阻燃耐刮擦聚碳酸酯改性材料的制备与性能研究

张金娜，左玉伟，杨树娥，徐兴亮

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

1 前言

聚碳酸酯作为五大工程塑料之一，具有优异的力学性能，包括机械强度高、高冲击强度，高度透明性、高耐候佳等，被广泛应用于电子电气行业、汽车制造业、建材行业等[1-2]。但是，聚碳酸酯材料的阻燃等级为UL-94 V-2，氧指数为25左右，并且在燃烧过程中产生滴落，属于可燃物质；同时聚碳酸酯材料的表面硬度低，与硬物刮擦后产生划痕，使其在一些领域应用中具有局限性。聚甲基丙烯酸甲酯具有较高的表面硬度和优异的透明性，是传统玻璃的替代材料，但其抗冲击强度低。在添加抗冲击剂、阻燃剂的条件下，通过熔融共混可使PC(聚碳酸酯，下同)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，下同)两种材料互相弥补不足，制备综合性能优异的复合材料。

2 实验部分

2.1 主要原料

PC，山东鲁西化工集团股份有限公司生产，牌号1609；PMMA，韩国LG化学公司生产，牌号LGIF850；EMA，法国阿科玛公司生产，牌号AX8900；POE-g-MAN，韩国LG化学公司生产，牌号LC175。

2.2 试验设备

南京欧力TE-35同向双螺杆挤出机；海天塑机SA600注塑机；美斯特万能试验机；美斯特简支梁试验机等。

2.3 理论依据

PC表面耐刮擦等级为B，试验中选择的耐刮擦填料为PMMA，其表面耐刮擦等级为3H，该材料与PC熔融共混可提高复合材料耐刮擦性能，该材料还有较好的透光性，与PC共混改性后的复合材料具有金属光泽。

目前适用PC的抗冲击剂主要是一些具有核壳结构的弹性体，试验中选择的抗冲击剂为EMA和POE-g-MAN。EMA耐环境应力开裂性好，具有较高的抗冲击性，同时其与PC、PMMA均具有较好的相容性[3-4]。POE-g-MAN为非极性的分子主链上引入了强极性的侧基，可以成为增进极性材料与非极性材料粘接性和相容性的桥梁，同时具有很好的抗冲性。两种抗冲剂均具有提高PC/PMMA复合材料抗冲击性和相容性的作用。下面通过实验来研究PMMA、EMA、POE-g-MAN与PC的复合材料的力学性能。

目前PC常用的阻燃剂主要分为溴系、磷系、硅系、硼系、磺酸盐系等，溴系阻燃剂因其对环境和人体造成的伤害而逐渐被限制使用。磷系阻燃剂添加量大，多数分解温度比较低，有些还会影响树脂的冲击强度。有机硅化合物是一种高效、无毒、低烟、环境友好性阻燃剂，但成本较高，常与其他阻燃剂复合使用。硼系阻燃剂阻燃效率不高，通常只有与聚硅氧烷并用才能达到较好的效果。磺酸盐系阻燃剂是一种阻燃效率高，添加少量即可使PC达到阻燃要求。试验中选择的阻燃剂为钾联苯砜-3磺酸盐、全氟丁基磺酸钾、有机硅酸盐阻燃剂，在高温下磺酸盐能提高PC的交联和成炭速率，促进PC的异构化，在PC表面形成炭层，并放出CO2和H2O等不燃物，起到阻隔空气作用。有机硅阻燃剂通过燃烧生成裂解炭层阻止了燃烧分解产物外逸，又抑制了高分子材料的热分解，达到阻燃、低烟和低毒等目的。

2.4 实验步骤

将干燥的PC、PMMA、抗冲剂、阻燃剂及其他助剂按一定比例混合后在TE-35同向双螺杆挤出机中熔融挤出、冷却、干燥、切粒。试验分为力学性能改性和阻燃性能改性两个阶段。

2.4.1 力学性能改性

探究不同添加量的耐刮擦填料及抗冲剂对PC合金材料的影响，在原辅料总添加量不变的情况下，分别改变PMMA添加量和抗冲剂与PMMA的比例以及抗冲剂种类。其中，PMMA添加量分别为20%、30%、40%，抗冲剂与PMMA的比例分别为1 ∶8和1 ∶4，两种抗冲剂分别为EMA和POE-g-MAN，试验配方见表1。

