許寧,楊樹娥,李健,徐興亮
(天津長蘆海晶集團有限公司,天津 300450)
聚酰胺66(PA66)因其具有良好的機械性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)藥品性和自潤滑性,應(yīng)用十分廣泛[1]。實際應(yīng)用中,為了提高PA66 的強度及尺寸安定性,降低熱膨脹系數(shù)及收縮率等,通常采用玻纖增強。然而PA66 本身氧指數(shù)為24 左右,屬于可燃物,并且在燃燒過程中產(chǎn)生滴落,采用玻璃纖維增強后的PA66 材料在燃燒時產(chǎn)生“燈芯效應(yīng)”,使材料更易燃燒[2,3]。因此應(yīng)用于易受火災(zāi)威脅的場合時,需要對PA66 進行阻燃改性,保證材料的使用安全。
本文采用同時加入溴銻阻燃劑和長玻纖的方法,對PA66 進行增強及阻燃復(fù)合改性,主要研究溴化聚苯乙烯(BPS)添加量對改性復(fù)合材料阻燃性能及機械性能的影響,為阻燃級PA66 材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。
原料:PA66(EP158),河南神馬;長玻纖,泰山玻璃纖維有限公司;溴化聚苯乙烯,自制;三氧化二銻,華星銻業(yè)。
設(shè)備:TE-35 型雙螺桿擠出機,南京歐立;SA600 注塑機,海天塑機;萬能試驗機、缺口制樣機、簡支梁試驗機,美斯特;垂直燃燒測試儀,北京中航時代儀器設(shè)備有限公司。
將PA66 顆粒,溴銻阻燃劑(溴化聚苯乙烯與Sb2O3物質(zhì)的量比為3∶1),及其他助劑在高速混合機中調(diào)和均勻后,加到雙螺桿擠出機的喂料口,長玻纖從第一排氣口加入,調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速度,使產(chǎn)品玻纖含量為30%。物料在雙螺桿擠出機中熔融、擠出、造粒,注塑樣條后進行相關(guān)性能檢測。試驗流程如圖1 所示。
圖1 試驗流程圖
雙螺桿擠出機的實驗條件:加熱區(qū)T1~T10溫度分布在 255~270℃,主機轉(zhuǎn)速 200~500 轉(zhuǎn)/min。
注塑機注塑條件如表1。
表1 注塑機注塑條件
將一定量的溴化聚苯乙烯與PA66 及其他助劑混合均勻,在雙螺桿擠出機上進行熔融共混。溴化聚苯乙烯分別為12%,15%,18%,21%的添加量下,改性后材料的阻燃性能測試結(jié)果如表2 所示。
表2 BPS 添加量對改性材料阻燃性能的影響
通過表2 數(shù)據(jù)可以看出,隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加,改性后材料的阻燃性能逐漸增強。溴化聚苯乙烯在添加量為18%時能夠達到UL94 V-0 級,且此時在整個垂直燃燒測試過程中,試驗樣條未產(chǎn)生熔融滴落物。根據(jù)溴化聚苯乙烯的阻燃機理,其受熱分解產(chǎn)生HBr 可延緩或中止自由基鏈式反應(yīng)[4,5],同時也促進凝聚態(tài)碳層的形成,這一方面阻隔了熱量的傳遞且隔絕了空氣,另一方面也起到阻止熔融滴落的作用。
2.2.1 改性后材料的拉伸強度
主阻燃劑溴化聚苯乙烯分別為12%,15%,18%,21%的添加量下,改性后材料的拉伸強度指標(biāo)如表3 及圖2 所示。
表3 BPS 添加量對改性材料拉伸強度的影響
圖2 BPS 添加量對改性材料拉伸強度的影響
本文在添加溴銻阻燃劑增強產(chǎn)品阻燃性能的同時,添加30%添加量的玻纖保持產(chǎn)品力學(xué)性能的強度,從表3 及圖2 中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著BPS 添加量的增加,改性后復(fù)合材料的拉伸強度隨之下降。因此可知,阻燃劑的加入會降低改性材料的力學(xué)性能,因此阻燃劑的小劑量化是保證材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。
2.2.2 改性后材料的彎曲強度
主阻燃劑溴化聚苯乙烯分別為12%,15%,18%,21%的添加量下,改性后材料的彎曲強度測試結(jié)果如表4 及圖3 所示。
由表4 及圖3 可知,隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加,改性材料的彎曲強度也逐漸減小,其變化趨勢與拉伸強度相似,但相比拉伸強度來說變化幅度略小。
表4 BPS 添加量對改性材料彎曲強度的影響
圖3 BPS 添加量對改性材料彎曲強度的影響
2.2.3 改性后材料的抗沖擊強度
溴化聚苯乙烯分別為12%,15%,18%,21%的添加量下,改性后材料的非缺口抗沖擊強度、缺口沖擊強度測試結(jié)果如表5 及圖4 所示。
表5 BPS 添加量對改性材料抗沖擊強度的影響
圖4 BPS 添加量對改性材料抗沖擊強度的影響
通過圖表數(shù)據(jù)分析,隨著溴銻阻燃劑添加量的增加,其改性產(chǎn)品的缺口抗沖擊強度及非缺口抗沖擊強度均有所下降。溴化聚苯乙烯本身是一種高分子聚合物,與樹脂基體的相容性較好,但過大劑量的添加會導(dǎo)致團聚現(xiàn)象,降低尼龍分子間作用力[5];Sb2O3是一種粉末狀金屬氧化物,由于較高的表面能,在較大添加量下難以分散均勻,導(dǎo)致材料受外界載荷時性能下降。
綜上所述,溴銻阻燃劑的加入會降低改性材料的力學(xué)性能。因此要想保證改性材料力學(xué)性能不降低,同時也出于節(jié)約生產(chǎn)成本的考慮,需要實現(xiàn)阻燃劑的最小劑量化。當(dāng)溴銻阻燃劑添加量為18%時,改性PA66 材料阻燃性能達到UL94 V-0,此時材料的拉伸強度為142.23MPa,彎曲強度為182.15MPa,缺口沖擊強度為9.15 kJ/m2,滿足我國塑料阻燃相關(guān)規(guī)定要求的同時,材料的力學(xué)性能也滿足市場需求。
本文以PA66 為基體樹脂,通過添加溴銻阻燃劑,采用熔融共混改性法,制備阻燃級PA66 復(fù)合材料,結(jié)論如下:
1)溴化聚苯乙烯三氧化二銻協(xié)效阻燃劑具有優(yōu)良的阻燃性能。隨著配料中溴化聚苯乙烯添加量的增加,改性后復(fù)合材料的阻燃等級逐漸提高。
2)溴銻阻燃劑的加入會對改性PA66 材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負面影響。隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加,改性材料的拉伸強度、彎曲強度、缺口抗沖擊強度、非缺口抗沖擊強度均呈現(xiàn)下降趨勢。
3)當(dāng)主阻燃劑溴化聚苯乙烯添加量為18%時,此時改性產(chǎn)品的阻燃等級可達到UL94 V-0,材料拉伸強度為 142.23MPa, 彎曲強度為182.15MPa,缺口沖擊強度為9.15 kJ/m2,能較好的滿足相關(guān)要求。