PBT材料的改性方式研究进展现状综述及展望

熊泰熠 陈继兵

（武汉轻工大学机械工程学院,湖北 武汉 430023）

聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）是一种结晶性饱和聚酯，具有十分优良的综合性能，被广泛地应用于电子电器、汽车工业等多个领域[1]。但在实际生产中，PBT材料作为原料使用时仍然暴露出较多的问题：PBT材料阻燃性差，在空气中易燃，且燃烧时会释放出大量浓烟及有毒气体；作为与人体皮肤密切接触的合成纤维的主要原料时，PBT材料抗菌性差，其表面由于接触到人体皮肤会沾染油脂等物质，容易滋生细菌；被用于生产塑料片材以及薄膜时，为使PBT材料具有更好的加工性，需对其流变性以及热性能进行改性研究，以提高工业生产效率；用作不同环境下的受力零件材料时，需要对PBT材料的机械性能进行优化改性。目前对于PBT材料存在的上述几种问题都有相应的研究成果。本文将对上文所提到的PBT材料在实际生产中存在的几种问题所对应的改性方案进行综述，并给出对于PBT材料未来改性研究方向的展望。

1 PBT材料的阻燃性改性研究

目前常见的用于PBT材料的阻燃剂包括卤系阻燃剂和无卤阻燃剂。卤系阻燃剂主要包括溴系阻燃剂，如十溴二苯醚（DBDPO）、溴化环氧树脂（BER）；无卤阻燃剂较为常见的有无机阻燃剂和磷系阻燃剂[2]。除上述论及的传统阻燃剂，目前关于PBT材料阻燃改性还有一个较为新颖的研究方向，即在不改变PBT材料加工性能的前提下，往其中加入少量的纳米填料。该方法可以在保证PBT材料的加工性能的前提下，有效地改善PBT材料的阻燃性和抗滴落性能。目前用于PBT材料阻燃性改性的纳米复合材料包括碳族纳米复合材料和纳米金属氧化物聚合物，其中碳族纳米复合材料包括锰钴氧化物/石墨烯（MnCo2O4-GNS）杂化物[3]；另外还有PBT材料中加入各种改性碳纳米管复合材料等方式。此外，添加三氧化二锑（Sb2O3）也是一种有效的改进PBT阻燃性的方式，徐建林等（2020）[4]对添加不同粒径Sb2O3对PBT材料的阻燃性的影响做了深入研究，研究结果表明纳米级Sb2O3的效果要整体优于微米级Sb2O3。

2 PBT材料的抗菌性改性研究

目前常见的PBT材料的抗菌改性方式是采用熔融共混法向PBT材料中添加一定比例的纳米级铜粉。盛平厚等（2020）[5]借助毛细管流变、差示扫描量热、扫描电子显微镜（SEM）等手段对PBT抗菌复合材料的流变性能、纤维性能、抗菌性能等进行了实验研究。实验结果表明PBT抗菌复合材料的熔体表观黏度随着剪切速率的增大而减小，也称“剪切变稀”，且纳米铜粉的含量越高，在相同的剪切速率下熔体表观黏度越小。SEM照片表明，在实验含量范围内，纳米铜粉在PBT基体中分散较均匀。添加了质量分数为5%的纳米铜粉进行改性后的PBT抗菌复合材料可纺性优良；当改性后的PBT材料所含纳米铜粉质量分数为0.5%时，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌率均大于99%（如表1），呈现出优异的抗菌性能。

表1 抗菌纤维的抗菌性能[5]

3 添加1，4-环己烷二甲醇改善PBT材料流变性能及热性能研究

为了将PBT材料的用途扩展到塑料片材以及薄膜领域，于浩淼等（2019）[6]研究了将1，4-环己烷二甲醇作为第三单体，以不同含量添加到PBT基体中制得聚对苯二甲酸丁二醇酯-1，4-环己二甲醇酯（PBTG），并对其流变性能进行了测试与分析。实验结果显示，PBTG相较于一般的PBT材料有更大的非牛顿指数，也就是使一般的PBT材料获得了更好的可加工性；同时，由于加入了1，4-环己烷二甲醇，PBT的大分子链的刚性得到了增强，使得材料整体的动态力学性能得到了强化。

