PBT材料的改性方式研究進展現狀綜述及展望

熊泰熠 陳繼兵

（武漢輕工大學機械工程學院,湖北 武漢 430023）

聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）是一種結晶性飽和聚酯，具有十分優良的綜合性能，被廣泛地應用于電子電器、汽車工業等多個領域[1]。但在實際生產中，PBT材料作為原料使用時仍然暴露出較多的問題：PBT材料阻燃性差，在空氣中易燃，且燃燒時會釋放出大量濃煙及有毒氣體；作為與人體皮膚密切接觸的合成纖維的主要原料時，PBT材料抗菌性差，其表面由于接觸到人體皮膚會沾染油脂等物質，容易滋生細菌；被用于生產塑料片材以及薄膜時，為使PBT材料具有更好的加工性，需對其流變性以及熱性能進行改性研究，以提高工業生產效率；用作不同環境下的受力零件材料時，需要對PBT材料的機械性能進行優化改性。目前對于PBT材料存在的上述幾種問題都有相應的研究成果。本文將對上文所提到的PBT材料在實際生產中存在的幾種問題所對應的改性方案進行綜述，并給出對于PBT材料未來改性研究方向的展望。

1 PBT材料的阻燃性改性研究

目前常見的用于PBT材料的阻燃劑包括鹵系阻燃劑和無鹵阻燃劑。鹵系阻燃劑主要包括溴系阻燃劑，如十溴二苯醚（DBDPO）、溴化環氧樹脂（BER）；無鹵阻燃劑較為常見的有無機阻燃劑和磷系阻燃劑[2]。除上述論及的傳統阻燃劑，目前關于PBT材料阻燃改性還有一個較為新穎的研究方向，即在不改變PBT材料加工性能的前提下，往其中加入少量的納米填料。該方法可以在保證PBT材料的加工性能的前提下，有效地改善PBT材料的阻燃性和抗滴落性能。目前用于PBT材料阻燃性改性的納米復合材料包括碳族納米復合材料和納米金屬氧化物聚合物，其中碳族納米復合材料包括錳鈷氧化物/石墨烯（MnCo2O4-GNS）雜化物[3]；另外還有PBT材料中加入各種改性碳納米管復合材料等方式。此外，添加三氧化二銻（Sb2O3）也是一種有效的改進PBT阻燃性的方式，徐建林等（2020）[4]對添加不同粒徑Sb2O3對PBT材料的阻燃性的影響做了深入研究，研究結果表明納米級Sb2O3的效果要整體優于微米級Sb2O3。

2 PBT材料的抗菌性改性研究

目前常見的PBT材料的抗菌改性方式是采用熔融共混法向PBT材料中添加一定比例的納米級銅粉。盛平厚等（2020）[5]借助毛細管流變、差示掃描量熱、掃描電子顯微鏡（SEM）等手段對PBT抗菌復合材料的流變性能、纖維性能、抗菌性能等進行了實驗研究。實驗結果表明PBT抗菌復合材料的熔體表觀黏度隨著剪切速率的增大而減小，也稱“剪切變稀”，且納米銅粉的含量越高，在相同的剪切速率下熔體表觀黏度越小。SEM照片表明，在實驗含量范圍內，納米銅粉在PBT基體中分散較均勻。添加了質量分數為5%的納米銅粉進行改性后的PBT抗菌復合材料可紡性優良；當改性后的PBT材料所含納米銅粉質量分數為0.5%時，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率均大于99%（如表1），呈現出優異的抗菌性能。

表1 抗菌纖維的抗菌性能[5]

3 添加1，4-環己烷二甲醇改善PBT材料流變性能及熱性能研究

為了將PBT材料的用途擴展到塑料片材以及薄膜領域，于浩淼等（2019）[6]研究了將1，4-環己烷二甲醇作為第三單體，以不同含量添加到PBT基體中制得聚對苯二甲酸丁二醇酯-1，4-環己二甲醇酯（PBTG），并對其流變性能進行了測試與分析。實驗結果顯示，PBTG相較于一般的PBT材料有更大的非牛頓指數，也就是使一般的PBT材料獲得了更好的可加工性；同時，由于加入了1，4-環己烷二甲醇，PBT的大分子鏈的剛性得到了增強，使得材料整體的動態力學性能得到了強化。

李慶男等（2020）[7]研究了經1，4-環己烷二甲醇（CHDM）改性后的系列PBT共聚酯在熱性能以及結晶性方面的變化。實驗結果表明，添加CHDM不僅會降低酯化反應的速率，并且隨著CHDM添加量的增大，原材料的酯化率會隨之降低；在加入了CHDM改性后，PBT共聚酯的熔點呈先降低后升高的變化趨勢，在CHDM與PTA（對苯二甲酸）的摩爾比為40%時達到最低值（177 ℃），同時其結晶性能逐漸減弱；熱穩定性指標隨著CHDM添加量的增大，呈現先逐漸降低后逐漸升高的變化趨勢[7]。

