摘要 采用苯基甲基硅树脂对聚碳酸酯 ( PC)进行阻燃改性 。试验结果表明 ,苯基甲基硅树脂对 PC具有阻燃 作用 ,可有效提高阻燃 PC的缺口冲击强度和拉伸强度 ,并提高热变形温度 ,但对电性能影响不大 。在苯基甲基硅树 脂质量分数为 6%时 ,材料的氧指数从 28%提高到 40. 6% ,阻燃等级由 UL 94V - 2级提高到 V - 0级 ,不仅完全满足 环保要求 ,而且可保证改性 PC材料在阻燃性能要求高的场合应用 。
关键词 硅树脂 聚碳酸酯 阻燃 改性
聚碳酸酯 ( PC)是一种通用工程塑料 ,具有综合 均衡的力学 、电气及耐热性能 ,特别以优异的冲击强 度和耐蠕变性著称 ,透光率高 ,力学性能好 ,特别是 冲击韧性在工程塑料中最佳 ,它的玻璃化转变温度 ( Tg )高 ,吸水率低 ,制品尺寸相当稳定 ,其体积电阻 率和介电强度与聚酯薄膜相当 ,介电损耗角正切仅 次于聚乙烯 ( PE)和聚苯乙烯 ( PS) ,在 10～130℃下 几乎不变 [ 1 ] 。由于 PC的优良性能 ,其制品及其共 混 (或合金 )材料在电子 、电器 、机械 、汽车 、纺织 、轻 工及建筑等行业获得了广泛的应用 。
PC具有自熄性 ,燃烧时会放出 CO2 ,其阻燃性 能优于一般塑料 ,见表 1。但是在某些阻燃要求高 的场合则需要对其进一步阻燃改性 。目前在 PC的 阻燃改性中 ,国内外最常采用的技术是添加卤系 、磷 系阻燃剂 ,但这会严重损害 PC材料的冲击强度和 电性能等物理力学性能 , 同时还会造成环境污染 。 随着环保和安全法规的日趋严格 ,无卤 、无磷阻燃技 术的研究与开发十分迫切 。因此研究开发具有优良 综合性能的环保型阻燃 PC一直是国内外非常重视 的课题。
表 1 几种塑料的氧指数
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树 脂 名 称
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氧指数 /%
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PE
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17. 5
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聚丙烯 ( PP)
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17. 4
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PS
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18. 1
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(丙烯腈 /丁二烯 /苯乙烯 )共聚物
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18. 8
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聚甲基丙烯酸甲酯
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17. 3
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尼龙
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24. 3～26. 6
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PC
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28
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新一代硅系阻燃剂作为高分子阻燃剂 [ 2 ] 以其 高效 、低烟 、低毒 、无污染 、对塑料的加工性能和物理 力学性能影响甚小及阻燃性优异等优点而引人注 目 。使用 该阻燃 剂阻 燃 的 PP、高 抗 冲 聚 苯 乙 烯 (H IPS)和低密度聚乙烯 (LDPE)均具有优良的综合性能 。
选用的苯基甲基硅树脂 (以下简称硅树 脂 )是一种透明 、粘稠 、带有少量官能团 ( —OH ) 的 低分子量聚合物 ,对环境无污染 ,阻燃性能优良 ,可 以替代卤系 、磷系阻燃剂 。将这种高阻燃性的硅树 脂与 PC均匀混合 , 在赋予 PC 良好阻燃性能的同 时 ,还可提高阻燃材料的冲击强度和电性能 。
1 实验部分
1. 1 主要原材料 PC:日本帝人聚碳酸酯有限公司 ; 硅树脂 : 冠旗硅树脂，浙江冠旗纳米科技有限公司 ; 抗氧剂 : 1010,中庆化工有限公司 ; 其它助剂 :市售 。
1. 2 实验仪器与设备
高速混合机 :山东莱州三维集团公司 ;
双辊塑炼机 : XKR - 66 型 ,益阳橡胶塑料集团 有限公司 ;