表1 试验配方Tab.1 Experimental formula %

利用双螺杆挤出机分别对上述12组配方进行共混改性试验，实验过程中要求工艺稳定。熔融共混前，应对双螺杆挤出机进行清洗，启动设备，设定试验温度，进行预热，温度达到设定值后，用洗车料对双螺杆挤出机进行清洗，同时对加热区温度情况、螺杆转速及喂料量适宜条件、挤出样条状态、切粒机状态进行检查，确定试验设备符合运行条件，方可进行试验制样。其中双螺杆挤出的试验条件：温度分布T1～T10，220 ℃～260 ℃；主机转速200 r/min～400 r/min。

采用海天塑机SA600注塑机制备标准样条，注塑前用洗车料对注塑机进行清洗，同时检查注塑机状态，确定注塑设备符合运行条件，方可进行注塑制样。注塑条件：温度分布T1～T4，220 ℃～260 ℃；模具温度50 ℃～70 ℃；注射压力60 MPa～90 MPa；成型周期12 s。

对注塑机制备的标准样条进行检测，检测方法和检测标准见表2。

表2 样条的检测方法和依据Tab.2 Detection method and basis of spline

2.4.2 阻燃性能改性

探究不同添加量、不同种类的阻燃剂对PC合金材料的影响，在原辅料添加量不变的情况下，分别改变阻燃剂的添加量和种类。其中，阻燃剂添加量分别为0.05%、0.1%、0.15%，三种抗冲剂分别为钾联苯砜-3磺酸盐、全氟丁基磺酸钾、有机硅酸盐阻燃剂，试验配方见表3。

表3 试验配方Tab.3 Experimental formula

采用双螺杆挤出机分别对上述9组配方进行共混改性试验，试验步骤及条件与上述力学性能改性试验相同。

采用海天塑机SA600注塑机制备标准样条，注塑步骤及注塑条件与上述力学性能改性试验相同。

对注塑机制备的标准样条进行检测，检测方法和检测标准见表4。

表4 样条的检测方法和依据Tab.4 Detection method and basis of spline

3 结果与讨论

3.1 PMMA含量对PC合金材料耐刮擦性能的影响(表5、图1)

如表5和图1所示，随着PMMA添加量的增加，PC/PMMA符合材料的表面铅笔硬度呈升高趋势，当PMMA的添加量达到40%时，PC/PMMA复合材料1 kg载荷的表面铅笔硬度达到1H。

表5 PMMA含量对PC合金材料耐刮擦性能的影响Tab.5 Effect of PMMA content on scratch resistance of PC alloy materials

图1 PMMA含量对PC合金材料耐刮擦性能的影响Fig.1 Effect of PMMA content on scratch resistance of PC alloy materials

3.2 抗冲剂种类及比例对PC合金材料缺口冲击强度力学性能的影响(表6、图2)

如表6和图2，POE-g-MAN和EMA两种抗冲剂中，EMA的抗冲效果高于POE-g-MAN，随着抗冲剂添加量的增加，PC/PMMA复合材料的缺口冲击强度呈上升趋势，当EMA添加量达到10%时，PC/PMMA复合材料的缺口冲击强度达到37 kJ/m2，当POE-g-MAN添加量达到10%时，PC/PMMA复合材料的缺口冲击强度达到28 kJ/m2。

表6 抗冲剂种类及比例对PC合金材料缺口冲击强度力学性能的影响Tab.6 Effect of the type and proportion of impact agents on the notch impact strength and mechanical properties of PC alloy material

图2 抗冲剂种类及比例对PC合金材料缺口冲击强度力学性能的影响Fig.2 Effect of the type and proportion of impact agents on the notch impact strength and mechanical properties of PC alloy materials

3.3 阻燃剂种类及比例对PC合金材料阻燃性能性能的影响(表7、图3)

如表7和图3所示，在钾联苯砜-3磺酸盐、全氟丁基磺酸钾、有机硅酸盐阻燃剂三种阻燃剂中，全氟丁基磺酸钾的阻燃效果最好，当全氟丁基磺酸钾添加量达到0.1%时，PC/PMMA复合材料的阻燃等级达到UL94-V0级。

表7 阻燃剂种类及比例对PC合金材料阻燃性能性能的影响Tab.7 Influence of flame retardant types and proportions on flame retardancy of PC alloy material

图3 阻燃剂种类及比例对PC合金材料阻燃性能性能的影响Fig.3 Influence of flame retardant types and proportions on flame retardancy of PC alloy material

4 结论

经试验研究可知，随着PMMA添加量的增加，PC合金材料的表面铅笔硬度显著增强，当PMMA的添加量达到40%时，PC/PMMA复合材料1kg载荷的表面铅笔硬度达到H级。随着抗冲剂EMA和阻燃剂全氟丁基磺酸钾的加入，PC合金材料的缺口冲击力学性能和阻燃性能得到改善，生产中可根据实际需求选择EMA和全氟丁基磺酸钾在PC/PMMA中的配比。