聚碳酸酯薄层阻燃配方及性能

黄承辉，姚一新，杨俊杰，李会

(1.嘉善申嘉科技有限公司，浙江嘉善 314100； 2.浙江中科辐射高分子材料研发中心，浙江嘉善 314100)

聚碳酸酯(PC)分子链中含有碳酸酯基，是工程塑料的主要品种之一[1]。根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族－芳香族等多种类型。其中，芳香族PC 获得了大规模的工业化生产[2]。PC 结构已成为五大工程塑料中增长速度最快的工程塑料。PC 是非晶态聚合物，熔融和冷却后变成透明的玻璃状物，具有优良的光学和力学性能。PC 具有突出的抗冲击性能、透明性、尺寸稳定性，优良的力学性能和电性能，以及较高玻璃化转变温度、热变形温度和较宽的使用温度范围(–60～120℃)[3-5]。PC 工程塑料的应用领域主要有玻璃装配业、汽车工业和电子、电器工业，其次还有工业机械零件、光盘、包装、计算机等办公室设备、医疗及保健、休闲和防护器材等。

电子电气领域对塑料绝缘薄膜的需求量快速增长，其轻薄化、高集成化的行业趋势要求绝缘薄膜材料不仅要具备良好的介电强度、力学性能和耐热性，同时也必须在更低厚度下实现稳定阻燃效果。PC 材料燃烧时成炭率较高[6–8]，能自熄，阻燃等级为UL94 V–2 级，与普通的热塑性塑料相比虽有较好的阻燃性，但仍可燃，且燃烧时有热熔体滴落，容易引起附近的材料着火。薄层PC 制品的阻燃要求比较高，其原因是低厚度样品在燃烧过程中与火焰接触的面积更大、热量和可燃物传递路径更短、样条局部软化后在重力影响下的滴落风险更高[9–11]。添加阻燃助剂是提高PC 阻燃性的有效手段[12]，但行业对PC 阻燃性能要求越来越高，部分场合还要求PC 保持良好的透光性，对阻燃助剂有了更高要求[13–15]。笔者主要针对薄层(0.7 mm) PC 的阻燃要求，研究聚四氟乙烯(PTFE)抗滴落剂及阻燃剂使用后对PC阻燃性、熔体流动速率(MFR)、透光性以及抗滴落剂对材料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PC：PC–122，台湾奇美实业股份有限公司；

PC：02–10R，宁波浙铁大风化工有限公司；

PC：WY–106BR，利华益维远化学股份有限公司；

PTFE 抗滴落剂：SJ–D100S，嘉善申嘉科技有限公司；

双酚A 双(二苯基磷酸酯)(BDP)：平湖阿莱德实业公司；

多溴联苯醚；FR–X9805，广州寅源新材料科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

同向高速排气式平行双螺杆混炼挤出机：TE–35 型，江苏科亚化工装备有限公司；

塑料注射成型机：HTL90A 型，海太塑料机械有限公司；

水平垂直燃烧测试仪：CZF–3 型，南京市江宁区分析仪器厂；

MFR 测定仪：ZXNR–400A 型，上海左科仪器设备有限公司；

光学透过率测量仪：NS550H 型，深圳市纳森科技有限公司；

电子万能试验机：WDW–20 型，上海泊睿科学仪器有限公司；摆锤冲击试验机：TH–6050 型，江苏天惠试验机械有限公司。

1.3 阻燃PC 配方

表1 阻燃PC 配方 份

1.4 性能测试

试验前将PC 进行干燥处理(120℃，4 h)，然后配料共混，于270℃经双螺杆挤出机挤出造粒，粒料烘干后经注塑机成型至标准试样，注塑温度275℃。

MFR 测试：温度300℃，负重2.16 kg。

垂直燃烧测试参照UL94 标准进行测试，试样尺寸为125 mm×13 mm×0.7 mm。

透光率按GB／T 2410–1980 进行测试。

力学性能测试，拉伸测试按GB／T 1040–2018进行；弯曲测试按GB／T 9341–2008 进行。

抗冲击性能按GB／T 1843–2008 进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃体系对阻燃效果的影响

