阻燃透明聚碳酸酯板材的制備及其性能研究

張瑾 劉大光 譚潤(rùn)升 王宏 谷松

（錦西化工研究院有限公司 遼寧省航空有機(jī)透明材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) 葫蘆島 125060）

0 引言

聚碳酸酯（PC）是綜合性能優(yōu)越的熱塑性工程塑料，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，聚碳酸酯具有優(yōu)異的透光性、沖擊韌性、電絕緣性、耐候性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于航空航天、電氣照明、透光建筑材料等行業(yè)［1］。

隨著行業(yè)的日益發(fā)展，對(duì)聚碳酸酯產(chǎn)品的需求迅速增加，要求其在具有良好的光學(xué)性能及力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，在低厚度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的阻燃效果［2］。聚碳酸酯本身雖具有一定的阻燃性，在不改性的情況下可以達(dá)到UL94 V-2級(jí)（3.2 mm）［3］，但仍難以滿足當(dāng)前的阻燃需求。因此，需要對(duì)聚碳酸酯進(jìn)行阻燃改性。

目前常用PC阻燃體系有溴系、磷酸酯系、磺酸鹽系、有機(jī)硅系等［4］。溴系阻燃劑與PC具有良好的相容性，阻燃效果好，但高溫下易分解，螺桿和模具易被腐蝕產(chǎn)生黑點(diǎn)［5］，影響擠出板材表面質(zhì)量，且溴系阻燃劑燃燒時(shí)產(chǎn)生大量煙霧和有毒有害氣體，危害較大，限制了其應(yīng)用。其次是磷酸酯系阻燃劑，該類阻燃劑由于添加量較大，對(duì)PC的力學(xué)性能及光學(xué)性能影響較大［6］?；撬猁}系阻燃劑阻燃效果顯著，較少的添加量即可提升PC阻燃性能，對(duì)PC板材光學(xué)性能影響較小，其缺點(diǎn)是添加量極少，使得阻燃劑在PC體系中分散困難，且價(jià)格較為昂貴，單獨(dú)使用時(shí)不能滿足較高的阻燃要求［4］。硅系阻燃劑加工性能良好，對(duì)機(jī)械性能影響較小，對(duì)環(huán)境友好，可以起到阻燃和抑煙的效果［7］，但是單獨(dú)添加時(shí)添加量較大，成本高，需要與其他阻燃劑復(fù)配使用［8-9］。

本文針對(duì)當(dāng)前對(duì)透明聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用硅系阻燃劑FCA-107和磺酸鹽阻燃劑KSS復(fù)配改性PC，固定硅系阻燃劑FCA-107加入量不變，通過(guò)配方試驗(yàn)確定磺酸鹽阻燃劑KSS適宜加入量，而后進(jìn)一步確定硅系阻燃劑FCA-107加入量，根據(jù)性能測(cè)試結(jié)果確定最佳阻燃配方，分別研究了不同組分其加入量對(duì)PC阻燃性能、光學(xué)性能及力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

聚碳酸酯樹脂（PC，牌號(hào)為L(zhǎng)XW-1），魯西化工集團(tuán)股份有限公司；二苯基砜磺酸鉀（KSS，牌號(hào)F-535），Arichem公司；有機(jī)硅阻燃劑（牌號(hào)FCA-107），道康寧公司。

雙螺桿擠出機(jī)（STS 50型），科倍隆南京機(jī)械有限公司；注塑機(jī)（SA2500/1000型），寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；燃燒性能試驗(yàn)機(jī)（NK-8202型），東莞市納宇檢測(cè)設(shè)備有限公司；透光率/霧度測(cè)定儀（WGT-S型），上海精密科學(xué)儀器有限公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT4504），深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（501J），深圳萬(wàn)測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將PC樹脂在110～120 ℃下干燥4 h后，按照配方分別加入阻燃劑及PC樹脂粒料，將原料混合均勻后通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融共混擠出，牽引、造粒、干燥，制備得到阻燃聚碳酸酯樹脂粒料，擠出機(jī)溫度為220～270 ℃。將擠出得到的樹脂粒料在110～120 ℃下進(jìn)行干燥，經(jīng)注塑機(jī)注塑出厚度為2 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，注塑溫度為220～280 ℃。

1.3 性能測(cè)試

透光率、霧度按照GB/T 2410—2008進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸50 mm×50 mm×2 mm；拉伸強(qiáng)度、拉伸模量按照GB/T 1040.2—2006進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸185 mm×20 mm×2 mm，拉伸強(qiáng)度測(cè)試中測(cè)試速度為50 mm/min，拉伸彈性模量測(cè)試中測(cè)試速度為1 mm/min；缺口沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1843—2008進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；60 s垂直燃燒按照HB 5469進(jìn)行測(cè)試，垂直燃燒樣品尺寸為368 mm×76 mm×2 mm。

