阻燃透明聚碳酸酯板材的制备及其性能研究_张瑾.pdf

47技术交流求迅速增加，要求其在具有良好的光学性能及力学性能的基础上，在低厚度下实现稳定的阻2燃效果。聚碳酸酯本身虽具有一定的阻燃性，在不改性的情况下可以达到UL94 V-2级 3（3.2 mm），但仍难以满足当前的阻燃需求。因此，需要对聚碳酸酯进行阻燃改性。目前常用PC阻燃体系有溴系、磷酸酯系、磺4酸盐系、有机硅系等。溴系阻燃剂与PC具有良0引言聚碳酸酯（PC）是综合性能优越的热塑性工程塑料，由于其结构的特殊性，聚碳酸酯具有优异的透光性、冲击韧性、电绝缘性、耐候性等特点。广泛应用于航空航天、电气照明、透光建筑1材料等行业。随着行业的日益发展，对聚碳酸酯产品的需阻燃透明聚碳酸酯板材的制备及其性能研究张瑾刘大光谭润升王宏谷松（锦西化工研究院有限公司辽宁省航空有机透明材料创新团队葫芦岛125060）摘要采用双螺杆挤出机对聚碳酸酯树脂进行共混改性，研究了复配阻燃剂对聚碳酸酯板材（2 mm）的阻燃性能、光学性能以及力学性能的影响。研究发现，磺酸盐阻燃剂KSS与有机硅阻燃剂FCA-107复配使用时，聚碳酸酯板材具有良好的综合性能。结果表明：当KSS添加量为0.4%，FCA-107添加量为0.5%时，聚碳酸酯板材的阻燃效果最优，透光率为88.6%，2雾度为1.22%，拉伸强度为68.6 MPa，拉伸弹性模量为2410 MPa，缺口冲击强度为68.2 kJ/m。关键词 聚碳酸酯；板材；阻燃剂；阻燃性能；光学性能；力学性能中图分类号：TQ171文献标识码：A文章编号：10031987（2023）020005Preparation and Properties of Flame Retardant Transparent Polycarbonate SheetZHANG Jin,LIU Daguang,TAN Runsheng,WANG Hong,GU Song（Jinxi Research Institute of Chemical Industry,Liaoning Aviation organic transparent material innovation team,Huludao 125060,China）Abstract:Polycarbonate resin was blended by twin-screw extruder.The effect of compound flame retardant on the flame retardancy,optical properties and mechanical properties of polycarbonate sheet material（2 mm）was studied.It was found that when sulfonate flame retardant KSS and silicone flame retardant FCA-107 were combined,the polycarbonate sheet had good comprehensive properties.The results showed that when the addition amount of KSS was 0.4%and the addition amount of FCA-107 was 0.5%,the flame retardant effect of polycarbonate sheet was the best,the light transmittance was 88.6%,the haze was 1.22%,the tensile strength was68.6 MPa,the tensile elastic modulus was 2410 MPa,and the notched 2impact strength was 68.2 kJ/m.Key Words:polycarbonate,sheet,flame retardant,flame retardant properties,optical properties,mechanical properties47基金项目：辽宁省航空有机透明材料创新团队；辽宁省“兴辽英才计划”项目资助，项目编号：XLYC1908012作者简介：张瑾（1992-），女，工程师，主要从事聚碳酸酯改性研究。48全国性建材科技期刊玻璃2023年第2期总第377期好的相容性，阻燃效果好，但高温下易分解，螺5杆和模具易被腐蚀产生黑点，影响挤出板材表面质量，且溴系阻燃剂燃烧时产生大量烟雾和有毒有害气体，危害较大，限制了其应用。其次是磷酸酯系阻燃剂，该类阻燃剂由于添加量较大，6对PC的力学性能及光学性能影响较大。磺酸盐系阻燃剂阻燃效果显著，较少的添加量即可提升PC阻燃性能，对PC板材光学性能影响较小，其缺点是添加量极少，使得阻燃剂在PC体系中分散困难，且价格较为昂贵，单独使用时不能满足较高4的阻燃要求。硅系阻燃剂加工性能良好，对机械性能影响较小，对环境友好，可以起到阻燃和7抑烟的效果，但是单独添加时添加量较大，成8-9本高，需要与其他阻燃剂复配使用。本文针对当前对透明聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用硅系阻燃剂FCA-107和磺酸盐阻燃剂KSS复配改性PC，固定硅系阻燃剂FCA-107加入量不变，通过配方试验确定磺酸盐阻燃剂KSS适宜加入量，而后进一步确定硅系阻燃剂FCA-107加入量，根据性能测试结果确定最佳阻燃配方，分别研究了不同组分其加入量对PC阻燃性能、光学性能及力学性能的影响。1实验1.1试剂与仪器聚碳酸酯树脂（PC，牌号为LXW-1），鲁西化工集团股份有限公司；二苯基砜磺酸钾（KSS，牌号F-535），Arichem公司；有机硅阻燃剂（牌号FCA-107），道康宁公司。