張瑾，劉大光，譚潤升，王宏，季璐

（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)，遼寧 葫蘆島 125099）

聚碳酸酯（PC）是一種綜合性能優(yōu)良的熱塑性工程塑料，以突出的光學(xué)性能和高沖擊強(qiáng)度著稱，同時(shí)具有良好的尺寸穩(wěn)定性和電絕緣性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電器、照明系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-2]。

近年來電器照明等行業(yè)火災(zāi)事故頻發(fā)，對(duì)聚碳酸酯產(chǎn)品的阻燃性能要求愈發(fā)嚴(yán)格[3]，要求其在保持良好的光學(xué)性能及力學(xué)性能的同時(shí)，在低厚度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的阻燃效果[4]。與普通熱塑性塑料相比，PC 材料具有一定阻燃性，氧指數(shù)可達(dá)25%，但其燃燒過程中容易滴落，自熄能力不足，難以滿足當(dāng)前的阻燃要求，需要對(duì)其進(jìn)行阻燃改性。常用于PC的阻燃體系有鹵素系、磷酸鹽系、磺酸鹽系、有機(jī)硅系等[5-8]。鹵素系阻燃劑易產(chǎn)生大量有毒有害氣體，引發(fā)環(huán)境問題，受到了行業(yè)使用限制。磷酸鹽系阻燃劑其燃燒產(chǎn)物的腐蝕性少，形成碳層表面結(jié)構(gòu)致密，阻燃效果好，但其添加量大，且分解溫度低，易腐蝕模具，且對(duì)材料的光學(xué)性能及力學(xué)性能有一定的影響[9-10]。硅系阻燃劑具有抑煙、無毒等優(yōu)點(diǎn)，阻燃效果好，但目前許多有機(jī)硅阻燃劑合成工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，添加量較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)[11]。對(duì)比之下，磺酸鹽系阻燃劑阻燃效果最佳，添加少量的磺酸鹽阻燃劑即可顯著提升PC 阻燃性能[12]，且改性后仍能保持良好的光學(xué)性能，對(duì)力學(xué)性能影響較小[13]。由于其單獨(dú)使用時(shí)不能滿足較高的阻燃要求，燃燒過程中滴落物過多，需要添加抗滴落劑復(fù)配使用，能有效防止熔化滴落并提高材料的阻燃性能，在減少阻燃劑用量的同時(shí)，可達(dá)到最佳阻燃效果。

本文針對(duì)當(dāng)前對(duì)聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用磺酸鹽系阻燃劑和含氟抗滴落劑復(fù)配改性PC，開展配方試驗(yàn)，研究了二者對(duì)PC 體系阻燃性能、光學(xué)性能及力學(xué)性能的影響，在保證聚碳酸酯板材光學(xué)性能和力學(xué)性能基本不受影響的基礎(chǔ)上提高板材的阻燃性能，確定了最佳配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚碳酸酯樹脂（PC），牌號(hào)為LXW-1，魯西化工集團(tuán)股份有限公司；阻燃劑，牌號(hào)FR-2025，3M公司；抗滴落劑，牌號(hào)TF 1645，3M 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，深圳萬測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

試驗(yàn)前將PC 樹脂在110～120 ℃下干燥處理4 h，按照表1 中配方分別加入阻燃劑、抗滴落劑及PC 樹脂粒料，將原料混合均勻后經(jīng)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220～280 ℃。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220～290 ℃。

表1 阻燃PC 配方 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

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-1，拉伸彈性模量測(cè)試中測(cè)試速度為1 mm·min-1；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；彎曲強(qiáng)度按照 GB/T 9341—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HB5469進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為368 mm×76 mm×2 mm。

1.4 阻燃PC 配方

阻燃PC 配方如表1 所示。

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 燃燒性能的影響如表2 所示。由表2 可知，隨著阻燃劑FR-2025 和抗滴落劑TF1645 加入量的增加，聚碳酸酯板材的阻燃性能明顯提高，板材自熄能力增強(qiáng)，焰燃時(shí)間及燒焦長度減少，滴落物續(xù)燃時(shí)間減少，滴落物明顯減少。單獨(dú)添加FR-2025 阻燃劑時(shí)，PC 板材阻燃效果有明顯改善，這是因?yàn)镕R2025 阻燃劑中含有C—F 鍵，電負(fù)性氟原子具有屏蔽作用[14]，且PC 燃燒時(shí)形成絕熱致密碳化保護(hù)層，有利于提高材料阻燃性能，但其在燃燒過程中產(chǎn)生大量黑煙，滴落物較多，滴落物發(fā)生續(xù)燃。加入抗滴落劑TF1645 后，隨著抗滴落劑TF1645 用量的增加，燃燒過程產(chǎn)生的黑煙量及滴落物明顯減少，這是因?yàn)榧尤牒沟温鋭┖?，其在螺桿中受到剪切作用后呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，受熱收縮，增大了樹脂黏度[15]。二者協(xié)同作用有利于防止熔體滴落，減少火焰蔓延，提高材料的阻燃性能及抗滴落性。隨著阻燃劑FR-2025 和抗滴落劑TF1645加入量的繼續(xù)增加，PC 板材的燃燒性能有所下降，這是因?yàn)樽枞紕┖涂沟温鋭┰赑C 基體中分散困難，影響了PC 板材的燃燒性能。

