雙螺桿組合對(duì)增強(qiáng)無(wú)鹵阻燃改性PBT性能的影響

鄭夏蓮，馬元好

(宜春學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)工程學(xué)院，江西宜春 336000)

聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)材料是五大工程塑料之一，具有良好的電性能、力學(xué)性能，以及具有強(qiáng)度較高、耐老化、耐熱和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在汽車、電子電器和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。

隨著汽車、電子電器和工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的不斷發(fā)展，PBT的需求量也不斷上升，因此加強(qiáng)開發(fā)和生產(chǎn)改性PBT具有重要的意義[4]。如今我國(guó)的PBT出口量逐年攀升，年產(chǎn)能較大，國(guó)產(chǎn)化率較高，PBT改性研究已經(jīng)得到了一定的進(jìn)展，改性PBT性能方面得到很大的提升，但是相比于國(guó)外，仍有一定差距[5]。在改性研究中，增強(qiáng)PBT的阻燃性是一個(gè)重要課題，常通過添加阻燃劑來(lái)提高PBT的阻燃性能，如采用核-殼高聚物型阻燃劑、防滴劑與三氧化二銻并用以達(dá)到阻燃、防滴等多重阻燃效果[6-7]。以前常用的阻燃劑為含鹵素阻燃劑，市場(chǎng)上所銷售的阻燃PBT材料主要是以十溴聯(lián)苯醚和三氧化二銻復(fù)配使用的阻燃改性PBT，但是含鹵素阻燃劑在生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的危害，因此開發(fā)生產(chǎn)無(wú)鹵阻燃PBT更加適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r[8]。

在研究如何提升無(wú)鹵阻燃PBT的性能時(shí)，研究者更多的是通過添加不同的不含鹵素的配料來(lái)改變PBT的性能[9]。但是在改性過程中擠出工藝對(duì)PBT的性能也會(huì)有很大的影響[10]，對(duì)于使用同樣的配料，在采用不同的螺桿組合、喂料速度、擠出溫度等條件時(shí)生產(chǎn)的PBT的性能會(huì)有所差別。

筆者設(shè)計(jì)了3種螺桿組合，研究了在不同擠出溫度和主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下由這3種螺桿組合生產(chǎn)的增強(qiáng)無(wú)鹵阻燃改性PBT的性能，對(duì)比得出了制得的改性PBT性能最佳時(shí)所采用的螺桿組合、溫度和主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，從而為高性能增強(qiáng)無(wú)鹵阻燃改性PBT材料的實(shí)際生產(chǎn)提供一定的借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PBT：1100-211M，中國(guó)臺(tái)灣長(zhǎng)春化工集團(tuán)；

聚磷酸銨(APP)：99.8%，濟(jì)南豪邦化工有限公司；

三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)：98%，湖北隆信化工實(shí)業(yè)有限公司；

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)：東莞市康錦新材料有限公司；

聚丙烯(PP)：V-30，廣東茂名石化公司；

玻璃纖維：988A，中國(guó)巨石股份有限公司；

聚乙烯(PE)：FM5220，北歐化工有限公司；

乙烯-辛烯共聚物彈性體(POE)：8150，美國(guó)陶氏化學(xué)公司；

四[β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯(C73H108O12，抗氧劑1010)：山東優(yōu)索化工科技有限公司；

三[2，4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯(C42H63O3P，抗氧劑168)：安徽友豐新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

立式混合干燥機(jī)：ST202101312236型，河北勝拓機(jī)械有限公司；

高速攪拌混合機(jī)：ZGH-350型，常州君諾干燥設(shè)備實(shí)力工廠；

雙螺桿擠出機(jī)：TSH-52P型，螺桿的長(zhǎng)徑比為44∶1，南京滕達(dá)機(jī)械設(shè)備有限公司；

切粒機(jī)：LQ-400懸臂式型，泰州永楊機(jī)械制造有限公司；

注塑機(jī)：TZHME-1200型，蘇州天正機(jī)械廠；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：TFW型，上海拓豐儀器科技有限公司；

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：SMT-3002C型，揚(yáng)州市賽思檢測(cè)設(shè)備有限公司；