双螺杆挤出机（STS 50型），科倍隆南京机械有限公司；注塑机（SA2500/1000型），宁波海天塑机集团有限公司；燃烧性能试验机（NK-8202型），东莞市纳宇检测设备有限公司；透光率/雾度测定仪（WGT-S型），上海精密科学仪器有限公司；微机控制电子万能试验机（CMT4504），深圳市新三思计量技术有限公司；塑料摆锤冲击试验机（501J），深圳万测设备有限公司。1.2实验过程将PC树脂在110120 下干燥4 h后，按照配方分别加入阻燃剂及PC树脂粒料，将原料混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出，牵引、造粒、干燥，制备得到阻燃聚碳酸酯树脂粒料，挤出机温度为220270。将挤出得到的树脂粒料在110120 下进行干燥，经注塑机注塑出厚度为2 mm的标准试样，注塑温度为220280。1.3性能测试透光率、雾度按照GB/T 24102008进行测试，样品尺寸50 mm50 mm2 mm；拉伸强度、拉伸模量按照GB/T 1040.22006进行测试，样品尺寸185 mm20 mm2 mm，拉伸强度测试中测试速度为50 mm/min，拉伸弹性模量测试中测试速度为1 mm/min；缺口冲击强度按照GB/T 18432008进行测试，样品尺寸80 mm10 mm2 mm；60 s垂直燃烧按照HB 5469进行测试，垂直燃烧样品尺寸为368 mm76 mm2 mm。1.4阻燃PC配方本实验选择阻燃PC配方见表1。表1阻燃PC配方 质量分数/%原材料PCKSSFCA-107#199.500.5#299.30.20.5#399.10.40.5#498.90.60.5#598.70.80.5#699.60.40#799.30.40.3#898.90.40.749技术交流2结果与讨论2.1不同阻燃配方对PC板材阻燃效果的影响不同阻燃配方对PC燃烧性能的影响见表2。表2不同阻燃配方对PC燃烧性能的影响由表2可知，随着阻燃剂KSS和FCA-107加入量的增加，聚碳酸酯板材的燃烧性能明显提高，板材自熄能力增强，焰燃时间及烧焦长度减少，滴落物续燃时间减少。单独添加KSS阻燃剂时，PC板材阻燃效果虽有明显改善，但其在燃烧过程中滴落物较多，且燃烧过程中烟雾较大。随着FCA-107用量的增加，燃烧过程中放出烟雾有所减弱，滴落物明显减少。这是因为KSS和FCA-107两种阻燃剂协同作用，在燃烧过程中，形成了碳化保护层，该碳层结构致密稳定，具有阻燃、抑烟、抗滴落等特性。且二者添加量在一定范围内时，复配阻燃剂制备的PC板材较两种阻燃剂单独使用时其阻燃性能明显提高。随着阻燃剂KSS和FCA-107加入量的继续增加，PC板材的燃烧性能反而降低，这可能是因为阻燃剂在PC基体中分散困难，影响了PC板材的燃烧性能。2.2不同阻燃配方对PC板材透光率的影响不同阻燃配方对PC板材光学性能的影响见表3和图1。表3不同阻燃配方对PC板材光学性能的影响阻燃配方移去火源后的焰燃时间/s烧焦长度/mm试样滴落物在滴落后继续焰燃的时间/s试样是否自熄#111.31106.0是#28.7974.4是#35.3702.8是#46.5753.2是#57.0794.5是#69.51005.3是#76.0735.0是#85.3753.0是图1不同配方对透光率及雾度的影响由表3和图1可知，随着FCA-107及KSS加入量的增加，透光率随之下降，雾度随之上升。随着KSS阻燃剂加入量的增加，对PC板材透光率影响较小，雾度增加明显。这是因为KSS为白色粉末状固体且添加量较少，在PC基体中不易分散均匀，使材料内部产生了雾度，但其对板材的透光10率影响不大。而FCA-107基本不影响PC的光学性能，这是因为FCA-107分子链中含有苯环结构与PC分子链结构相近，由于相似相容原理，使FCA-107阻燃剂与PC树脂相容性增加，使FCA-10107阻燃剂能均匀混合分散，保证PC板材光学性能基本不受影响。阻燃配方透光率/%雾度/%纯PC90.20.4#189.30.89#288.91.12#388.61.22#488.01.51#587.52.01#689.71.00#789.61.13#887.71.6150全国性建材科技期刊玻璃2023年第2期总第377期2.3不同阻燃配方对PC板材力学性能的影响不同阻燃配方对PC板材力学性能的影响见表4、图2和图3。表4不同阻燃配方对PC拉伸强度的影响阻燃配方拉伸强度/MPa拉伸弹性模量/MPa2缺口冲击强度/（kJ/m）纯PC66.0230065.5#166.8232067.5#267.2234067.8#368.6241068.2#467.4236067.6#567.0232067.2#666.9231066.0#767.3236067.0#867.0233067.9图2不同配方对拉伸强度及拉伸弹性模量的影响升后下降的趋势。当KSS加入量为0.4%、FCA-107加入量为0.5%时，力学性能最优，所制备的PC板材其拉伸强度为68.6 MPa，拉伸弹性模量为22410 MPa，缺口冲击强度为68.2 kJ/m，这是因为硅系阻燃剂分子量大，交联程度高，且KSS与FCA-107分子结构在中羟基官能团与PC通过氢键结合，在PC基体中形成交联网状结构，PC分子链相互作用力增强，且分子链中含有苯环结构，分子链刚性大，因而拉伸强度及模量增加。PC板材缺口冲击强度也有所改善，这是因为FCA-107硅系阻燃剂分子链柔顺性好，使PC韧性增加，冲击强度提高。但随着阻燃剂添加量的继续增加，PC板材力学性能降低，这是因为阻燃剂在PC基体中不易均匀分散，造成应力集中点，力学性能降低。3结论（1）当KSS添加量为0.4%、FCA-107添加量为0.5%时，聚碳酸酯板材阻燃性能最优，聚碳酸酯板材的透光率为88.6%，雾度为1.22%，拉伸强度为68.6 MPa，拉伸弹性模量为2410 MPa，缺口2冲击强度为68.2 kJ/m。（2）磺酸盐阻燃剂KSS与有机硅阻燃剂FCA-107具有良好的协同作用，二者复配使用时，通过对配方的调整，在较低的添加量时仍能保证聚PC板材阻燃效果较好，在改善阻燃性能的同时保证了