表2 不同阻燃配方對(duì)PC 燃燒性能的影響

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)性能的影響如表3 所示。由表3 可知，控制抗滴落劑的加入量固定不變時(shí)，F(xiàn)R-2025 阻燃劑對(duì)PC 板材透光率影響較小，霧度隨之增加明顯。隨著TF1645 抗滴落劑含量的增加，PC 板材透光率隨之降低，霧度隨之增加，抗滴落劑分散在PC 中會(huì)影響PC 板材的光學(xué)性能，且FR-2025 阻燃劑和TF1645 抗滴落劑均為白色粉末狀固體，隨著二者添加量的不斷增加，在PC 基體中不易分散均勻，使材料內(nèi)部產(chǎn)生了霧度，霧度增加明顯，但此種環(huán)境下光線仍能通過，因此對(duì)板材透光率影響不大[14]。

表3 不同阻燃配方對(duì)PC 光學(xué)性能的影響

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)性能的影響如表4 所示，純PC 的拉伸強(qiáng)度為66 MPa，拉伸彈性模量為2 300 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為65.5 kJ·m-2，彎曲強(qiáng)度為115 MPa。由表4 可知，隨著FR-2025 阻燃劑和TF1645 抗滴落劑加入量的增加，PC 板材的力學(xué)強(qiáng)度隨之增加，這是因?yàn)橛捎贔R-2525 阻燃劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工過程可能發(fā)生少量降解，隨著添加量的增加，F(xiàn)R-2525 阻燃劑在加工過程中的分解產(chǎn)物含量增加，PC 通過碳酸鹽鍵的重排產(chǎn)生一定程度的交聯(lián)，因此，PC 板材的力學(xué)強(qiáng)度有所提高。但阻燃劑和抗滴落劑的加入量較少，力學(xué)強(qiáng)度隨之變化較小。當(dāng)FR-2025 阻燃劑加入量為0.08%、TF1645抗滴落劑加入量為0.4%時(shí)，力學(xué)性能最優(yōu)，所制備的PC 板材其拉伸強(qiáng)度為68.0 MPa，拉伸彈性模量為2 385 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為67.8 kJ·m-2，彎曲強(qiáng)度為116.8 MPa。但隨著阻燃劑和抗滴落劑添加量的繼續(xù)增加，PC 板材力學(xué)性能降低，這是因?yàn)樽枞紕┖涂沟温鋭┛傮w添加量仍較少，在PC 基體中不易均勻分散，易造成應(yīng)力集中點(diǎn)，因此力學(xué)性能降低。

表4 不同阻燃配方對(duì)PC 拉伸強(qiáng)度的影響

3 結(jié) 論

1）當(dāng)FR-2025 添加量為0.08%、TF1645 添加量為0.4%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88.3%，霧度為1.12%，拉伸強(qiáng)度為68.0 MPa，拉伸彈性模量為2 385 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為67.8 kJ·m-2，彎曲強(qiáng)度為116.8 MPa。

2）磺酸鹽阻燃劑與抗滴落劑復(fù)配應(yīng)用于低厚度（2 mm）PC 板材阻燃效果較好，且磺酸鹽阻燃劑添加量低，對(duì)PC 板材光學(xué)性能影響小，同時(shí)加入抗滴落劑復(fù)配使用，減少了燃燒過程中產(chǎn)生的滴落物，通過配方試驗(yàn)，確定了最優(yōu)配方，在保證其優(yōu)異的光學(xué)性能及力學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高PC 板材的阻燃性能。

3）通過對(duì)PC 板材加工工藝進(jìn)行調(diào)整使磺酸鹽阻燃劑與含氟抗滴落劑均勻地分散在PC 樹脂中，在合適添加量的基礎(chǔ)上，避免因混合不均影響板材性能。