PP／ABS合金的制备及不同阻燃剂对其性能的影响

王小芬，高山俊，张林，沈春晖

（武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉430070）

0 引言

PP（聚丙烯）树脂和ABS（苯乙烯－丁二烯－丙烯腈）树脂是两种用途非常广泛的塑料［1－2］.PP的一些力学性能可与工程塑料相当，综合性能好，用途广泛.同时PP也有突出的缺点，柔韧性很差，热变形温度不高等，这些都限制了PP的应用；ABS树脂有很好的成型加工性、耐化学药品性等优点，但同时具有冲击强度和拉伸强度低，耐热性和耐候性差等缺点.ABS比普通塑料价格高，一定程度上限制了其应用，而聚丙烯塑料综合性能虽不及ABS树脂，但其有些方面如耐热性，流动性等优于ABS，是一种价廉质轻的通用塑料.因此，研制和开发ABS与PP的共混物，能实现这两种树脂的优势互补，同时扬长避短，使这两种树脂的应用领域得到拓宽［3］.

反应共混［4］可以在熔融共混的同时就地生成接枝或嵌段共聚物相容剂，以改善共混组分间的相容性.相对于传统的外加相容剂增容方法而言，进行反应共混既可以简化工艺，又能降低生产成本，因此近年来得到广泛的研究与开发［5－7］.对于自身没有反应性基团的聚丙烯来说，可以先用熔融接枝或溶液接枝的方法在主链接枝上反应性基团，然后再进行共混反应；也可以在聚丙烯与其他高聚物熔融共混时加入有机过氧化物［8］，引发生成大分子自由基，不同种类的大分子自由基在界面处偶合终止，形成共聚物相容剂［9－11］.

高分子材料在实际使用中需要加入各种添加剂，其中最重要的是阻燃添加剂［12－14］.N，N－四溴邻苯二甲酰亚胺是一种应用广泛的复合型溴系阻燃剂，具有不挥发、耐析出、无气味等优点，能阻燃高抗冲聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、热塑性聚酯等，在电线电缆和电子电气设备机体制造中特别应用.它在聚烯烃中的阻燃效率高于其他溴系阻燃剂；2，3－二甲基－2，3－二苯基丁烷（DMDPB）（俗称联枯）是国外开发的新型高分子材料添加剂，它可作为聚合物交联，接枝共聚等的引发和催化剂.一是作为高分子材料的阻燃增效协和剂.该化合物可用于聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚醚等各种聚合物的改性.

本文中采用过氧化二异丙苯（DCP）作为引发剂，三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC）为助交联剂，通过反应共混技术实现共混物的就地增容，并对反应共混物形态结构进行了研究，通过测试表征确定其最佳添加量.随后采用熔融共混的方法进行阻燃剂和阻燃增效剂的添加实验，通过测试确定阻燃效果.

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器 聚丙烯（PP）：V30G，广东威林工程塑料有限公司；苯乙烯－丁二烯－丙烯腈（ABS），121H，宁波LG公司；过氧化二异丙苯（DCP），工业级，国药集团化学试剂有限公司；三烯丙基异氰尿酸酯（TAIC），分析纯，武汉市华昌应用技术研究所；N，N－四溴邻苯二甲酰亚胺，工业级，湖南湘大比德化工有限公司；2，3－二甲基－2，3－二苯基丁烷，分析纯，上海顺强生物科技有限公司.

1.2 PP／ABS共混物的制备 按PP和ABS的比例为7∶3（质量比）称量好PP树脂和ABS树脂，并将其放于真空干燥箱80℃干燥4h，然后将两种树脂粒料加入到密炼机中进行熔融共混，密炼机温度为200℃，转速为40r／min，2min后加入引发剂DCP和TAIC，密炼10min；将混合物放在模具中热压成试样，进行性能测试.

1.3 阻燃剂BT－93W添加实验 先将制得的PP／ABS合金50g置于烘箱中80℃，烘干4h.然后按BT－93W的添加量依次为10%，15%，20%，25%称取原料，放入搅拌机混合后，加入到密炼机中200℃熔融共混，得到产物.然后将制得的产物进行测试表征.

