無(wú)鹵阻燃聚碳酸酯合金的制備及性能表征

姚杏梅，袁瑞建，李志明

（廣東聚石復(fù)合材料有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511540）

聚碳酸酯塑料（PC）具有光學(xué)性能優(yōu)異、高韌性、沖擊強(qiáng)度高、低溫沖擊性，抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性好、高耐熱、透明性、機(jī)械強(qiáng)度高、吸水性低、無(wú)毒、介電性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是五大通用工程塑料之一，近年來(lái)其在各行業(yè)中的應(yīng)用增長(zhǎng)速度非常迅速[1-4]，廣泛應(yīng)用在電子電氣、車(chē)用材料、醫(yī)療衛(wèi)生器械、建筑工程以及應(yīng)急照明用具等領(lǐng)域。隨著科技的不斷發(fā)展，聚碳酸酯塑料在許多高端技術(shù)領(lǐng)域如軍工、航天、電子計(jì)算機(jī)、光纖等也有著廣泛的用途[5-7]。

按照官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的差異，聚碳酸酯可分為脂肪族、芳香族、脂肪-芳香族等類(lèi)型。由于可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，芳香族聚碳酸酯其應(yīng)用目前最為廣泛。芳香族聚碳酸酯具有聚碳酸酯的性能優(yōu)點(diǎn)，但是其阻燃性能較差。未經(jīng)改性的芳香族聚碳酸酯雖然具有一定的阻燃性，但其UL94阻燃性能只能達(dá)到V-2或HB級(jí)別，氧指數(shù)在24～28之間，無(wú)法應(yīng)用在對(duì)阻燃要求特別高的場(chǎng)所[8-9]。另一方面，芳香族聚碳酸酯由于分子鏈剛性大，材料的流動(dòng)性不好，不易加工，材料容易產(chǎn)生開(kāi)裂情況，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。同時(shí)，芳香族聚碳酸酯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較高，因此，這種材料在低溫環(huán)境中其機(jī)械性能較差，尤其是嚴(yán)重影響了材料的沖擊性能，限制了其在低溫沖擊要求較高場(chǎng)合的使用。

本文的研究目的是開(kāi)發(fā)出一種具有高性能阻燃聚碳酸酯合金，這種合金材料需具有高阻燃、高抗沖和良好加工性能等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，滿(mǎn)足各種高端領(lǐng)域的使用要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

本文用到的主要原料見(jiàn)表1。

表1 主要原材料

1.2 主要設(shè)備儀器

本文用到的主要設(shè)備儀器見(jiàn)表2。

表2 主要設(shè)備儀器

1.3 試樣制備[10]

試樣的制備步驟如下，制備流程見(jiàn)圖1。

圖1 試樣制備流程圖

1）將PC樹(shù)脂進(jìn)行干燥，干燥條件為120℃下烘4～8 h，嚴(yán)格控制樹(shù)脂的含水率不得高于0.02%。

2）按照配方比例將各種材料，如PC樹(shù)脂、各種助劑混合均勻后進(jìn)行熔融混煉。其中，熔融混煉的條件設(shè)置為：轉(zhuǎn)速400～1 000 r·min-1，混煉時(shí)間設(shè)置為5～10 min，混煉溫度設(shè)置為250～290 ℃。

3）用雙螺桿擠出機(jī)將材料擠出，利用水進(jìn)行冷卻，冷卻溫度為55～65℃。

4）接著進(jìn)行切粒，切粒過(guò)程中轉(zhuǎn)速設(shè)置為600～800 r·min-1。

5）雙螺桿擠出機(jī)螺桿的直徑為30～75 mm、螺桿長(zhǎng)徑比（20～36）∶1、壓縮比為（2.1～2.5）∶1、轉(zhuǎn)速為220～350 r·min-1。擠出機(jī)設(shè)定溫度為250～260℃。

6）顆粒經(jīng)干燥后注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行力學(xué)及阻燃性能等測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

按照表3的項(xiàng)目、方法和條件進(jìn)行測(cè)試。

表3 測(cè)試項(xiàng)目、方法和條件

2 結(jié)果與討論

2.1 不同阻燃體系對(duì)PC強(qiáng)度及阻燃性能的影響

本文制備的聚碳酸酯合金材料的配方見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)樣品的配方表

在配方中加入耐寒增韌劑，其目的是提高基體樹(shù)脂耐低溫性能，產(chǎn)品在應(yīng)力作用下不易出現(xiàn)開(kāi)裂。耐寒增韌劑的加入對(duì)材料的物理性能影響甚微，在基體樹(shù)脂中具有良好的分散性能，幾乎不影響基體樹(shù)脂的樹(shù)脂流動(dòng)性，對(duì)材料的后期注塑加工影響甚微。