平板硫化机 : XLB - D型 ,河南重型机械厂 ; 万能制样机 : HY - W 型 ,承德试验机厂 ; 氧指数测试仪 : HC - 2型 ,济南德瑞克公司 ; 冲击试验机 : UJ - 4型 ,承德试验机厂 ; 热变形温度测定仪 : XWB - 300C型 ,吉林大学科教仪器厂 ;介电强度测定仪 : GJW - 50K型 ,长春市智能仪 器设备有限公司。
1. 3 试样制备
使用之前必须用鼓风烘箱对 PC充分干燥 ,干 燥温度为 ( 120 ±2 ) ℃,料层厚度应小于 30 mm,干
燥时间要在 12 h以上 ,使 PC的含水量在 0. 015%以 下 。
将 PC、阻燃剂硅树脂 、抗氧剂 1010及其它助剂 分别按不同的比例加入高速混合机内充分捏合混 匀 ,再加入到辊温为 160 ～170℃的双辊塑炼机中熔 融混炼 ,使 PC与阻燃剂 、助剂混合均匀 。然后用平 板硫化机在上下模板温度为 220℃下压制成型 ,预 热 5 m in后加压 3 m in,冷压 5 m in,脱模 ,即制得厚 度分别为 3 mm和 4 mm的阻燃 PC板材 。再用万能 制样机制取用于测试氧指数 、力学性能及电性能的 试样。
1. 4 性能测试
氧指数按 GB / T 2406 - 1993测试 ; 缺口冲击强度按 GB / T 1043 - 1993测试 ; 表面电阻率和体积电阻率按 GB 1410 - 1989测
试 ;
拉伸屈服强度和拉伸断裂强度按 GB / T 1040 - 1992测试 ;
热变形温度按 GB / T 1634 - 1993测试 。
2 结果与讨论
2. 1 硅树脂对 PC阻燃性能的影响
图 1示出硅树脂用量对 PC氧指数的影响 。
图 1 硅树脂用量对 PC氧指数的影响
由图 1 可看出 ,随着硅树脂用量的增加 , 阻燃 PC的氧指数也随之增大 ;当硅树脂质量分数为 6% 时 ,材料的氧指数增至 40. 6% (优于传统的卤系 、磷 系阻燃剂 ) ,使其阻燃等级达到 UL94 V - 0 级 ;而后 继续增加硅树脂用量 ,氧指数变化不大 。由此可见 , 硅树脂对 PC起到了阻燃作用 。硅树脂之所以具有 优异的热氧化稳定性是由其分子主链的 Si—O 键的 性质所决定的 。众所周知 ,硅树脂的闪点几乎都在 300℃以上 ,具有难燃性 ,在 PC体系中加入硅树脂 后 ,燃烧时硅树脂向 PC表面迁移 、富集而形成均质 的绝热炭化 ( Si—C) 层 ,抑制了内部材料的进一步 燃烧 ,并能防止熔体滴落 ,阻止了燃烧生成的挥发性 分解物的外逸 ,从而隔绝了内部的 PC与外界氧气 的接触而起到阻燃作用 。国内外学者 [ 4, 5 ] 在研究硅 树脂阻燃的 PE时也发现硅树脂在燃烧时仍残留在 凝聚相中 ,形成了较稳定的玻璃态均质炭化层 ,从而
阻止热和物质的传播 。试验中发现硅树脂除在 PC 燃烧时起到阻燃作用外 ,还能避免像卤系 、磷系阻燃 剂 [ 6 ]燃烧时那样发烟量大 、且释放或分解出有毒物 质对环境造成危害的问题 。
2. 2 硅树脂用量对阻燃 PC力学性能的影响 硅树脂与 PC的相容性优良 ,且不损害 PC的成
型加工性 、冲击强度和防湿性 。硅树脂用量对阻燃
PC缺口冲击强度的影响见图 2。由图 2 可看出 ,随 着硅树脂用量的增加 ,阻燃 PC的缺口冲击强度有 所增大 ,当硅树脂的质量分数在小于 6%时 , 阻燃 PC的缺口冲击强度增幅较大 ,而当硅树脂质量分数 大于 6%后阻燃 PC的缺口冲击强度变化较小 。这 是由于所选用的硅树脂中的苯基使得其与 PC的相 容性大为改善 ,在 PC之间形成柔韧界面 ,提高了 PC 的韧性 ,与此同时 ,这种硅树脂分散在 PC之间 ,高 温固化时硅树脂所带的活性官能团 —OH 可能发生 交联反应 ,使得硅树脂与 PC形成一种互穿网络 ,从 而增强了 PC的缺口冲击强度。
图 2 硅树脂用量对阻燃 PC冲击强度的影响
硅树脂用量对阻燃 PC拉伸强度的影响见图 3。 由图 3可看出 ,随着硅树脂用量的增加 ,阻燃 PC的 拉伸屈服强度和拉伸断裂强度都有所增大 ,当硅树 脂质量分数在小于 6%时 ,阻燃 PC的拉伸屈服强度 和拉伸断裂强度增幅较大 ,而当硅树脂的质量分数 大于 6%后阻燃 PC的拉伸屈服强度和拉伸断裂强 度变化较小 。其原因可能是低分子量的硅树脂对阻 燃 PC连续相基本没有破坏 ,加之互穿网络的形成 , 以及第二连续相的形成等都对体系拉伸强度的提高 有积极贡献所致。
2. 3 硅树脂用量对阻燃 PC热变形温度的影响
图 4示出硅树脂用量对阻燃 PC热变形温度的 影响 。由图 4可知 , PC的热变形温度随着硅树脂用 量增加而提高 。这主要是由于硅树脂为耐热性树 脂 ,其中有机基团为烷基时以甲基的耐热性最好 ,而 苯基的耐热性更高 (短时能耐 400～500℃) ,因而这 种既含甲基又含苯基的硅树脂耐热性优异 。当 PC 中添加了这种硅树脂后无疑会使其热变形温度相应 提高。
图 4 硅树脂用量对阻燃 PC热变形温度的影响
2. 4 硅树脂用量对阻燃 PC电性能的影响 PC作为工程塑料的重要特性之一就是其电绝
缘性能良好 ,所以阻燃剂是否具有电绝缘性对 PC
也很重要 。硅树脂用量对 PC电性能的影响见表 2。
表 2 硅树脂用量对 PC电性能的影响
