无卤阻燃PC /ABS合金的研制及应用

石建江1, 2 陈宪宏2 肖 鹏1

( 1. 株洲时代新材料科技股份有限公司, 株洲 412007; 2. 湖南大学, 长沙 410007 )

摘要 研究了聚磷酸铵( APP)复合无卤阻燃体系对聚碳酸酯( PC) / (丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物( ABS )合金阻燃性能的影响。结果表明, 在PC 与ABS的质量比为7B3的PC /ABS合金体系中加入30份APP复合阻燃剂, 并配以15份复合增容体系及其它助剂, 可制得综合性能较好的无卤阻燃PC /ABS合金。用该合金制作的电脑显示器外壳取得了较好的使用效果。

关键词 聚磷酸铵 季戊四醇 PC /ABS 合金 阻燃 应用

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF NON-HALOGEN FLAME-RETARDANT PC /ABS BLEND

Sh i Jian jiang1, 2, Chen X ianhong2, X iao Peng 1

( 1. Zhu zhou T im esN ew M aterials Technology C o. L td. , Zhu zhou 412007, Ch ina; 2. H unanU n iversity, Changsha 410007, C h ina)

ABSTRACT The effec t of non-ha log en flam e- re tardant ammon ium po lypho sphate( APP) system on the flam e-reta rdant properties of PC /ABS b lend w as investigated. The resu lts showed that PC /ABS b lend system w ith good comb ination prope rties cou ld be obtained by add ing 30 parts flam e-retardant APP system composed o f PER and APP, 15 parts com plex com patib ilize r composed of MBS and sel-fm ade compatib ilizer and o ther ass istan ts into the PC /ABS blend system in wh ich the m ass ra tio of PCBABS w as 7B3. It could be acquired good app lication result w hen this m ater ia l was used in m aking the front fram e and back cover o f the g raphoscope.

KEYWORDS ammon ium po lyphospha te, pentaerythrito ,l PC /ABS blend, flam e-retardant, application

近年来, 随着经济的发展, 特别是当今社会提倡的可持续发展, 人们的环保和安全意识已经有了较大程度的提高, 对生态环境和生命价值的关注也更为重视。因此, 阻燃材料的使用范围越来越广泛, 对环境的友好性要求越来越高。传统的卤系阻燃聚碳酸酯( PC) / (丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物( ABS)合金由于其对环境的不友好而使其潜在的危害表现日益明显, 在很多行业中的应用已经受到了限制, 欧盟RoHS[ 1] 及WEEE[ 2] 两个指令的颁布(自2006年7月1日起施行) , 更是把传统的卤系阻燃PC /ABS合金的使用范围限制得更小。笔者以PC /ABS 合金为基体, 以聚磷酸铵( APP)复合体系为阻燃剂, 研制出了一种环保型阻燃PC /ABS 合金, 达到了IT 行业电脑器材的要求并得到了应用。

1 实验部分

1. 1 主要原料

PC: 201, 美国杜邦公司;

ABS: 747, 台湾奇美集团;

(甲基丙烯酸甲酯/丁二烯/苯乙烯) 共聚物(MBS): 温州润华化工实业公司;

增容剂: 自制;

APP: 市售;

季戊四醇( PER) : 市售;

其它助剂均为分析纯。

1. 2 主要设备、仪器

双螺杆挤出机: KS- 36型, 江苏昆山科信塑料机械有限公司;

注塑机: T80型, 无锡格兰塑料机械制造有限公司;

万能材料试验机: QT /10型, 美国ASTM公司;

简支梁冲击试验机: XJJ- 50型, 承德试验机有限责任公司;

垂直燃烧测试仪: CZF- 3 型, 南京江宁分析仪器厂;

