無鹵阻燃PBT的研究進展及其在汽車部件中的應用

劉 偉，曹 冰

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460）

在生產制造中，因為塑料具有強度大、質量輕以及耐化學藥品腐蝕性強等優點［1-3］，正逐漸代替金屬及金屬合金材料。聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）是由對苯二甲酸與1,4-丁二醇縮聚而成，屬于熱塑性塑料，具有較高的耐熱性、韌性、耐疲勞性，但不耐強酸、強堿，能耐有機溶劑，可燃，高溫條件下分解等特點。普通PBT容易燃燒，并且釋放出大量有毒氣體，污染環境。因此，對PBT進行阻燃改性非常必要。傳統PBT阻燃改性主要采用鹵系阻燃劑（如十溴二苯醚、溴化環氧樹脂等），但使用鹵系阻燃劑會釋放鹵化氫，嚴重影響人體的免疫系統［4-6］，歐盟已禁止使用鹵系阻燃劑［7］。采用清潔、有效、無毒的阻燃劑（如磷系阻燃劑、氮系阻燃劑、硅系阻燃劑等）改性PBT已經成為必然。隨著合成技術及加工技術的不斷發展，推動了PBT在汽車部件中的實際應用。本文綜述了無鹵阻燃PBT的研究進展及在汽車部件中的應用。

1 無鹵阻燃PBT的研究進展

1.1 PBT的制備工藝及其注塑工藝優化

PBT的制備方法主要有酯交換法、直接酯化縮聚法以及固相縮聚法。其中，酯交換法和直接酯化縮聚法可生產聚合度在100左右，相對分子質量20 000～35 000的PBT，采用這兩種制備方法的優點是設備簡單，反應條件溫和，易進行酯交換和縮聚反應的分步控制，但分批生產，效率低。固相縮聚法可生產一些工程塑料制品，如需要聚合度為150～200，相對分子質量在40 000以上的PBT。固相縮聚制備方法比較復雜，需要在固相縮聚反應器中進行，主要包括預結晶，退火，反應和冷卻四個主要過程，設備比較復雜。

PBT在注塑成型時收縮率較大，尺寸穩定性較差，容易導致制品翹曲變形量過大，無法滿足實際生產要求。需要優化注塑成型工藝，改善PBT的收縮均勻性，解決PBT制品的性能和尺寸穩定性。目前，國內外針對高性能PBT的研究主要集中在PBT注塑工藝優化。通過對材料收縮均勻性的研究，從塑件的生產工藝、模具設計等方面進行改進，從而改善塑件的收縮均勻性，提高塑件的尺寸精度。尹興昌等［8］研究了熔體溫度、模具溫度、螺桿轉速、注射速率、背壓、保壓壓力、保壓時間、滯留時間等對PBT結晶形態和力學性能的影響，發現熔體溫度對PBT的結晶和降解均有很大影響，當熔體溫度由240 ℃上升到280 ℃，結晶度提高了10.4%，相對分子質量降低了26%，試樣變脆，斷裂伸長率由250%降到30%；在熔融溫度為280 ℃的加工條件下，當注射周期由36 s增長到56 s時，PBT的黏均分子量從25 500降到18 800，因此，隨著熔體溫度的升高和滯留時間的增長，PBT降解明顯加劇。

1.2 PBT的改性方法

為了提高PBT的缺口沖擊強度，改善成型加工收縮造成的翹曲變形，提高耐熱性能，可采用熔融共混法和填充改性法對PBT進行改性。2003年，歐盟發布相關指令，限制鹵系阻燃劑的使用。目前，PBT的阻燃改性研究主要集中在無鹵阻燃劑的選擇以及制備工藝方面。

1.2.1 熔融共混法

熔融共混法是將聚合物各組分進行充分混合，在擠出端加上擠出模具對共混料進行成型操作，讓模具的溫度達到聚合物的熔融溫度，然后經過冷卻得到制件。由于物料處于熔融狀態，各類聚合物分子間的對流和擴散十分劇烈，加上擠出設備強的剪切力作用在物料上，促進聚合物分子間的相容。左鋮等［9］采用導電炭黑（CB）和多壁碳納米管（MWCNTs）為導電組分，以PBT為基體，用熔融共混法分別制備了兩相復合材料PBT/CB，PBT/MWNTs和三相復合材料PBT/CB/MWNTs，提升了材料的力學性能和儲能模量。莫文杰等［10］利用雙螺桿擠出機采用熔融共混法制備了增韌PBT，研究了樹脂黏度、增韌劑用量和擠出工藝對材料性能的影響。發現當樹脂為高黏PBT，增韌劑用量為2.0%（w）時，最佳擠出工藝為轉速300 r/min，喂料量100 kg/h，此時材料的斷裂伸長率達15.0%，無缺口沖擊次數為3次。