水平垂直燃燒試驗(yàn)儀：HD-R807型，東莞市海達(dá)儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將PBT，APP，MPP，玻璃纖維，PP，PE，POE，抗氧劑的質(zhì)量比定為45/15/6/30/3/1/2/0.5(抗氧劑1010和168的質(zhì)量比為1/1)。按上述配方取適量的PBT原料，放入已經(jīng)加熱到95℃的立式混合干燥機(jī)中，干燥2～4 h。將所需的阻燃劑(APP，MPP)，偶聯(lián)劑(KH-570)、增容增韌劑(PP，PE，POE)、抗氧劑1010及抗氧劑168分別按照上述比例稱量好，待PBT原料干燥完成后，先將PBT原料放入高速攪拌混合機(jī)中攪拌，攪拌速度為500 r/min，而后依次加入稱量好的阻燃劑、偶聯(lián)劑、增容增韌劑、抗氧劑，攪拌至均勻，放入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)料倉(cāng)中，GF從螺桿第6節(jié)纖維專用加料口加入，熔融擠塑，而后經(jīng)過水冷、風(fēng)干、切粒、篩選、干燥，得到改性后的PBT。將改性后的PBT粒料加入到注塑機(jī)中，制成標(biāo)準(zhǔn)試樣。注塑機(jī)的溫度依次為245，255，260℃，注塑壓力為75 MPa。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究螺桿組合、溫度及螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)該種改性PBT性能的影響并獲得改性PBT性能最佳的一組，設(shè)置了如下方案。

(1)溫度和轉(zhuǎn)速設(shè)置。

共設(shè)置3組溫度。第1組：170，230，230，200，200，170，170，160，190，210℃；第2組：180，240，240，210，210，180，180，170，200，220℃；第3組：190，250，250，220，220，190，190，180，220，220℃。3種主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)為275，325，375 r/min。

(2)螺桿組合設(shè)置。

設(shè)置了3種螺桿組合，其特性分別為高輸送高剪切組合、低輸送高剪切組合、大導(dǎo)程中剪切組合，分別記為1#，2#，3#，螺紋元件的設(shè)置見表1和表2，總共有51個(gè)螺紋元件。1#，2#，3#螺桿組合相同部分是序號(hào)為1～4，20～21和23的螺紋元件，分別是SE32/32A，SE96/96SK，SE96/48SK，SE96/48SK，SE72/72，SE72/72，SE96/96(A表示該元件為起始元件、SK代表該元件為深槽螺紋式輸送元件)。3種螺桿的螺紋組合總長(zhǎng)度均為2 030 mm。

表1 序號(hào)為5～19，22，24～29的螺紋元件組合

表2 序號(hào)為30～51的螺紋元件組合

(3)實(shí)驗(yàn)順序設(shè)置。

首先，固定主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為400 r/min，分別在設(shè)置的3組溫度下擠出得到改性PBT粒料，然后注塑得到試樣并測(cè)試其在3種螺桿組合下的性能，通過分析數(shù)據(jù)，可以得出性能最佳的溫度組合；然后，選用該溫度組合，改變主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，測(cè)試試樣在3種螺桿組合下的性能。

1.5 性能表征

拉伸強(qiáng)度按GB/T 1040.1-2006測(cè)試，拉伸速度為50 mm/min，共測(cè)試10次，取平均值；

彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341-2008測(cè)試，彎曲速度為2.0 mm/min，共測(cè)試10次，取平均值；

缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843-2008測(cè)試，共測(cè)試10次，取平均值；

利用水平垂直燃燒試驗(yàn)儀測(cè)試試樣阻燃性，將試樣放在火焰上燃燒10 s，移開火焰記錄試樣火焰熄滅時(shí)間，共測(cè)試10次。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性PBT在不同螺桿組合及不同溫度下的性能變化

固定主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速，在3組溫度下由不同螺桿組合制備的改性PBT的性能見表3。由表3可以看出，在相同溫度下，1#螺桿組合制得的改性PBT的性能整體上比2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的性能更好，這是由于1#螺桿組合在熔融段和混合段大多采用的是輸送元件和較薄的45°捏合塊元件，能提供一定的剪切應(yīng)力并且還具有一定的輸送能力，而3#螺桿組合剪切力相對(duì)更弱，物料混合性差，2#螺桿在熔融段和混合段采用的捏合塊錯(cuò)列角較大，并且輸送元件相對(duì)較少，有較大的剪切力但是其輸送能力較差，相對(duì)來(lái)看，1#螺桿組合的輸送能力和混合能力更好[11-13]。

表3 不同溫度組合下3種螺桿組合制備的改性PBT性能

由表3還可以看出，當(dāng)采用同一螺桿組合時(shí)，在第2組溫度下制得的改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度比在另外兩組溫度下制得的改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度整體上更好，在第3組溫度下制得的改性PBT的缺口沖擊強(qiáng)度比在另外兩組溫度下制得的改性PBT的缺口沖擊強(qiáng)度更好，并且第3組溫度整體上高于第2組溫度，而第2組溫度整體上高于第1組溫度?？梢钥闯鲈谄渌鼦l件相同情況下，改性PBT的缺口沖擊強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而增加，而改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度會(huì)先隨溫度的升高有一定的增大，而后當(dāng)超過一個(gè)臨界的溫度后又會(huì)有所下降。這是由于隨著溫度的升高，物料的黏度會(huì)下降，物料的流動(dòng)性得到增強(qiáng)，使加入到物料中的玻璃纖維能夠被充分浸潤(rùn)，并且使玻璃纖維更難被折斷，但當(dāng)溫度過高，會(huì)使得一些物料分解，從而會(huì)降低了PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度[14]。