氧指数测定仪: HC - 2型, 南京江宁分析仪器厂。

1. 3 试样制备及处理

先将APP和其它辅助阻燃剂与PC、ABS 及其它助剂的混合物于265~ 285℃ 经双螺杆挤出机挤出造粒, 粒料烘干后经注塑机制样, 注塑温度265~280℃ , 注塑压力85 MPa左右。试样成型后在( 23± 2) ℃、湿度为( 50% ±5% )的环境中放置( 24 ± 1)h后按国家标准测试试样性能。

1. 4 性能测试

拉伸强度按GB /T 1040- 1992测试;

简支梁冲击强度按GB /T 1043- 1993测试;

氧指数按GB /T 2406- 1993测试;

垂直水平燃烧性能按GB /T 2408- 1996测试。

2 结果与讨论

2. 1 阻燃剂种类对阻燃效果的影响

图1为未阻燃的PC /ABS 合金及含有15 份不同阻燃剂的PC /ABS合金的阻燃性能比较, 其中溴系阻燃剂为十溴联苯醚和三氧化二锑的复合体系。

由图1 可以看出, 加入15 份阻燃剂后,A l( OH ) 3和Mg( OH ) 2对于PC /ABS合金几乎没有阻燃效果, APP复合阻燃剂的阻燃效果仅次于溴系阻燃剂和红磷阻燃母料的阻燃效果。但是溴系阻燃剂在热裂解及燃烧时会生成大量的烟尘、腐蚀性气体及有毒致癌物质[ 3] ; 红磷阻燃母料由于其自身的颜色较深导致无法制得浅色制品。而APP 复合阻燃剂在燃烧时产生的烟雾和熔滴物比溴系阻燃剂大为减少, 并且自身为白色粉末状物质, 避免了红磷阻燃母料颜色较深的缺点。由此可见, APP复合阻燃剂是一种效率较高、无毒、低烟的环保型阻燃剂。所以选用APP复合阻燃体系作为阻燃剂。

2. 2 APP阻燃体系的复合

表1为在PC /ABS体系中加入不同阻燃剂的阻燃性能实验结果。

从表1看出, Mg( OH ) 2和A l(OH) 3与APP复配后具有一定的阻燃增效作用, 可使PC /ABS合金的氧指数提高到29% , 但由于其只能减少或不能明显减少PC /ABS合金在燃烧时的熔融物滴落, 不能使合金达到FV - 0级的阻燃性能。而加入22份APP与8 份PER 复配阻燃PC /ABS 合金的氧指数为33%, 阻燃性能达到FV - 0级, 而且在燃烧时基本没有熔融物滴落, 从而避免了熔滴物引起的继续燃烧。这是因为APP在高温下发生分解反应, 生成的磷酸是较强的脱水剂, 可促使PER 发生分子内脱水生成醚键, 反应生成的磷酸酯和醚结构进一步加热、降解、交联生成不饱和的富炭结构, 加速成炭反应的进行, 有效隔绝温度、火焰的进一步传播[ 4] 。

因此,笔者采用APP与PER 的复配体系作为阻燃剂。2. 3 阻燃剂用量对PC /ABS合金阻燃性能的影响图2示出APP 复合阻燃剂用量对PC /ABS合金阻燃性能的影响。由图2可以看出, 随着APP复合阻燃剂用量的增加, PC /ABS合金的阻燃性能逐渐提高。当APP复合阻燃剂的用量达到30份时,PC /ABS合金材料的氧指数达到了33% 。经垂直燃烧实验表明, 这时其阻燃等级已达到FV - 0级; 如果继续增加阻燃剂的用量, 合金的阻燃性能还会增加, 但是, 由于APP复合阻燃剂加入量过多, 容易挥发, 在加料口容易析出冒料, 对生产过程带来不良影响。同时, 过多的阻燃剂也会导致合金的力学性能降低。所以采用30份APP复合阻燃剂为宜。