4 PC/PBT合成式改性研究

聚碳酸酯（PC）在室溫條件下具有剛而韌的優點，但同時也有不耐高溫、耐化學性差等缺點；PBT材料具有機械性能好且受溫度影響不大、耐化學性好等優點，同時也具有熱變形溫度低的缺點。當兩種材料進行共混處理后，得到的PC/PBT材料保留了二者的優點，研究其性質對于高分子材料的研究應用與發展有著重要意義。

廖永江等（2020）[8]將PC與PBT以不同的比例進行配比（如表2），并采用不同的酯交換抑制劑、抗沖擊改性劑等多種塑料的改性試劑進行添加實驗。其測得的數據顯示，當PC ∶PBT=7 ∶3時，酯交換抑制劑選用無水磷酸二氫鈉（AMSP），抗沖擊改性劑選用甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯（MBS）與功能樹脂復配并添加PC/PBT共聚物相容劑時，獲得的新材料的綜合性能將達到最優狀態，同時在添加了適當的改性劑之后，該材料的各項性能指標，包括阻燃性以及材料強度等指標均可滿足工業生產的需求。

表2 PC/PBT配比對材料性能影響[8]

馬玫等（2019）[9]研究了兩種抗沖擊改性劑MBS、ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯）分別使用和復合使用時在常溫以及低溫環境下對該復合材料的各項性能的影響。結果表明僅使用一種改性劑的情況下，改性劑對材料的性能改善效果有限，且過多劑量的添加會使材料的生產工藝難度增大；當兩種增韌改性劑復合使用時，其效果都明顯優于單獨地使用其中一種改性劑進行改良的效果，在常溫以及低溫環境下效果都較好。

5 PBT材料的機械性能改性研究

目前常用于PBT材料增韌改性處理的有乙烯與丙烯酸酯類共聚物（EEA、EBA）、熱塑性聚酯彈性體（TPEE）、甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝聚烯烴彈性體（GMA-g-POE）、甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝乙烯-丙烯酸酯三元共聚物（GMA-g-EMA、GMA-g-EBA）等。同時，上文中提到的為了改善PBT材料的阻燃性能而添加的Sb2O3在添加后也會對PBT材料整體的力學性能產生影響。實際生產中為了增大PBT材料的機械強度，通常還會在其中添加一定比例的玻璃纖維（GF）。李登輝等（2020）[10]學者通過實驗分析討論了6種增韌劑對PBT材料的增韌改性效果，同時研究對比了添加30%玻璃纖維和不添加玻璃纖維時不同增韌劑對PBT材料增韌改性的實際效果。實驗結果表明，在添加質量分數為30%的玻璃纖維后，各增韌劑對PBT材料的強化效果變化趨勢同不加入玻璃纖維時較好地吻合，也能夠較好地起到提升PBT材料的缺口沖擊性能等功能，但不加入玻璃纖維的體系中，增韌劑的使用會使材料的熱變形溫度下降5 ℃以內。

王書濤等（2020）[11]針對PBT材料在其他性能方面進行改性優化時，由于需要加入Sb2O3對材料整體阻燃性進行改善，從而導致基體材料的綜合力學性能發生惡化的問題進行了研究。其研究發現，加入納米級別的Sb2O3相較于微米級別的Sb2O3可以使基體材料獲得更好的綜合力學性能，同時也可使其阻燃性能得到改善。但由于小尺寸效應以及表面效應，納米級的Sb2O3在添加后易發生團聚，當有外力作用于復合材料時，會由于應力集中而使復合材料發生破壞，故須提高納米級Sb2O3在基體中的分散性，需要對納米Sb2O3進行表面改性處理，可使用硅烷偶聯劑制成Nano-Sb2O3BPS/PBT。結果表明該產物的抗拉強度與沖擊強度隨納米Sb2O3含量的增加而增強，當質量分數達到1.5%時，其性能指標達到峰值。

6 結語

本文綜合論述了當下一種熱門的高分子材料——PBT材料在克服其使用缺陷的改性上的幾個不同的改性方式的研究。PBT高分子材料的改性研究目前仍然具有較大的意義。本文中所提及的數個問題，未來的研究方向可著重放在納米材料技術的突破上。單看每個問題的傳統改性解決方案，或多或少存在著弊端，難以全面地解決問題，但納米技術的突破，或許可以給出一種相較而言更為全面可靠的方案。總體看來，進行復合使用多種改性劑以及將不同的高分子材料進行復合加工方面的研究，并對得到的新材料進行研究，有較大可能性會使PBT材料獲得更為優良的性能；針對多個傳統的問題同時復合使用多種改性方案，在經過不斷嘗試與改進后，有機會獲得各種改性方案優缺點互補的效果，使高分子材料的總體性能得到一個新的提升。