1.4 阻燃PC配方

本實(shí)驗(yàn)選擇阻燃PC配方見(jiàn)表1。

表1 阻燃PC配方 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

2 結(jié)果與討論

2.1 不同阻燃配方對(duì)PC板材阻燃效果的影響

不同阻燃配方對(duì)PC燃燒性能的影響見(jiàn)表2。

表2 不同阻燃配方對(duì)PC燃燒性能的影響

由表2可知，隨著阻燃劑KSS和FCA-107加入量的增加，聚碳酸酯板材的燃燒性能明顯提高，板材自熄能力增強(qiáng)，焰燃時(shí)間及燒焦長(zhǎng)度減少，滴落物續(xù)燃時(shí)間減少。單獨(dú)添加KSS阻燃劑時(shí)，PC板材阻燃效果雖有明顯改善，但其在燃燒過(guò)程中滴落物較多，且燃燒過(guò)程中煙霧較大。隨著FCA-107用量的增加，燃燒過(guò)程中放出煙霧有所減弱，滴落物明顯減少。這是因?yàn)镵SS和FCA-107兩種阻燃劑協(xié)同作用，在燃燒過(guò)程中，形成了碳化保護(hù)層，該碳層結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定，具有阻燃、抑煙、抗滴落等特性。且二者添加量在一定范圍內(nèi)時(shí)，復(fù)配阻燃劑制備的PC板材較兩種阻燃劑單獨(dú)使用時(shí)其阻燃性能明顯提高。隨著阻燃劑KSS和FCA-107加入量的繼續(xù)增加，PC板材的燃燒性能反而降低，這可能是因?yàn)樽枞紕┰赑C基體中分散困難，影響了PC板材的燃燒性能。

2.2 不同阻燃配方對(duì)PC板材透光率的影響

不同阻燃配方對(duì)PC板材光學(xué)性能的影響見(jiàn)表3和圖1。

表3 不同阻燃配方對(duì)PC板材光學(xué)性能的影響

圖1 不同配方對(duì)透光率及霧度的影響

由表3和圖1可知，隨著FCA-107及KSS加入量的增加，透光率隨之下降，霧度隨之上升。隨著KSS阻燃劑加入量的增加，對(duì)PC板材透光率影響較小，霧度增加明顯。這是因?yàn)镵SS為白色粉末狀固體且添加量較少，在PC基體中不易分散均勻，使材料內(nèi)部產(chǎn)生了霧度，但其對(duì)板材的透光率影響不大［10］。而FCA-107基本不影響PC的光學(xué)性能，這是因?yàn)镕CA-107分子鏈中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)與PC分子鏈結(jié)構(gòu)相近，由于相似相容原理，使FCA-107阻燃劑與PC樹脂相容性增加，使FCA-107阻燃劑能均勻混合分散［10］，保證PC板材光學(xué)性能基本不受影響。

2.3 不同阻燃配方對(duì)PC板材力學(xué)性能的影響

不同阻燃配方對(duì)PC板材力學(xué)性能的影響見(jiàn)表4、圖2和圖3。聚碳酸酯（PC）具有優(yōu)異的力學(xué)性能，純PC的拉伸強(qiáng)度為66 MPa，拉伸彈性模量為2300 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為65.5 kJ/m2。由表4、圖2、圖3可知，隨著阻燃劑加入量的增加，材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量、缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)KSS加入量為0.4%、FCA-107加入量為0.5%時(shí)，力學(xué)性能最優(yōu)，所制備的PC板材其拉伸強(qiáng)度為68.6 MPa，拉伸彈性模量為2410 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為68.2 kJ/m2，這是因?yàn)楣柘底枞紕┓肿恿看螅宦?lián)程度高，且KSS與FCA-107分子結(jié)構(gòu)在中羥基官能團(tuán)與PC通過(guò)氫鍵結(jié)合，在PC基體中形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，PC分子鏈相互作用力增強(qiáng)，且分子鏈中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，分子鏈剛性大，因而拉伸強(qiáng)度及模量增加。PC板材缺口沖擊強(qiáng)度也有所改善，這是因?yàn)镕CA-107硅系阻燃劑分子鏈柔順性好，使PC韌性增加，沖擊強(qiáng)度提高。但隨著阻燃劑添加量的繼續(xù)增加，PC板材力學(xué)性能降低，這是因?yàn)樽枞紕┰赑C基體中不易均勻分散，造成應(yīng)力集中點(diǎn)，力學(xué)性能降低。

表4 不同阻燃配方對(duì)PC拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 不同配方對(duì)拉伸強(qiáng)度及拉伸彈性模量的影響

圖3 不同配方對(duì)缺口沖擊強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）當(dāng)KSS添加量為0.4%、FCA-107添加量為0.5%時(shí)，聚碳酸酯板材阻燃性能最優(yōu)，聚碳酸酯板材的透光率為88.6%，霧度為1.22%，拉伸強(qiáng)度為68.6 MPa，拉伸彈性模量為2410 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為68.2 kJ/m2。

（2）磺酸鹽阻燃劑KSS與有機(jī)硅阻燃劑FCA-107具有良好的協(xié)同作用，二者復(fù)配使用時(shí)，通過(guò)對(duì)配方的調(diào)整，在較低的添加量時(shí)仍能保證聚PC板材阻燃效果較好，在改善阻燃性能的同時(shí)保證了其優(yōu)異的光學(xué)性能及力學(xué)性能。