阻燃劑由磺酸鹽阻燃劑和磷酸酯阻燃劑組合而成，磺酸鹽阻燃劑的作用是提高PC樹(shù)脂成炭速度以及促進(jìn)PC交聯(lián)的作用，磷酸酯阻燃劑具有良好的流動(dòng)性，可有效改善材料加工過(guò)程中的流動(dòng)性[11-12]。協(xié)效阻燃劑的成分是有機(jī)硅阻燃劑，這種阻燃劑可提高PC樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性以及促進(jìn)炭形成的作用。該三種阻燃劑組合使用，材料的阻燃性能以及改善加工性能得到了有效的提高或改善[13-14]。

主抗氧劑和輔助抗氧劑構(gòu)成抗氧劑。兩種抗氧劑混合使用，發(fā)揮良好的協(xié)同作用，產(chǎn)品的熱氧穩(wěn)定性得到了有效的提高，降低了產(chǎn)品的熱失重，抑制了產(chǎn)品的氧化降解，輔助抗氧劑還可以提高產(chǎn)品的加工穩(wěn)定性能[15]。

紫外線(xiàn)吸收劑的作用是防止產(chǎn)品被有害的紫外光破壞而導(dǎo)致材料變色，出現(xiàn)發(fā)黃發(fā)黑現(xiàn)象。

抗滴落劑使用了進(jìn)行表面燒結(jié)處理聚四氟乙烯。抗滴落劑一方面能提高產(chǎn)品的流動(dòng)性和分散性，使產(chǎn)品在預(yù)混合過(guò)程中提前纖維化。更重要的是，抗滴落劑能防止熔化滴落并有效提高產(chǎn)品的阻燃性能，可以減少阻燃劑使用量，同時(shí)還確保了產(chǎn)品的阻燃性能達(dá)到要求，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

所制備的聚碳酸酯合金樣品其力學(xué)性能及阻燃性能的影響見(jiàn)表5。

表5 不同阻燃劑和不同協(xié)效阻燃劑對(duì)樣品的力學(xué)性能及阻燃性能

從表5的可以看出，所制備的合金材料具有較高沖擊強(qiáng)度的情況下其他機(jī)械性能不受影響，其綜合性能優(yōu)異，具有良好的耐低溫性和加工性能等特點(diǎn)。

2.2 全氟丁基磺酸鉀添加量的影響

從表5可以看出，3#和6#的材料拉伸強(qiáng)度、彎曲性能、彎曲模量以及沖擊強(qiáng)度綜合性能較好，因此考察全氟丁基磺酸鹽的添加量對(duì)材料性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 全氟丁基磺酸鉀添加量對(duì)材料性能的影響

從表6的結(jié)果可以看出，在全氟丁基磺酸鉀添加量為0.5%時(shí)，聚碳酸酯合金材料可達(dá)到V-0@1.5 mm級(jí)別的阻燃性能，這是因?yàn)槿』撬徕浛梢栽谌紵^(guò)程中促進(jìn)聚碳酸酯結(jié)構(gòu)的異構(gòu)化并且形成交聯(lián)，加速成炭[16]。但是隨著全氟丁基磺酸鉀添加量的增加，材料的阻燃性能并沒(méi)有上升，無(wú)法滿(mǎn)足V-0@0.8 mm阻燃的要求。

2.3 抗滴落劑添加量對(duì)阻燃性能的影響

改變抗滴落劑的量，考察其添加量對(duì)材料阻燃性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可以明顯看出，加入的抗滴落劑對(duì)材料的阻燃性能有明顯的影響，加入的聚四氟乙烯作為抗滴落劑能防止合金材料熔化滴落并可提高產(chǎn)品的阻燃性能，當(dāng)聚四氟乙烯的添加量為0.2%時(shí)，所制備的無(wú)鹵阻燃聚碳酸酯合金材料其樣條厚度為1.5 mm，樣條的阻燃可達(dá)到UL 94 V-0級(jí)別。

表7 抗滴落劑添加量對(duì)阻燃性能的影響

3 結(jié)論

本文以磺酸鹽阻燃劑、磷酸酯阻燃劑以及有機(jī)硅阻燃劑組成復(fù)合阻燃劑，加入聚四氟乙烯作為抗滴落劑制備無(wú)鹵阻燃聚碳酸酯合金。聚四氟乙烯能防止產(chǎn)品熔化滴落并可提高產(chǎn)品的阻燃性能。當(dāng)聚四氟乙烯的添加量為0.2%，全氟丁基磺酸鉀添加量為0.5%時(shí)，所制備的無(wú)鹵阻燃聚碳酸酯合金材料其樣條厚度為1.5 mm，樣條的阻燃可達(dá)到UL 94 V-0 級(jí)別。所制備的聚碳酸酯合金材料具有較高沖擊強(qiáng)度，具有良好的阻燃性能、良好的耐低溫性和加工性能。