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项 目
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硅树脂质量分数
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/%
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0
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2
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4
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6
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8
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10
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介电强度 /MV ·m - 1
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29. 20
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30. 10
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30. 80
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31. 00
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31. 20
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31. 50
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表面电阻率 /10 - 14Ω
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6. 20
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6. 30
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6. 10
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6. 20
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6. 15
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6. 30
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体积电阻率 /10 - 15Ω·cm
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1. 60
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1. 59
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16. 20
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1. 63
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1. 61
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1. 62
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由表 2 可知 ,阻燃 PC的介电强度随硅树脂用 量的增加而有所增大 ,但其表面电阻率 、体积电阻率
变化不大 。这主要是由于硅树脂既有优良的电绝缘 性又与 PC有很好的相容性所致。
3 结论
( 1)在 PC中加入苯基甲基硅树脂能有效地提 高 PC的阻燃性 ,当硅树脂质量分数为 6%时 ,材料 的氧指数从 28%提高到 40. 6% , 阻燃等级由 UL 94V - 2 级提高到 V - 0 级 ,可保证 PC材料在阻燃 性能要求高的环境条件下应用。
( 2)由于苯基甲基硅树脂与 PC具有很好的相 容性 ,两者共混后不仅不损害 PC的力学强度 ,反而 还可有效提高 PC的缺口冲击强度 、拉伸屈服强度 及拉伸断裂强度。
( 3)苯基甲基硅树脂的加入可提高阻燃 PC的 热变形温度 ,但对其电性能影响不大。
(4) 采用苯基甲基硅树脂作为 PC的阻燃改性 剂完全可满足环保要求 ,对环境无损害 ,其阻燃性能 优于传统的卤系 、磷系阻燃剂 。
