、包裝、計(jì)算機(jī)等辦公室設(shè)備、醫(yī)療及保健、休閑和防護(hù)器材等。

電子電氣領(lǐng)域?qū)λ芰辖^緣薄膜的需求量快速增長(zhǎng)，其輕薄化、高集成化的行業(yè)趨勢(shì)要求絕緣薄膜材料不僅要具備良好的介電強(qiáng)度、力學(xué)性能和耐熱性，同時(shí)也必須在更低厚度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定阻燃效果。PC 材料燃燒時(shí)成炭率較高[6–8]，能自熄，阻燃等級(jí)為UL94 V–2 級(jí)，與普通的熱塑性塑料相比雖有較好的阻燃性，但仍可燃，且燃燒時(shí)有熱熔體滴落，容易引起附近的材料著火。薄層PC 制品的阻燃要求比較高，其原因是低厚度樣品在燃燒過(guò)程中與火焰接觸的面積更大、熱量和可燃物傳遞路徑更短、樣條局部軟化后在重力影響下的滴落風(fēng)險(xiǎn)更高[9–11]。添加阻燃助劑是提高PC 阻燃性的有效手段[12]，但行業(yè)對(duì)PC 阻燃性能要求越來(lái)越高，部分場(chǎng)合還要求PC 保持良好的透光性，對(duì)阻燃助劑有了更高要求[13–15]。筆者主要針對(duì)薄層(0.7 mm) PC 的阻燃要求，研究聚四氟乙烯(PTFE)抗滴落劑及阻燃劑使用后對(duì)PC阻燃性、熔體流動(dòng)速率(MFR)、透光性以及抗滴落劑對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PC：PC–122，臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司；

PC：02–10R，寧波浙鐵大風(fēng)化工有限公司；

PC：WY–106BR，利華益維遠(yuǎn)化學(xué)股份有限公司；

PTFE 抗滴落劑：SJ–D100S，嘉善申嘉科技有限公司；

雙酚A 雙(二苯基磷酸酯)(BDP)：平湖阿萊德實(shí)業(yè)公司；

多溴聯(lián)苯醚；FR–X9805，廣州寅源新材料科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向高速排氣式平行雙螺桿混煉擠出機(jī)：TE–35 型，江蘇科亞化工裝備有限公司；

塑料注射成型機(jī)：HTL90A 型，海太塑料機(jī)械有限公司；

水平垂直燃燒測(cè)試儀：CZF–3 型，南京市江寧區(qū)分析儀器廠；

MFR 測(cè)定儀：ZXNR–400A 型，上海左科儀器設(shè)備有限公司；

光學(xué)透過(guò)率測(cè)量?jī)x：NS550H 型，深圳市納森科技有限公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW–20 型，上海泊?？茖W(xué)儀器有限公司；擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：TH–6050 型，江蘇天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司。

1.3 阻燃PC 配方

表1 阻燃PC 配方 份

1.4 性能測(cè)試

試驗(yàn)前將PC 進(jìn)行干燥處理(120℃，4 h)，然后配料共混，于270℃經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，粒料烘干后經(jīng)注塑機(jī)成型至標(biāo)準(zhǔn)試樣，注塑溫度275℃。

MFR 測(cè)試：溫度300℃，負(fù)重2.16 kg。

垂直燃燒測(cè)試參照UL94 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為125 mm×13 mm×0.7 mm。

透光率按GB／T 2410–1980 進(jìn)行測(cè)試。

力學(xué)性能測(cè)試，拉伸測(cè)試按GB／T 1040–2018進(jìn)行；彎曲測(cè)試按GB／T 9341–2008 進(jìn)行。

抗沖擊性能按GB／T 1843–2008 進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同阻燃體系對(duì)阻燃效果的影響

表2 是阻燃劑種類(lèi)與PC 燃燒性能的關(guān)系。三款阻燃劑用量在建議添加量范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上復(fù)配抗滴落劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，PTFE 抗滴落劑添加0.2%。

表2 不同阻燃劑燃燒性能

阻燃劑與抗滴落劑復(fù)配使用效果測(cè)試。由表2可知，磺酸鹽阻燃劑與抗滴落劑的復(fù)配使用具有較好的效果，阻燃劑復(fù)配抗滴落劑可明顯提升阻燃抗滴落效果。

