PC/ABS/聚硼硅氧烷阻燃合金的性能

周文君，王雪芹，何伟壮

（杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江 杭州 310036）



PC/ABS/聚硼硅氧烷阻燃合金的性能

周文君，王雪芹，何伟壮

（杭州师范大学材料与化学化工学院，浙江 杭州 310036）

摘要：采用X射线能谱分析（EDX）研究了PC/ABS/聚硼硅氧烷阻燃合金的燃烧行为，同时考察了阻燃PC/ABS合金的力学性能和加工性能。结果表明，聚硼硅氧烷（PB）中的Si元素会随着燃烧过程的进行逐渐在合金表面进行富集，形成富含Si的绝缘炭层覆盖在基体表面，阻止合金继续燃烧，从而有效提高了PC/ABS合金的阻燃性能。聚硼硅氧烷使PC/ABS合金体系的力学性能有所下降，但拉伸强度下降较少，PB对PC/ABS合金的冲击强度影响较大。在阻燃PC/ABS合金体系中加入相容剂马来酸酐接枝ABS，可使合金体系的力学性能得到明显提高。适量的PB可以改善PC/ABS合金的加工性能。

关键词：聚硼硅氧烷；PC/ABS合金；阻燃；力学性能；相容剂

高分子材料的广泛应用带动了阻燃剂的迅猛发展。随着人们环保意识的逐步增强，开发新型无卤阻燃剂成为阻燃领域重要的研究方向[1-3]。有机硅阻燃剂是一种新型、高效、低毒、防熔滴、环境友好的无卤阻燃剂，也是一种成炭型抑烟剂。而且，有机硅阻燃剂在赋予基材优异阻燃性能的同时，还能改善基材的加工性能、力学性能、耐热性能等[4-8]。作为人们所提倡的绿色环保阻燃剂，有机硅阻燃剂从20 世纪80 年代开始得到迅速发展，并越来越受人们的关注[9-11]。

聚碳酸酯（PC）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）合金是一种以PC和ABS为主要原料的共混体系，是重要的工程塑料合金。该合金同时具有PC和ABS二者的优良性能。共混合金的耐热性、冲击强度以及拉伸强度优于ABS，同时其熔体黏度比PC低，加工性能比PC好，制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性都大大降低，尺寸稳定性好，特别适合于薄壁制品的制造，因此近年来PC/ABS合金在汽车、电器、办公设备等多个领域有广泛的应用[12-13]。但PC/ABS合金的极限氧指数（LOI）在24%左右，阻燃性能不理想，存在一定的火灾隐患，使其应用受到了限制。因此，阻燃PC/ABS合金的研究、开发已成为当今阻燃研究领域的一个热点[14-17]。

本文作者课题组[18]前期以烷氧基硅烷和硼酸为原料，采用二步合成法制备了甲基苯基聚硼硅氧烷（PB）阻燃剂，并将其应用到PC/ABS合金中，使合金的LOI提高，显著降低了合金在燃烧过程热、烟的释放量，有效提高了PC/ABS合金的阻燃性能。本工作采用X射线能谱分析（EDX）考察了阻燃PC/ABS合金在燃烧过程中各种元素在表面的富集情况，初步探讨了阻燃作用机理，同时考察了阻燃PC/ABS合金的力学性能和加工性能。

1 实验部分

1.1 主要原料及设备

PC，CALIBRE 210-10，美国DOW聚碳酸酯有限公司；ABS，AG15E1，台化（宁波）塑胶有限公司；甲基苯基聚硼硅氧烷（PB），自制；马来酸酐接枝ABS（KT-3），沈阳科通塑胶有限公司。

转矩流变仪，XSS-300型，上海橡塑成型有限公司；单螺杆注塑机，TY-200型，杭州大禹机械有限公司；冲击试验机，XJJ-5型，承德大华试验机有限公司；电子万能材料试验机XWW-20KN型，承德大华试验机有限公司；扫描电子显微镜：S-3000N型，日本日立电子株式会社。

1.2 试样制备

将PC在102℃的条件干燥24h，ABS在85℃条件干燥8h，按照PC/ABS=4/1（质量比）的配比与聚硼硅氧烷在215℃下用转矩流变仪混合，制得阻燃PC/ABS合金粒子；并在235℃下用单螺杆注塑机将该阻燃合金粒子注塑成测试标准样条。