2. 4 增容体系用量对PC /ABS 合金冲击强度的影响

ABS 具有复杂的两相结构, 由( 苯乙烯/丙烯腈)共聚物( SAN )为连续相、丁二烯橡胶( PB )弹性体为分散相及两相的过渡层所构成[ 5] 。PC 的溶解度参数为19. 4 ( J/cm3 )12, SAN 的溶解度参数为19. 0~ 20. 1 ( J/cm3 )12 , PB 的溶解度参数为17. 3( J/cm3 )12 , 聚苯乙烯( PS ) 的溶解度参数为18. 1( J/cm3)12[ 6], 所以PC 与ABS中的SAN 相具有一定的相容性, 与其它相的相容性相对较差, 因此必须对PC 和ABS进行增容改性, 改善PC 与ABS的相容性, 以提高合金的综合性能。

向含有30份APP复合阻燃剂的PC /ABS体系中加入MBS和自制增容剂(质量比1B1)构成的复合增容体系。图3示出增容体系用量对PC /ABS合金缺口冲击强度和冲击强度的影响。

由图3可以看出, 在一定范围内PC /ABS 合金的冲击强度和缺口冲击强度随着增容体系用量的增加而提高, 当增容体系用量达到15份时, PC /ABS合金的两种冲击强度达到最大值, 再增加增容体系用量时, 合金的两种冲击强度不再增加, 甚至有所降低。这是因为MBS 具有以橡胶组分为核的核壳结构, 由于其壳层是与PC 部分相容的聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA ) [ 7] , 所以采用MBS 作为增容剂, 可以显著改进PC /ABS的冲击性能。

另一种自制增容剂是一种接枝物, 其分子的一端与ABS具有较好的相容性, 另一端与APP 复合阻燃剂具有较好的相容性, 从而改善了PC /ABS体系与阻燃体系的相容性。复合增容体系的加入降低了相界面张力和分散相尺寸, 提高了合金的冲击强度。但是, 当增容体系用量过大时, 自制的增容剂和MBS的分子链易在界面处相互缠结, 有自成一相的趋势。由于自制增容剂和MBS自身的热、力学性能低于PC /ABS 体系的性能, 过多的增容体系影响了合金的相态结构, 导致合金的冲击强度降低, 因此, 复合增容体系的用量要适当, 采用15份为宜。

3 无卤阻燃PC /ABS合金在IT行业中的应用

实验证明, PC 与ABS 的质量比为7B3时, PC /ABS合金的综合强度、流动性、价格等都达到了一个较好的平衡点[ 8] 。

为了使所研制的无卤阻燃PC /ABS合金在IT行业得到应用, 满足制作电脑显示器外壳前框和后罩的要求, 笔者在PC 与ABS 的质量比为7B3的混合体系中加入15份MBS和自制增容剂复配的增容体系、30份APP和PER复配的阻燃剂, 并加入少许其它助剂(如偶联剂)制得了综合性能较好的无卤阻燃PC /ABS合金, 其性能列于表2。

从表2 可以看出, 所研制的无卤阻燃PC /ABS合金具有优异的力学性能和阻燃性能, 适合于IT 行业电脑器材的使用。目前用该合金制造的电脑显示器外壳在内装15 kg 重物从1m 高处自由下落坠地后并无破坏, 装配成电脑后在使用过程中没有出现开裂和老化现象, 其性能已得到了社会广泛的认可。同时, 该无卤阻燃PC /ABS合金已通过了通标标准技术服务有限公司广州化学实验室( SGS)的通标认证, 以其对环境的友好性而具有广阔的应用前景。用其制作的电脑显示器外壳已在电脑上配套使用,并出口到欧洲、东南亚。

4 结论

( 1)对于PC与ABS的质量比为7B3的PC /ABS合金体系, 22 份APP与8份PER 复配的阻燃剂是一种效率较高、无毒、低烟的环保型阻燃体系。

( 2)在PC 与ABS 的质量比为7B3的PC /ABS合金体系中, MBS和自制增容剂能有效地改善体系中各组分的相容性, 提高合金的韧性。

( 3)研制的无卤阻燃PC /ABS合金具有较好的综合性能, 可以用于制造电脑显示器外壳。

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