BPS 添加量对阻燃级尼龙66 性能的影响

许宁，杨树娥，李健，徐兴亮

（天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450）

聚酰胺66（PA66）因其具有良好的机械性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，应用十分广泛[1]。实际应用中，为了提高PA66 的强度及尺寸安定性，降低热膨胀系数及收缩率等，通常采用玻纤增强。然而PA66 本身氧指数为24 左右，属于可燃物，并且在燃烧过程中产生滴落，采用玻璃纤维增强后的PA66 材料在燃烧时产生“灯芯效应”，使材料更易燃烧[2,3]。因此应用于易受火灾威胁的场合时，需要对PA66 进行阻燃改性，保证材料的使用安全。

本文采用同时加入溴锑阻燃剂和长玻纤的方法，对PA66 进行增强及阻燃复合改性，主要研究溴化聚苯乙烯（BPS）添加量对改性复合材料阻燃性能及机械性能的影响，为阻燃级PA66 材料的工业化生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验原料与设备

原料：PA66（EP158），河南神马；长玻纤，泰山玻璃纤维有限公司；溴化聚苯乙烯，自制；三氧化二锑，华星锑业。

设备：TE-35 型双螺杆挤出机，南京欧立；SA600 注塑机，海天塑机；万能试验机、缺口制样机、简支梁试验机，美斯特；垂直燃烧测试仪，北京中航时代仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

将PA66 颗粒，溴锑阻燃剂（溴化聚苯乙烯与Sb2O3物质的量比为3∶1），及其他助剂在高速混合机中调和均匀后，加到双螺杆挤出机的喂料口，长玻纤从第一排气口加入，调整螺杆转速及喂料速度，使产品玻纤含量为30%。物料在双螺杆挤出机中熔融、挤出、造粒，注塑样条后进行相关性能检测。试验流程如图1 所示。

图1 试验流程图

双螺杆挤出机的实验条件：加热区T1～T10温度分布在 255～270℃，主机转速 200～500 转/min。

注塑机注塑条件如表1。

表1 注塑机注塑条件

2 结果与讨论

2.1 BPS 添加量对改性后复合材料阻燃性能的影响

将一定量的溴化聚苯乙烯与PA66 及其他助剂混合均匀，在双螺杆挤出机上进行熔融共混。溴化聚苯乙烯分别为12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的阻燃性能测试结果如表2 所示。

表2 BPS 添加量对改性材料阻燃性能的影响

通过表2 数据可以看出，随着溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性后材料的阻燃性能逐渐增强。溴化聚苯乙烯在添加量为18%时能够达到UL94 V-0 级，且此时在整个垂直燃烧测试过程中，试验样条未产生熔融滴落物。根据溴化聚苯乙烯的阻燃机理，其受热分解产生HBr 可延缓或中止自由基链式反应[4,5]，同时也促进凝聚态碳层的形成，这一方面阻隔了热量的传递且隔绝了空气，另一方面也起到阻止熔融滴落的作用。

2.2 BPS 添加量对改性后复合材料力学性能的影响

2.2.1 改性后材料的拉伸强度

主阻燃剂溴化聚苯乙烯分别为12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的拉伸强度指标如表3 及图2 所示。

表3 BPS 添加量对改性材料拉伸强度的影响

图2 BPS 添加量对改性材料拉伸强度的影响

本文在添加溴锑阻燃剂增强产品阻燃性能的同时，添加30%添加量的玻纤保持产品力学性能的强度，从表3 及图2 中的数据可以看出，随着BPS 添加量的增加，改性后复合材料的拉伸强度随之下降。因此可知，阻燃剂的加入会降低改性材料的力学性能，因此阻燃剂的小剂量化是保证材料力学性能的关键。

2.2.2 改性后材料的弯曲强度

主阻燃剂溴化聚苯乙烯分别为12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的弯曲强度测试结果如表4 及图3 所示。

由表4 及图3 可知，随着溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性材料的弯曲强度也逐渐减小，其变化趋势与拉伸强度相似，但相比拉伸强度来说变化幅度略小。

表4 BPS 添加量对改性材料弯曲强度的影响

图3 BPS 添加量对改性材料弯曲强度的影响

2.2.3 改性后材料的抗冲击强度

溴化聚苯乙烯分别为12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的非缺口抗冲击强度、缺口冲击强度测试结果如表5 及图4 所示。

表5 BPS 添加量对改性材料抗冲击强度的影响

图4 BPS 添加量对改性材料抗冲击强度的影响

通过图表数据分析，随着溴锑阻燃剂添加量的增加，其改性产品的缺口抗冲击强度及非缺口抗冲击强度均有所下降。溴化聚苯乙烯本身是一种高分子聚合物，与树脂基体的相容性较好，但过大剂量的添加会导致团聚现象，降低尼龙分子间作用力[5]；Sb2O3是一种粉末状金属氧化物，由于较高的表面能，在较大添加量下难以分散均匀，导致材料受外界载荷时性能下降。

综上所述，溴锑阻燃剂的加入会降低改性材料的力学性能。因此要想保证改性材料力学性能不降低，同时也出于节约生产成本的考虑，需要实现阻燃剂的最小剂量化。当溴锑阻燃剂添加量为18%时，改性PA66 材料阻燃性能达到UL94 V-0，此时材料的拉伸强度为142.23MPa，弯曲强度为182.15MPa，缺口冲击强度为9.15 kJ/m2，满足我国塑料阻燃相关规定要求的同时，材料的力学性能也满足市场需求。

3 结论

本文以PA66 为基体树脂，通过添加溴锑阻燃剂，采用熔融共混改性法，制备阻燃级PA66 复合材料，结论如下：

1）溴化聚苯乙烯三氧化二锑协效阻燃剂具有优良的阻燃性能。随着配料中溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性后复合材料的阻燃等级逐渐提高。

2）溴锑阻燃剂的加入会对改性PA66 材料的力学性能产生负面影响。随着溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性材料的拉伸强度、弯曲强度、缺口抗冲击强度、非缺口抗冲击强度均呈现下降趋势。

3）当主阻燃剂溴化聚苯乙烯添加量为18%时，此时改性产品的阻燃等级可达到UL94 V-0，材料拉伸强度为 142.23MPa， 弯曲强度为182.15MPa，缺口冲击强度为9.15 kJ/m2，能较好的满足相关要求。