1.3 性能测试

分别按照GB/T 1040—1992、GB/T 9341—2000，使用万能材料试验机测定样品的拉伸强度、弯曲强度；按照GB/T 1043—1993，在冲击试验机上分别测试各PC/ABS复合试样的冲击强度；使用扫描电子显微镜观察样品的脆断断面形貌。应用扫描电镜自带的X射线光电子能谱（EDX）微型分析仪测试分析阻燃PC/ABS合金在燃烧前后表面Si元素含量的变化。

2 结果与讨论

2.1 能谱分析

通过X射线能谱分析（EDX）可以清楚看出阻燃PC/ABS合金中各种元素在燃烧前后的表面富集情况。表1和图1中分别是PB阻燃PC/ABS合金样品在未燃烧、燃烧5s、燃烧15s和完全燃烧时的EDX结果。阻燃PC/ABS合金样品在燃烧5s时表面的Si元素含量为8.44%（质量分数，下同），而未燃烧样品表面的Si元素只有0.84%，随着燃烧的进行，材料表面的Si含量逐渐升高，燃烧15s时Si元素含量达到了15.84%，由此可见Si元素是随着燃烧过程的进行逐渐在样品表面富集的。燃烧后，样品受热熔化，由于阻燃剂PB的黏度比PC/ABS合金基体材料的小，容易与基体分离向PC/ABS合金表面迁移和富集，表面温度高，易受热降解形成低分子硅化合物，最后与PC/ABS合金的降解产物交联形成较为稳定的Si—C化合物，覆盖在基体表面，抑制热、氧的传递及易燃挥发性产物的形成及向燃烧区扩散，阻止合金继续燃烧，从而有效提高了PC/ABS合金的阻燃性能。由表1可知，阻燃PC/ABS合金在完全燃烧时表面的Si含量只有5.71%，比燃烧15s时低，这是由于在持续高温下，有一部分含Si残炭氧化降解进入气相，使表面残炭减少所致，但比较图1(d)和(e)可知，完全燃烧时炭层外表面的Si含量比内部的高，表明在整个燃烧过程，Si元素都能从材料内部迁移到表面，在表面富集形成含Si的绝缘炭层，起到很好的隔绝效果。

2.2 阻燃PC/ABS合金的力学性能

通常阻燃剂的加入都会因为相容性或其他因素导致对基质材料的力学性能产生一定的负面影响。理想的阻燃剂应该既能达到良好的阻燃效果，又能有效地克服这种缺陷。为此，对PC/ABS/PB阻燃体系的力学性能进行了测试，以考察聚硼硅氧烷对PC/ABS合金力学性能的影响。

表1 由EDX分析得到的PC/ABS/PB表面C、O、Si元素含量（质量分数）

图1 PB阻燃PC/ABS合金燃烧前后的EDX分析

图2 阻燃PC/ABS合金体系力学性能

图2是聚硼硅氧烷阻燃PC/ABS合金时，对其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的影响。由图2可知，加入PB阻燃剂后，PC/ABS合金的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均有一定程度的下降，但阻燃PC/ABS合金的拉伸强度下降不明显。由图2(b)可知，阻燃PC/ABS合金的弯曲强度随阻燃剂PB含量的增加出现先增后减的趋势，当PB的含量（质量分数，下同）为5%时，拉伸强度和弯曲强度均达到最大，分别为58.3MPa和74.7MPa，与PC/ABS合金的拉伸强度和弯曲强度（分别为58.6MPa和85.1MPa）相比下降较少。PB的添加量在1%～4%之间时，拉伸强度和弯曲强度变化较为平缓。由图2(c)可知，加入PB阻燃剂后，PC/ABS合金的冲击强度下降明显，且随着阻燃剂含量的增大而减小，表明PB阻燃剂虽可以很大程度地提高PC/ABS合金的阻燃性能，但对合金材料的冲击强度影响较大。

由图3的PC/ABS合金及PB阻燃PC/ABS合金的脆断断面扫描电镜图可以看到，阻燃PC/ABS合金体系与PC/ABS合金的断面形貌非常相似，但相区之间的分离更明显，两相间的结合及分散性较差，导致合金体系的力学性能下降。

图3 PC/ABS合金及阻燃PC/ABS合金的脆断断面SEM图

2.3 相容剂对阻燃PC/ABS合金力学性能的影响

阻燃PC/ABS合金体系的力学性能较差是由于体系中各组分的相容性欠佳造成的，为此在阻燃PC/ABS合金体系中选用了马来酸酐接枝ABS （KT-3）作为相容剂，以期提高阻燃剂和PC/ABS合金的界面相容性。在PC/ABS/5%PB合金体系中添加不同含量的相容剂，其力学性能测试结果如图4所示。