表3 是在不同MFR 的PC 中添加阻燃劑、抗滴落劑之后阻燃效果測(cè)試?？刂葡嗤枞紕┖涂沟温鋭┑奶砑恿窟M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表3 不同MFR 的PC 燃燒性能

由表3 可知，選用不同MFR 的PC 測(cè)試燃燒現(xiàn)象較為接近，不同MFR 的PC 對(duì)抗滴落劑和阻燃劑復(fù)合體系的燃燒性能影響較小。

2.2 抗滴落劑含量對(duì)MFR 的影響

圖1 是不同添加的抗滴落劑與MFR 的關(guān)系。選用三種MFR 不同的PC 進(jìn)行試驗(yàn)。由圖1 可見(jiàn)，隨著抗滴落劑含量的增加，樹(shù)脂體系的熔體流動(dòng)速率呈遞減趨勢(shì)。高分子量的PTFE 在螺桿中受到剪切后呈“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，在受熱條件下產(chǎn)生一定收縮，增大樹(shù)脂的黏稠度。

圖1 抗滴落劑不同含量時(shí)PC 的MFR

2.3 阻燃體系對(duì)透光性影響

圖2 是不同含量的磺酸鹽阻燃劑FR–X9805 與透光率的關(guān)系。控制PTFE 抗滴落劑的含量不變，測(cè)試阻燃PC 的透光率，由圖2 可知，磺酸鹽阻燃劑FR–X9805 對(duì)PC 樹(shù)脂的透明度影響較小。

圖2 FR–X9805 不同添加量時(shí)PC 透光率

圖3 是不同含量抗滴落劑與透光率的關(guān)系。由圖3 可以看出，隨著抗滴落劑含量的提高，PC 的透光率下降，透明度降低；抗滴落劑分散在PC 中會(huì)影響共混體的光學(xué)性能。

圖3 抗滴落劑不同添加量時(shí)PC 透光率

2.4 不同厚度的PC 材料阻燃效果

表4 為不同厚度下PC 阻燃達(dá)UL94 V–0 級(jí)時(shí)，阻燃劑FR–X9805 與PTFE 抗滴落劑添加量關(guān)系。

表4 不同厚度下PC 阻燃達(dá)V–0 級(jí)時(shí)FR–X9805 與抗滴落劑配比

由表4 可知，薄層PC 材料要達(dá)到一定阻燃效果則需要較高的阻燃助劑添加量。低厚度樣品在燃燒過(guò)程中更加容易產(chǎn)生滴落，低添加量難以達(dá)到阻燃抗滴落效果。

2.5 不同添加量的抗滴落劑對(duì)材料力學(xué)性能影響

圖4、圖5、圖6 分別是不同添加量的抗滴落劑對(duì)阻燃PC體系的拉伸、彎曲、沖擊性能的影響對(duì)比。PC 選用奇美PC–122，固定阻燃劑含量0.4%，抗滴落劑以不同的含量進(jìn)行評(píng)估，綜合圖4～圖6 可知，阻燃PC 體系中添加少量的抗滴落劑后，拉伸彎曲及抗沖擊強(qiáng)度變化較小，低添加量抗滴落劑對(duì)阻燃PC 體系力學(xué)性能的影響較小。

圖4 抗滴落劑不同添加量時(shí)阻燃PC 的拉伸性能

圖5 抗滴落劑不同添加量時(shí)阻燃PC 的彎曲性能

圖6 抗滴落劑不同添加量時(shí)阻燃PC 的沖擊性能

3 結(jié)論

(1)不同厚度的PC 材料要達(dá)到阻燃抗滴落效果所需要的阻燃助劑量有差異，薄層PC 材料達(dá)到一定阻燃效果需要提高添加量。

(2)磺酸鹽阻燃劑與抗滴落劑復(fù)配應(yīng)用于薄層PC 阻燃效果較好，且添加量低；不過(guò)抗滴落劑的加入會(huì)影響制品透光，應(yīng)用時(shí)需進(jìn)行配方調(diào)整；磺酸鹽阻燃劑對(duì)PC 透光影響小。

(3)抗滴落劑的添加會(huì)使體系MFR 降低，樹(shù)脂“黏稠度”上升，過(guò)量可能影響共混體加工工藝。

(4) PC 本身熔體流動(dòng)速率的高低對(duì)阻燃復(fù)合體系的阻燃性能影響較小。

(5)低添加量抗滴落劑對(duì)阻燃體系的力學(xué)性能影響較小。