阻燃透明聚碳酸酯的配方研究

2023-11-03张瑾刘大光谭润升王宏季璐

辽宁化工 2023年10期

张瑾，刘大光，谭润升，王宏，季璐

（锦西化工研究院有限公司，辽宁省航空有机透明材料创新团队，辽宁葫芦岛 125099）

聚碳酸酯（PC）是一种综合性能优良的热塑性工程塑料，以突出的光学性能和高冲击强度著称，同时具有良好的尺寸稳定性和电绝缘性能，广泛应用于航空航天、电子电器、照明系统等领域[1-2]。

近年来电器照明等行业火灾事故频发，对聚碳酸酯产品的阻燃性能要求愈发严格[3]，要求其在保持良好的光学性能及力学性能的同时，在低厚度下实现稳定的阻燃效果[4]。与普通热塑性塑料相比，PC 材料具有一定阻燃性，氧指数可达25%，但其燃烧过程中容易滴落，自熄能力不足，难以满足当前的阻燃要求，需要对其进行阻燃改性。常用于PC的阻燃体系有卤素系、磷酸盐系、磺酸盐系、有机硅系等[5-8]。卤素系阻燃剂易产生大量有毒有害气体，引发环境问题，受到了行业使用限制。磷酸盐系阻燃剂其燃烧产物的腐蚀性少，形成碳层表面结构致密，阻燃效果好，但其添加量大，且分解温度低，易腐蚀模具，且对材料的光学性能及力学性能有一定的影响[9-10]。硅系阻燃剂具有抑烟、无毒等优点，阻燃效果好，但目前许多有机硅阻燃剂合成工艺复杂，生产成本高，添加量较高，不利于工业化生产[11]。对比之下，磺酸盐系阻燃剂阻燃效果最佳，添加少量的磺酸盐阻燃剂即可显著提升PC 阻燃性能[12]，且改性后仍能保持良好的光学性能，对力学性能影响较小[13]。由于其单独使用时不能满足较高的阻燃要求，燃烧过程中滴落物过多，需要添加抗滴落剂复配使用，能有效防止熔化滴落并提高材料的阻燃性能，在减少阻燃剂用量的同时，可达到最佳阻燃效果。

本文针对当前对聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用磺酸盐系阻燃剂和含氟抗滴落剂复配改性PC，开展配方试验，研究了二者对PC 体系阻燃性能、光学性能及力学性能的影响，在保证聚碳酸酯板材光学性能和力学性能基本不受影响的基础上提高板材的阻燃性能，确定了最佳配方。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚碳酸酯树脂（PC），牌号为LXW-1，鲁西化工集团股份有限公司；阻燃剂，牌号FR-2025，3M公司；抗滴落剂，牌号TF 1645，3M 公司。双螺杆挤出机，STS 50 型，科倍隆南京机械有限公司；注塑机，SA2500/1000 型，宁波海天塑机集团有限公司；燃烧性能试验机，NK-8202 型，东莞市纳宇检测设备有限公司；透光率/雾度测定仪，WGT-S 型，上海精密科学仪器有限公司；微机控制电子万能试验机，CMT4504，深圳市新三思计量技术有限公司；塑料摆锤冲击试验机，501J，深圳万测设备有限公司。

1.2 实验过程

试验前将PC 树脂在110～120 ℃下干燥处理4 h，按照表1 中配方分别加入阻燃剂、抗滴落剂及PC 树脂粒料，将原料混合均匀后经双螺杆挤出机进行熔融共混挤出，牵引、造粒、干燥，制备得到阻燃聚碳酸酯树脂粒料，挤出机温度为220～280 ℃。将挤出得到的树脂粒料在110～120 ℃下进行干燥，经注塑机注塑出厚度为2 mm 的标准试样，注塑温度为220～290 ℃。

表1 阻燃PC 配方质量分数/%

1.3 性能测试

透光率、雾度按照GB/T 2410—2008 进行测试，样品尺寸50 mm×50 mm×2 mm；拉伸强度、拉伸模量按照GB/T 1040.2—2006 进行测试，样品尺寸185 mm×20 mm×2 mm，拉伸强度测试中测试速度为50 mm·min-1，拉伸弹性模量测试中测试速度为1 mm·min-1；缺口冲击强度按照GB/T 1843—2008 进行测试，样品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；弯曲强度按照 GB/T 9341—2008 进行测试，样品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；60 s 垂直燃烧按照HB5469进行测试，样品尺寸为368 mm×76 mm×2 mm。