分別對(duì)在第2組溫度下3種螺桿組合制得的改性PBT進(jìn)行阻燃性測(cè)試，所得結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT燃燒時(shí)間整體上略低于另外兩組，經(jīng)計(jì)算，1#，2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的10次阻燃測(cè)試燃燒時(shí)間總長(zhǎng)分別為17.4，19.0，21.5 s，可以得出1#螺桿組合制得的改性PBT的阻燃性能更好。

圖1 在第2組溫度下3種組螺桿組合制得的改性PBT阻燃測(cè)試結(jié)果

綜上可知，對(duì)于1#，2#，3#螺桿組合，在第2組溫度下，其制得的改性PBT的性能相對(duì)更好，并且由1#螺桿組合所制得的改性PBT性能更加優(yōu)于其余兩組，其拉伸強(qiáng)度為68.48 MPa，彎曲強(qiáng)度為106.86 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為5.44 kJ/m2，10次阻燃測(cè)試的燃燒時(shí)間總長(zhǎng)為17.4 s。

2.2 改性PBT在不同螺桿組合及不同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下的性能變化

選擇第2組溫度，在不同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下由不同螺桿組合制得的改性PBT的性能見表4。由表4可知，在相同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下，1#螺桿組合所制得的改性PBT性能最優(yōu)。當(dāng)其它條件不變，主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速增大時(shí)，制得的改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度也在增大，缺口沖擊強(qiáng)度總體上先增加而后減小，但變化幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)槲沽纤俣鹊葪l件沒有變化，單位時(shí)間主機(jī)內(nèi)除玻璃纖維外的物料增加的量相同，而主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速增加，單位時(shí)間加入主機(jī)的玻璃纖維的量增加，因此，單位體積內(nèi)玻璃纖維的含量增加，所以改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度會(huì)增加。但是隨著主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速不斷增加，玻璃纖維容易被折斷，并且不易被物料浸潤(rùn)，使得改性PBT的缺口沖擊強(qiáng)度略微有所下降[15-16]。

表4 不同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下3種螺桿組合制備的改性PBT性能

在375 r/min的轉(zhuǎn)速下3種螺桿組合制得的改性PBT的阻燃性能如圖2所示。由圖2可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT的燃燒時(shí)間總體上更短，阻燃性更好，1#，2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的10次阻燃測(cè)試燃燒時(shí)間總長(zhǎng)分別為15.1，16.1，18.0 s。綜上所述，在不同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下，1#螺桿組合所制得的改性PBT性能依舊優(yōu)于2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的性能；當(dāng)主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為375 r/min時(shí)，綜合性能更佳，改性PBT的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度提高，缺口沖擊強(qiáng)度雖略微有所下降，燃燒總長(zhǎng)縮短，其 值 分 別 為69.24 MPa，107.31 MPa，5.39 kJ/m2，15.1 s。

圖2 在375 r/min螺桿轉(zhuǎn)速下3種螺桿組合制得的PBT阻燃測(cè)試結(jié)果

結(jié)合表3和表4可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT的綜合性能優(yōu)于另外兩組螺桿組合制得的改性PBT的性能，雖然溫度和主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)改性PBT的性能都有影響，但影響并不是十分明顯，而不同螺桿組合對(duì)改性PBT性能的影響更明顯。

3 結(jié)論

(1)通過測(cè)試在3組溫度下由不同螺桿組合得到的改性PBT性能發(fā)現(xiàn)，在第2組溫度下1#螺桿組合制備的改性PBT性能較佳，其拉伸強(qiáng)度為68.48 MPa，彎曲強(qiáng)度為106.86 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為5.44 kJ/m2，燃燒時(shí)間總長(zhǎng)為17.4 s。

(2)固定第2組溫度，測(cè)試不同螺桿組合下不同主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的改性PBT性能，發(fā)現(xiàn)在375 r/min的主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速下，選用1#螺桿組合制得的改性PBT的性能最佳，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和燃燒時(shí)間總長(zhǎng)分別為69.24 MPa，107.31 MPa，5.39 kJ/m2，15.1 s。

(3)溫度和主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)改性PBT性能影響不十分明顯，螺桿組合對(duì)改性PBT性能影響顯著。