1.4 阻燃增效剂DMDPB和BT－93W复合添加实验 先将PP／ABS合金置于烘箱中80℃，烘干4h.然后按表2的配比称取原料后，放入搅拌机混合，加入到密炼机中200℃熔融共混，得到产物.然后将制得的产物进行测试.

表1 阻燃剂添加实验各原料的配比

表2 DMDPB和BT－93W 添加配比用量表

1.5 测试与表征

1.5.1 产物结构的红外表征 将共混物破碎后，置于装有二甲苯的三口烧瓶中，搅拌加热回流溶解为透明溶液后，倒入与二甲苯等体积的二氧六环中，沉淀出PP.充分冷却静置后，滤出PP沉淀并干燥得到PP相.在Nicolet170SX傅立叶变换红外光谱仪（SpectrumOne，PerkinElmerCo.USA）上测试，扫描范围为500～4 000cm－1.

1.5.2 材料的扫描电镜（SEM）分析 将PBS／碳酸钙晶须复合材料制成6mm×10mm×50mm的试样，然后在液氮冷冻状态下将试样掰断，再在13.33Pa的真空度下喷金，并用扫描电子显微镜（JSM5610LV，Japan）观察复合材料的断面形貌.

1.5.3 阻燃复合材料的测试表征 参照GB／T 1040－92，在万能试验机上进行拉伸性能测试；每组制3个试样，使用的拉伸速率为5mm／min，制成试样的形状为哑铃型；参照GB／T2570－1995，在万能试验机上进行弯曲强度测试；将每一组试样精加工成100mm×7mm×4mm的样条，实验速率为5mm／min；极限氧指数按GB／T2406－992标准进行测试；将试样精加工成70mm×6.5mm×30mm的标准试样，每组试样个数为3根，在HC－2型氧指数测定仪上测定；垂直燃烧性能按UL94测试；UL－94垂直燃烧试验依据样品燃烧时间的测验结果来评价燃烧等级.

2 结果讨论

图1 加入TAIC的共混物中提取的PP和未加入样品中提取的PP对比

2.1 红外光谱分析 从图1中我们可以看到，与简单共混物中提取的PP红外光谱图相比，交联反应共混物中的PP相红外谱图分别在702cm－1处存在明显的单取代苯环特征吸收峰，这说明DCP的加入促使交联反应的发生.当加入TAIC后，单取代苯环特征吸收峰强度比只加入DCP的时候要高说明加入TAIC时反应共混生成了更多的接枝物，促进了反应共混中的接枝反应.

2.2 材料的扫描电镜（SEM）微观形貌分析

2.2.1 PP／ABS／DCP合金的扫描电镜（SEM）微观形貌分析 图2分别是DCP添加量为0，0.2%，0.4%试样的断面扫描电镜照片.（a）、（b）图中PP／ABS共混物中ABS分散相大小分布不均，颗粒直径约20～25μm，PP与ABS界面分明，说明了分散相与基体之间无界面粘结，相容性较差；（c）、（d）图中在加入适量的DCP后，产生了较多的接枝物，改善了界面的相容性和ABS的分散性；（e）、（f）图中当DCP过量时，PP与ABS发生了严重的两相分离，且相形态变差.

图2 PP／ABS／DCP共混物的扫描电镜图

2.2.2 TAIC添加后合金材料的扫描电镜（SEM）微观形貌分析 图3分别是确定DCP的添加量为0.2%时，TAIC的添加量为2%、4%、6%的试样断面扫描电镜照片.加入少量（例如用2%时）TAIC后共混物的分散相粒子减少，连续相面积增大.这说明加入TAIC可以显著地抑制降解，TAIC用量过大时（例如用6%时），共混物相形态反而恶化，分散相粒子变大，这是由于共混接枝物数量减少的原因.

图3 不同TAIC添加量的合金材料的SEM照片（a）2%（×2 000），（b）2%（×1 000），（c）4%（×2 000），（d）4%（×1 000），（e）6%（×2 000），（f）6%（×1 000）.