1.4 阻燃PC 配方

阻燃PC 配方如表1 所示。

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃配方对PC 板材阻燃效果的影响

不同阻燃配方对PC 燃烧性能的影响如表2 所示。由表2 可知，随着阻燃剂FR-2025 和抗滴落剂TF1645 加入量的增加，聚碳酸酯板材的阻燃性能明显提高，板材自熄能力增强，焰燃时间及烧焦长度减少，滴落物续燃时间减少，滴落物明显减少。单独添加FR-2025 阻燃剂时，PC 板材阻燃效果有明显改善，这是因为FR2025 阻燃剂中含有C—F 键，电负性氟原子具有屏蔽作用[14]，且PC 燃烧时形成绝热致密碳化保护层，有利于提高材料阻燃性能，但其在燃烧过程中产生大量黑烟，滴落物较多，滴落物发生续燃。加入抗滴落剂TF1645 后，随着抗滴落剂TF1645 用量的增加，燃烧过程产生的黑烟量及滴落物明显减少，这是因为加入含氟抗滴落剂后，其在螺杆中受到剪切作用后呈现网状结构，受热收缩，增大了树脂黏度[15]。二者协同作用有利于防止熔体滴落，减少火焰蔓延，提高材料的阻燃性能及抗滴落性。随着阻燃剂FR-2025 和抗滴落剂TF1645加入量的继续增加，PC 板材的燃烧性能有所下降，这是因为阻燃剂和抗滴落剂在PC 基体中分散困难，影响了PC 板材的燃烧性能。

表2 不同阻燃配方对PC 燃烧性能的影响

2.2 不同阻燃配方对PC 板材透光率的影响

不同阻燃配方对PC 板材光学性能的影响如表3 所示。由表3 可知，控制抗滴落剂的加入量固定不变时，FR-2025 阻燃剂对PC 板材透光率影响较小，雾度随之增加明显。随着TF1645 抗滴落剂含量的增加，PC 板材透光率随之降低，雾度随之增加，抗滴落剂分散在PC 中会影响PC 板材的光学性能，且FR-2025 阻燃剂和TF1645 抗滴落剂均为白色粉末状固体，随着二者添加量的不断增加，在PC 基体中不易分散均匀，使材料内部产生了雾度，雾度增加明显，但此种环境下光线仍能通过，因此对板材透光率影响不大[14]。

表3 不同阻燃配方对PC 光学性能的影响

2.3 不同阻燃配方对PC 板材力学性能的影响

不同阻燃配方对PC 板材力学性能的影响如表4 所示，纯PC 的拉伸强度为66 MPa，拉伸弹性模量为2 300 MPa，缺口冲击强度为65.5 kJ·m-2，弯曲强度为115 MPa。由表4 可知，随着FR-2025 阻燃剂和TF1645 抗滴落剂加入量的增加，PC 板材的力学强度随之增加，这是因为由于FR-2525 阻燃剂的结构特点，加工过程可能发生少量降解，随着添加量的增加，FR-2525 阻燃剂在加工过程中的分解产物含量增加，PC 通过碳酸盐键的重排产生一定程度的交联，因此，PC 板材的力学强度有所提高。但阻燃剂和抗滴落剂的加入量较少，力学强度随之变化较小。当FR-2025 阻燃剂加入量为0.08%、TF1645抗滴落剂加入量为0.4%时，力学性能最优，所制备的PC 板材其拉伸强度为68.0 MPa，拉伸弹性模量为2 385 MPa，缺口冲击强度为67.8 kJ·m-2，弯曲强度为116.8 MPa。但随着阻燃剂和抗滴落剂添加量的继续增加，PC 板材力学性能降低，这是因为阻燃剂和抗滴落剂总体添加量仍较少，在PC 基体中不易均匀分散，易造成应力集中点，因此力学性能降低。