图4 PC/ABS/PB/相容剂合金体系力学性能

由图4可知，相容剂可使阻燃PC/ABS合金体系弯曲强度和冲击强度明显提高，而拉伸强度则随相容剂含量的增加呈现先增后减的趋势。当相容剂的含量为5%时，拉伸强度达到最大，为58.6MPa，与PC/ABS合金的拉伸强度相近。相容剂含量为3%时，弯曲强度达到最大，为78.0MPa。相容剂为5%时，冲击强度达到最大，为40.2kJ/m2，比未加相容剂的阻燃PC/ABS合金的冲击强度（11.6kJ/m2）提高了2.5倍。由于所加入的相容剂为ABS接枝聚合物，其与ABS具有很好的相容性，可以在高温下与剪切力下与PC发生酯交换，降低两相间的界面张力，使体系中分散系粒子细化，从而提高合金粒子的力学性能。

2.4 阻燃PC/ABS合金的加工性能

表2列出了阻燃PC/ABS合金的转矩流变仪测试特性数据。由表2可知，PB可降低PC/ABS合金的平衡温度，添加4%～6%的PB可使合金的平衡扭矩有所降低，尤其是在PC/ABS合金中加入5% 的PB时，基材的平衡扭矩降到最低，为36.3N·m，同时平衡温度也降到202.4℃。故适量的PB可以使PC/ABS合金的加工性能有所改善。

表2 阻燃PC/ABS合金的平衡扭矩和平衡温度

3 结 论

在PC/ABS/聚硼硅氧烷燃烧过程中Si元素会随着燃烧的进行逐渐在合金表面富集，形成富含Si的绝缘炭层覆盖在基体表面，抑制热、氧的传递及易燃挥发性产物的形成及向燃烧区扩散，阻止合金继续燃烧，从而有效提高了PC/ABS合金的阻燃性能。

聚硼硅氧烷使PC/ABS合金体系的力学性能有所下降，但拉伸强度下降较少，阻燃PC/ABS合金的弯曲强度随阻燃剂PB含量的增加出现先增后减的趋势，当PB含量为5%时，拉伸强度和弯曲强度均达到最大，PB对PC/ABS合金的冲击强度影响较大。在阻燃PC/ABS合金体系中加入相容剂马来酸酐接枝ABS，可使合金体系的力学性能得到明显提高。在PC/ABS/聚硼硅氧烷中添加5%相容剂时，其冲击强度比未加相容剂的阻燃PC/ABS合金提高了2.5倍。适量的PB可以改善PC/ABS合金的加工性能。

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研究开发

Properties of flame retarded PC/ABS/polyborosiloxane

ZHOU Wenjun，WANG Xueqin，HE Weizhuang
（College of Materials，Chemistry and Chemical Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，Zhejiang，China）

Abstract：Surfaces of the PC/ABS/polyborosiloxane before and after combustion were analyzed by the energy dispersive X-ray (EDX). The mechanical properties and processing properties of the flame retarded PC/ABS alloy were also investigated. It was demonstrated that Si element in the polyborosiloxane (PB) would gradually concentrate on the surface of the alloy during the combustion process to form Si-rich insulating char layer on the surface of substrate. The layer retards the alloy from further combustion，which effectively improve the flame retardancy of the PC/ABS alloy. PB degrades mechanical properties of PC/ABS alloy system：PB has a great influence on the impact strength，but decreases the tensile strength only a little. The addition of compatilizer named maleic anhydride grafted ABS in the PC/ABS/PB can obviously enhance the mechanical properties of PC/ABS alloy system. Appropriate amount of PB can improve processing performance of the PC/ABS alloy.

Key words：polyborosiloxane; PC/ABS alloy; flame retardancy; mechanical property; compatilizer

基金项目：浙江省自然科学基金（LY14E030009）及浙江省公益技术应用研究项目（2015C31146）。

收稿日期：2015-08-17；修改稿日期：2015-10-19。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.032

中图分类号：TQ 322.3

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）03–0861–05

第一作者及联系人：周文君（1966—），女，博士，副教授，主要从事高分子阻燃材料的研究。E-mail cjhzwj@163.com。