1.2.2 填充改性法

填充改性法是將一些與基體物理化學性質不同的固體添加物添加到聚合物基體中，使聚合物具有一定的特殊性能。添加物一般是有一定幾何形態的固態物質，不與聚合物基體發生化學反應。蔡挺松等［11］采用納米氫氧化鋁（CG-ATH）對PBT進行填充改性，結果表明，在CG-ATH填充量達到15%（w）時，拉伸強度最大，為58.2 MPa。欒寶勇等［12］采用納米SiO2粒子對PBT表面進行改性，發現改性后的樹脂流動性得到改善，拉伸強度、斷裂伸長率均提高。

通過添加玻璃纖維，使PBT的彎曲強度和拉伸強度提高，同時制品的收縮均勻性、缺口敏感性、耐蠕變性、耐疲勞性和耐熱性得到顯著改善。宋功品等［13］研究了生產工藝、玻璃纖維含量及分布等對PBT性能的影響，結果表明，復合材料的綜合性能隨著玻璃纖維平均長度及含量的增加而提高，同時試樣表面的粗糙度變大。

成核劑對PBT結晶行為的影響。通過加入成核劑，提高體系的結晶行為，并且細化晶粒，提高體系尺寸穩定性。瞿東蕙等［14］采用復合成核劑HCA-1對PBT進行結晶行為影響的研究，按照PBT與成核劑HCA-1的質量比為1∶1進行注塑，添加復合成核劑HCA-1后，PBT的結晶溫度提高20 ℃以上，促進了PBT的結晶。

1.2.3 阻燃改性

張超等［15］采用有機磷阻燃劑CJ1002對PBT進行阻燃改性，結果表明，當有機磷阻燃劑質量分數為18%時，復合材料的拉伸強度與彎曲強度變化不大，沖擊強度下降33%，極限氧指數達到30.1%，阻燃級別為UL 94 V-0級。張友強等［16］采用氮-磷系HT-202A作為無鹵阻燃劑，研究了阻燃劑對PBT阻燃性能以及力學性能的影響。結果表明，當玻璃纖維含量為30%（w），阻燃劑HT-202A含量為16%（w），增韌劑SWR-6B添加量為5%（w）時，復合材料的阻燃等級達UL 94 V-0級，拉伸強度為101 MPa，彎曲強度為145 MPa，其阻燃效果及力學性能與采用鹵系阻燃劑的PBT一致。陳秀宇等［17］采用硅烷偶聯劑對玻璃纖維進行改性，并探討螺桿轉速和螺桿組合對阻燃增強PBT力學性能的影響。結果表明:在滿足阻燃等級為UL 94 V-0級的基礎上，改性玻璃纖維與基體界面的相互作用提高，復合材料的拉伸強度提高了10.6%，彎曲強度提高了13%，缺口沖擊強度提高了19.6%。

2 無鹵阻燃PBT在汽車部件中的應用

無鹵阻燃PBT由于其優異的性能，在汽車部件中得到廣泛應用。采用無鹵阻燃玻璃纖維增強PBT制備的汽車門把手，可以承受不同氣候環境，耐化學藥品腐蝕以及具有高的剛度；制備的汽車門鎖系統具有良好的剛性和尺寸穩定性以及耐高溫性［18］；車燈框架具備耐高熱變形性能，且與玻璃金屬具有良好的黏結性；汽車保險杠具備超高沖擊性、優秀耐寒性、良好防震性等［19］。為了節約塑料注塑模具的成本，一般將無鹵阻燃PBT注塑成簡單的結構，然后通過焊接的方式組裝連接成結構復雜的部件。激光塑料焊接的焊縫強度大、密封性好、壽命長［20-21］，已經在汽車部件（如汽車車燈、攝像頭模組等）中得到應用。

3 結語

PBT的改性主要有熔融共混法、填充改性法以及無鹵阻燃改性，通過改性，提高了材料的力學性能及阻燃性能，滿足功能性要求。隨著汽車輕量化的要求越來越高，更多的汽車部件需要采用塑料，無鹵阻燃PBT的使用量將越來越多，這將成為未來汽車部件制造的發展趨勢。