无卤阻燃聚碳酸酯合金的制备及性能表征

姚杏梅，袁瑞建，李志明

（广东聚石复合材料有限公司，广东 清远 511540）

聚碳酸酯塑料（PC）具有光学性能优异、高韧性、冲击强度高、低温冲击性，抗蠕变性和尺寸稳定性好、高耐热、透明性、机械强度高、吸水性低、无毒、介电性能优良等优点，是五大通用工程塑料之一，近年来其在各行业中的应用增长速度非常迅速[1-4]，广泛应用在电子电气、车用材料、医疗卫生器械、建筑工程以及应急照明用具等领域。随着科技的不断发展，聚碳酸酯塑料在许多高端技术领域如军工、航天、电子计算机、光纤等也有着广泛的用途[5-7]。

按照官能团结构的差异，聚碳酸酯可分为脂肪族、芳香族、脂肪-芳香族等类型。由于可以实现产业化，芳香族聚碳酸酯其应用目前最为广泛。芳香族聚碳酸酯具有聚碳酸酯的性能优点，但是其阻燃性能较差。未经改性的芳香族聚碳酸酯虽然具有一定的阻燃性，但其UL94阻燃性能只能达到V-2或HB级别，氧指数在24～28之间，无法应用在对阻燃要求特别高的场所[8-9]。另一方面，芳香族聚碳酸酯由于分子链刚性大，材料的流动性不好，不易加工，材料容易产生开裂情况，对产品的质量产生严重的影响。同时，芳香族聚碳酸酯玻璃化转变温度较高，因此，这种材料在低温环境中其机械性能较差，尤其是严重影响了材料的冲击性能，限制了其在低温冲击要求较高场合的使用。

本文的研究目的是开发出一种具有高性能阻燃聚碳酸酯合金，这种合金材料需具有高阻燃、高抗冲和良好加工性能等优点，可以实现产业化，满足各种高端领域的使用要求。

1 实验部分

1.1 主要原料

本文用到的主要原料见表1。

表1 主要原材料

1.2 主要设备仪器

本文用到的主要设备仪器见表2。

表2 主要设备仪器

1.3 试样制备[10]

试样的制备步骤如下，制备流程见图1。

图1 试样制备流程图

1）将PC树脂进行干燥，干燥条件为120℃下烘4～8 h，严格控制树脂的含水率不得高于0.02%。

2）按照配方比例将各种材料，如PC树脂、各种助剂混合均匀后进行熔融混炼。其中，熔融混炼的条件设置为：转速400～1 000 r·min-1，混炼时间设置为5～10 min，混炼温度设置为250～290 ℃。

3）用双螺杆挤出机将材料挤出，利用水进行冷却，冷却温度为55～65℃。

4）接着进行切粒，切粒过程中转速设置为600～800 r·min-1。

5）双螺杆挤出机螺杆的直径为30～75 mm、螺杆长径比（20～36）∶1、压缩比为（2.1～2.5）∶1、转速为220～350 r·min-1。挤出机设定温度为250～260℃。

6）颗粒经干燥后注塑成标准样条进行力学及阻燃性能等测试。

1.4 性能测试

按照表3的项目、方法和条件进行测试。

表3 测试项目、方法和条件

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃体系对PC强度及阻燃性能的影响

本文制备的聚碳酸酯合金材料的配方见表4。

表4 试验样品的配方表

在配方中加入耐寒增韧剂，其目的是提高基体树脂耐低温性能，产品在应力作用下不易出现开裂。耐寒增韧剂的加入对材料的物理性能影响甚微，在基体树脂中具有良好的分散性能，几乎不影响基体树脂的树脂流动性，对材料的后期注塑加工影响甚微。

阻燃剂由磺酸盐阻燃剂和磷酸酯阻燃剂组合而成，磺酸盐阻燃剂的作用是提高PC树脂成炭速度以及促进PC交联的作用，磷酸酯阻燃剂具有良好的流动性，可有效改善材料加工过程中的流动性[11-12]。协效阻燃剂的成分是有机硅阻燃剂，这种阻燃剂可提高PC树脂的热稳定性以及促进炭形成的作用。该三种阻燃剂组合使用，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]。

主抗氧剂和辅助抗氧剂构成抗氧剂。两种抗氧剂混合使用，发挥良好的协同作用，产品的热氧稳定性得到了有效的提高，降低了产品的热失重，抑制了产品的氧化降解，辅助抗氧剂还可以提高产品的加工稳定性能[15]。

紫外线吸收剂的作用是防止产品被有害的紫外光破坏而导致材料变色，出现发黄发黑现象。

抗滴落剂使用了进行表面烧结处理聚四氟乙烯。抗滴落剂一方面能提高产品的流动性和分散性，使产品在预混合过程中提前纤维化。更重要的是，抗滴落剂能防止熔化滴落并有效提高产品的阻燃性能，可以减少阻燃剂使用量，同时还确保了产品的阻燃性能达到要求，降低了产品的生产成本，增强了产品的竞争力。

所制备的聚碳酸酯合金样品其力学性能及阻燃性能的影响见表5。

表5 不同阻燃剂和不同协效阻燃剂对样品的力学性能及阻燃性能

从表5的可以看出，所制备的合金材料具有较高冲击强度的情况下其他机械性能不受影响，其综合性能优异，具有良好的耐低温性和加工性能等特点。

2.2 全氟丁基磺酸钾添加量的影响

从表5可以看出，3#和6#的材料拉伸强度、弯曲性能、弯曲模量以及冲击强度综合性能较好，因此考察全氟丁基磺酸盐的添加量对材料性能的影响，结果见表6。

表6 全氟丁基磺酸钾添加量对材料性能的影响

从表6的结果可以看出，在全氟丁基磺酸钾添加量为0.5%时，聚碳酸酯合金材料可达到V-0@1.5 mm级别的阻燃性能，这是因为全氟丁基磺酸钾可以在燃烧过程中促进聚碳酸酯结构的异构化并且形成交联，加速成炭[16]。但是随着全氟丁基磺酸钾添加量的增加，材料的阻燃性能并没有上升，无法满足V-0@0.8 mm阻燃的要求。

2.3 抗滴落剂添加量对阻燃性能的影响

改变抗滴落剂的量，考察其添加量对材料阻燃性能的影响，结果见表7。

从表7可以明显看出，加入的抗滴落剂对材料的阻燃性能有明显的影响，加入的聚四氟乙烯作为抗滴落剂能防止合金材料熔化滴落并可提高产品的阻燃性能，当聚四氟乙烯的添加量为0.2%时，所制备的无卤阻燃聚碳酸酯合金材料其样条厚度为1.5 mm，样条的阻燃可达到UL 94 V-0级别。

表7 抗滴落剂添加量对阻燃性能的影响

3 结论

本文以磺酸盐阻燃剂、磷酸酯阻燃剂以及有机硅阻燃剂组成复合阻燃剂，加入聚四氟乙烯作为抗滴落剂制备无卤阻燃聚碳酸酯合金。聚四氟乙烯能防止产品熔化滴落并可提高产品的阻燃性能。当聚四氟乙烯的添加量为0.2%，全氟丁基磺酸钾添加量为0.5%时，所制备的无卤阻燃聚碳酸酯合金材料其样条厚度为1.5 mm，样条的阻燃可达到UL 94 V-0 级别。所制备的聚碳酸酯合金材料具有较高冲击强度，具有良好的阻燃性能、良好的耐低温性和加工性能。