2.3 复合材料的力学性能测试

2.3.1 BT－93W对材料力学性能的影响

1）拉伸性能 从图4中可以看到，随着阻燃剂BT－93W添加量的增加，材料的拉伸强度不断降低，呈线性降低趋势.当添加量从0到25%时候，共混物的拉伸强度从22.75MPa降低到16.70MPa，降幅为26.6%.

2）弯曲强度 从图5中可以看到，随着阻燃剂BT－93W添加量的增加，材料的弯曲强度逐渐降低，整体呈线性降低趋势，BT－93W的添加量从0增加到25%时，材料的弯曲强度从62.20MPa降低到55.83MPa，降幅为10.3%.

图4 不同BT－93W添加量的材料拉伸性能

图5 不同BT－93W添加量的材料弯曲强度

2.3.2 BT－93W和DMDPB复合添加对材料力学性能的影响 将对添加了DMDPB及BT－93W的材料与仅添加BT－93W的材料进行力学性能比较，结果如表3所示.对比2＃、6＃、7＃可以看出，在已加入BT－93W的基础上，DMDPB的加入提高了材料的拉伸强度，弯曲强度.DMDPB的添加量从0增加到3%时，材料的拉伸强度从20.95MPa增加到22.42MPa，弯曲强度从59.20MPa增加到60.99MPa.对比3＃、8＃、9＃可以得到同样的结果.

2.4 材料的阻燃性能测试

2.4.1 BT－93W对材料阻燃性能的影响 从表4可以看出，随着BT－93W添加量的增加，体系的极限氧指数逐渐升高.PP／ABS合金的极限氧指数是19.1%，当BT－93W加入量25%时，氧指数已经增加到了25.9%，垂直燃烧等级达到了V－0，呈线性增大趋势.

2.4.2 BT－93W和DMDPB复合添加对材料阻燃性能的影响 表5中对比2＃、6＃、7＃可以看出BT－93W添加量一定时，随着DMDPB添加量的增加阻燃性能有了较大提升，极限氧指数从21.3%增加到了27.9%，阻燃等级到了V－0级，对比3＃、8＃、9＃能得到同样的结果.

表3 DMDPB 加入前后材料的力学性能对比

表4 不同BT－93W 添加量的材料阻燃性能数据

表5 DMDPB 加入前后材料的阻燃性能对比

3 结论

本文中首先通过添加交联剂DCP，助交联剂TAIC，采用熔融共混的方法制备了PP／ABS合金，对产物进行了红外光谱、扫描电镜等测试；然后在此基础上进行了阻燃剂添加实验，分别采用两种不同的添加方式，对得到的产物进行了拉伸强度、弯曲强度、极限氧指数、垂直燃烧等测试，最终得到以下结论：

1）当添加适当量的DCP引发剂时（添加量0到0.2%），从断面微观形貌上来看，少量的DCP能促进接枝，融合界面，达到增容的目的.当DCP添加量过大时（0.3%以上），反应共混物的相连续性被破坏，降解严重，整体的性能恶化；当DCP添加量一定时，添加适当量的助交联剂TAIC时，由红外光谱图的分析，确定加入TAIC有利于反应共混生成更多的接枝物，促进反应共混中的接枝反应，从断面微观形貌上来看，少量的TAIC能促进界面融合，减小粒径，相界面的连续性增强.当TAIC添加量过大时，共混物的粒径增大，界面清晰，相容性差.综合得到材料综合性能最佳的添加量为DCP 0.2%，TAIC 4%.

2）加入BT－93W后，整体力学性能有较大幅度的下降；阻燃性能方面，加入25%时，材料阻燃等级达到V－0，极限氧指数为25.9%，垂直燃烧实验单个样条自熄灭时间减少到6.4s，加入DMDPB后，材料的力学性能较仅添加BT－93W的材料而言有增强；阻燃性能方面，BT－93W的添加量为10%，DMDPB的添加量从0增加到3%时，材料的阻燃性能有了较大提升，极限氧指数从21.3%增加到了27.9%，阻燃等级到了V－0级，当BT－93W的添加量为15%时，随便DMDPB的增加材料的阻燃性能也有一定的增加.因此BT－93W和DMDPB复配添加比较适合PP／ABS反应共混材料的阻燃添加方式.

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