無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

（廣東聚石復合材料有限公司，廣東 清遠 511540）

聚碳酸酯塑料（PC）具有光學性能優異、高韌性、沖擊強度高、低溫沖擊性，抗蠕變性和尺寸穩定性好、高耐熱、透明性、機械強度高、吸水性低、無毒、介電性能優良等優點，是五大通用工程塑料之一，近年來其在各行業中的應用增長速度非常迅速[1-4]，廣泛應用在電子電氣、車用材料、醫療衛生器械、建筑工程以及應急照明用具等領域。隨著科技的不斷發展，聚碳酸酯塑料在許多高端技術領域如軍工、航天、電子計算機、光纖等也有著廣泛的用途[5-7]。

按照官能團結構的差異，聚碳酸酯可分為脂肪族、芳香族、脂肪-芳香族等類型。由于可以實現產業化，芳香族聚碳酸酯其應用目前最為廣泛。芳香族聚碳酸酯具有聚碳酸酯的性能優點，但是其阻燃性能較差。未經改性的芳香族聚碳酸酯雖然具有一定的阻燃性，但其UL94阻燃性能只能達到V-2或HB級別，氧指數在24～28之間，無法應用在對阻燃要求特別高的場所[8-9]。另一方面，芳香族聚碳酸酯由于分子鏈剛性大，材料的流動性不好，不易加工，材料容易產生開裂情況，對產品的質量產生嚴重的影響。同時，芳香族聚碳酸酯玻璃化轉變溫度較高，因此，這種材料在低溫環境中其機械性能較差，尤其是嚴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合的使用。

本文的研究目的是開發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點，可以實現產業化，滿足各種高端領域的使用要求。

1 實驗部分

1.1 主要原料

本文用到的主要原料見表1。

表1 主要原材料

1.2 主要設備儀器

本文用到的主要設備儀器見表2。

表2 主要設備儀器

1.3 試樣制備[10]

試樣的制備步驟如下，制備流程見圖1。

圖1 試樣制備流程圖

1）將PC樹脂進行干燥，干燥條件為120℃下烘4～8 h，嚴格控制樹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樹脂、各種助劑混合均勻后進行熔融混煉。其中，熔融混煉的條件設置為：轉速400～1 000 r·min-1，混煉時間設置為5～10 min，混煉溫度設置為250～290 ℃。

3）用雙螺桿擠出機將材料擠出，利用水進行冷卻，冷卻溫度為55～65℃。

4）接著進行切粒，切粒過程中轉速設置為600～800 r·min-1。

5）雙螺桿擠出機螺桿的直徑為30～75 mm、螺桿長徑比（20～36）∶1、壓縮比為（2.1～2.5）∶1、轉速為220～350 r·min-1。擠出機設定溫度為250～260℃。

6）顆粒經干燥后注塑成標準樣條進行力學及阻燃性能等測試。

1.4 性能測試

按照表3的項目、方法和條件進行測試。

表3 測試項目、方法和條件

2 結果與討論

2.1 不同阻燃體系對PC強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表4。

表4 試驗樣品的配方表

在配方中加入耐寒增韌劑，其目的是提高基體樹脂耐低溫性能，產品在應力作用下不易出現開裂。耐寒增韌劑的加入對材料的物理性能影響甚微，在基體樹脂中具有良好的分散性能，幾乎不影響基體樹脂的樹脂流動性，對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樹脂成炭速度以及促進PC交聯的作用，磷酸酯阻燃劑具有良好的流動性，可有效改善材料加工過程中的流動性[11-12]。協效阻燃劑的成分是有機硅阻燃劑，這種阻燃劑可提高PC樹脂的熱穩定性以及促進炭形成的作用。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成抗氧劑。兩種抗氧劑混合使用，發揮良好的協同作用，產品的熱氧穩定性得到了有效的提高，降低了產品的熱失重，抑制了產品的氧化降解，輔助抗氧劑還可以提高產品的加工穩定性能[15]。

紫外線吸收劑的作用是防止產品被有害的紫外光破壞而導致材料變色，出現發黃發黑現象。

抗滴落劑使用了進行表面燒結處理聚四氟乙烯。抗滴落劑一方面能提高產品的流動性和分散性，使產品在預混合過程中提前纖維化。更重要的是，抗滴落劑能防止熔化滴落并有效提高產品的阻燃性能，可以減少阻燃劑使用量，同時還確保了產品的阻燃性能達到要求，降低了產品的生產成本，增強了產品的競爭力。

所制備的聚碳酸酯合金樣品其力學性能及阻燃性能的影響見表5。

表5 不同阻燃劑和不同協效阻燃劑對樣品的力學性能及阻燃性能

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

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#的材料拉伸強度、彎曲性能、彎曲模量以及沖擊強度綜合性能較好，因此考察全氟丁基磺酸鹽的添加量對材料性能的影響，結果見表6。

表6 全氟丁基磺酸鉀添加量對材料性能的影響

從表6的結果可以看出，在全氟丁基磺酸鉀添加量為0.5%時，聚碳酸酯合金材料可達到V-0@1.5 mm級別的阻燃性能，這是因為全氟丁基磺酸鉀可以在燃燒過程中促進聚碳酸酯結構的異構化并且形成交聯，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有上升，無法滿足V-0@0.8 mm阻燃的要求。

2.3 抗滴落劑添加量對阻燃性能的影響

改變抗滴落劑的量，考察其添加量對材料阻燃性能的影響，結果見表7。

從表7可以明顯看出，加入的抗滴落劑對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品的阻燃性能，當聚四氟乙烯的添加量為0.2%時，所制備的無鹵阻燃聚碳酸酯合金材料其樣條厚度為1.5 mm，樣條的阻燃可達到UL 94 V-0級別。

表7 抗滴落劑添加量對阻燃性能的影響

3 結論

本文以磺酸鹽阻燃劑、磷酸酯阻燃劑以及有機硅阻燃劑組成復合阻燃劑，加入聚四氟乙烯作為抗滴落劑制備無鹵阻燃聚碳酸酯合金。聚四氟乙烯能防止產品熔化滴落并可提高產品的阻燃性能。當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，所制備的無鹵阻燃聚碳酸酯合金材料其樣條厚度為1.5 mm，樣條的阻燃可達到UL 94 V-0 級別。所制備的聚碳酸酯合金材料具有較高沖擊強度，具有良好的阻燃性能、良好的耐低溫性和加工性能。