表2 是阻燃剂种类与PC 燃烧性能的关系。三款阻燃剂用量在建议添加量范围内的基础上复配抗滴落剂进行实验，PTFE 抗滴落剂添加0.2%。

表2 不同阻燃剂燃烧性能

阻燃剂与抗滴落剂复配使用效果测试。由表2可知，磺酸盐阻燃剂与抗滴落剂的复配使用具有较好的效果，阻燃剂复配抗滴落剂可明显提升阻燃抗滴落效果。

表3 是在不同MFR 的PC 中添加阻燃剂、抗滴落剂之后阻燃效果测试。控制相同阻燃剂和抗滴落剂的添加量进行实验。

表3 不同MFR 的PC 燃烧性能

由表3 可知，选用不同MFR 的PC 测试燃烧现象较为接近，不同MFR 的PC 对抗滴落剂和阻燃剂复合体系的燃烧性能影响较小。

2.2 抗滴落剂含量对MFR 的影响

图1 是不同添加的抗滴落剂与MFR 的关系。选用三种MFR 不同的PC 进行试验。由图1 可见，随着抗滴落剂含量的增加，树脂体系的熔体流动速率呈递减趋势。高分子量的PTFE 在螺杆中受到剪切后呈“网络”结构，在受热条件下产生一定收缩，增大树脂的黏稠度。

图1 抗滴落剂不同含量时PC 的MFR

2.3 阻燃体系对透光性影响

图2 是不同含量的磺酸盐阻燃剂FR–X9805 与透光率的关系。控制PTFE 抗滴落剂的含量不变，测试阻燃PC 的透光率，由图2 可知，磺酸盐阻燃剂FR–X9805 对PC 树脂的透明度影响较小。

图2 FR–X9805 不同添加量时PC 透光率

图3 是不同含量抗滴落剂与透光率的关系。由图3 可以看出，随着抗滴落剂含量的提高，PC 的透光率下降，透明度降低；抗滴落剂分散在PC 中会影响共混体的光学性能。

图3 抗滴落剂不同添加量时PC 透光率

2.4 不同厚度的PC 材料阻燃效果

表4 为不同厚度下PC 阻燃达UL94 V–0 级时，阻燃剂FR–X9805 与PTFE 抗滴落剂添加量关系。

表4 不同厚度下PC 阻燃达V–0 级时FR–X9805 与抗滴落剂配比

由表4 可知，薄层PC 材料要达到一定阻燃效果则需要较高的阻燃助剂添加量。低厚度样品在燃烧过程中更加容易产生滴落，低添加量难以达到阻燃抗滴落效果。

2.5 不同添加量的抗滴落剂对材料力学性能影响

图4、图5、图6 分别是不同添加量的抗滴落剂对阻燃PC体系的拉伸、弯曲、冲击性能的影响对比。PC 选用奇美PC–122，固定阻燃剂含量0.4%，抗滴落剂以不同的含量进行评估，综合图4～图6 可知，阻燃PC 体系中添加少量的抗滴落剂后，拉伸弯曲及抗冲击强度变化较小，低添加量抗滴落剂对阻燃PC 体系力学性能的影响较小。

图4 抗滴落剂不同添加量时阻燃PC 的拉伸性能

图5 抗滴落剂不同添加量时阻燃PC 的弯曲性能

图6 抗滴落剂不同添加量时阻燃PC 的冲击性能

3 结论

(1)不同厚度的PC 材料要达到阻燃抗滴落效果所需要的阻燃助剂量有差异，薄层PC 材料达到一定阻燃效果需要提高添加量。

(2)磺酸盐阻燃剂与抗滴落剂复配应用于薄层PC 阻燃效果较好，且添加量低；不过抗滴落剂的加入会影响制品透光，应用时需进行配方调整；磺酸盐阻燃剂对PC 透光影响小。

(3)抗滴落剂的添加会使体系MFR 降低，树脂“黏稠度”上升，过量可能影响共混体加工工艺。

(4) PC 本身熔体流动速率的高低对阻燃复合体系的阻燃性能影响较小。

(5)低添加量抗滴落剂对阻燃体系的力学性能影响较小。