李庆男等（2020）[7]研究了经1，4-环己烷二甲醇（CHDM）改性后的系列PBT共聚酯在热性能以及结晶性方面的变化。实验结果表明，添加CHDM不仅会降低酯化反应的速率，并且随着CHDM添加量的增大，原材料的酯化率会随之降低；在加入了CHDM改性后，PBT共聚酯的熔点呈先降低后升高的变化趋势，在CHDM与PTA（对苯二甲酸）的摩尔比为40%时达到最低值（177 ℃），同时其结晶性能逐渐减弱；热稳定性指标随着CHDM添加量的增大，呈现先逐渐降低后逐渐升高的变化趋势[7]。

4 PC/PBT合成式改性研究

聚碳酸酯（PC）在室温条件下具有刚而韧的优点，但同时也有不耐高温、耐化学性差等缺点；PBT材料具有机械性能好且受温度影响不大、耐化学性好等优点，同时也具有热变形温度低的缺点。当两种材料进行共混处理后，得到的PC/PBT材料保留了二者的优点，研究其性质对于高分子材料的研究应用与发展有着重要意义。

廖永江等（2020）[8]将PC与PBT以不同的比例进行配比（如表2），并采用不同的酯交换抑制剂、抗冲击改性剂等多种塑料的改性试剂进行添加实验。其测得的数据显示，当PC ∶PBT=7 ∶3时，酯交换抑制剂选用无水磷酸二氢钠（AMSP），抗冲击改性剂选用甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯（MBS）与功能树脂复配并添加PC/PBT共聚物相容剂时，获得的新材料的综合性能将达到最优状态，同时在添加了适当的改性剂之后，该材料的各项性能指标，包括阻燃性以及材料强度等指标均可满足工业生产的需求。

表2 PC/PBT配比对材料性能影响[8]

马玫等（2019）[9]研究了两种抗冲击改性剂MBS、ABS（丙烯晴-丁二烯-苯乙烯）分别使用和复合使用时在常温以及低温环境下对该复合材料的各项性能的影响。结果表明仅使用一种改性剂的情况下，改性剂对材料的性能改善效果有限，且过多剂量的添加会使材料的生产工艺难度增大；当两种增韧改性剂复合使用时，其效果都明显优于单独地使用其中一种改性剂进行改良的效果，在常温以及低温环境下效果都较好。

5 PBT材料的机械性能改性研究

目前常用于PBT材料增韧改性处理的有乙烯与丙烯酸酯类共聚物（EEA、EBA）、热塑性聚酯弹性体（TPEE）、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚烯烃弹性体（GMA-g-POE）、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-丙烯酸酯三元共聚物（GMA-g-EMA、GMA-g-EBA）等。同时，上文中提到的为了改善PBT材料的阻燃性能而添加的Sb2O3在添加后也会对PBT材料整体的力学性能产生影响。实际生产中为了增大PBT材料的机械强度，通常还会在其中添加一定比例的玻璃纤维（GF）。李登辉等（2020）[10]学者通过实验分析讨论了6种增韧剂对PBT材料的增韧改性效果，同时研究对比了添加30%玻璃纤维和不添加玻璃纤维时不同增韧剂对PBT材料增韧改性的实际效果。实验结果表明，在添加质量分数为30%的玻璃纤维后，各增韧剂对PBT材料的强化效果变化趋势同不加入玻璃纤维时较好地吻合，也能够较好地起到提升PBT材料的缺口冲击性能等功能，但不加入玻璃纤维的体系中，增韧剂的使用会使材料的热变形温度下降5 ℃以内。

王书涛等（2020）[11]针对PBT材料在其他性能方面进行改性优化时，由于需要加入Sb2O3对材料整体阻燃性进行改善，从而导致基体材料的综合力学性能发生恶化的问题进行了研究。其研究发现，加入纳米级别的Sb2O3相较于微米级别的Sb2O3可以使基体材料获得更好的综合力学性能，同时也可使其阻燃性能得到改善。但由于小尺寸效应以及表面效应，纳米级的Sb2O3在添加后易发生团聚，当有外力作用于复合材料时，会由于应力集中而使复合材料发生破坏，故须提高纳米级Sb2O3在基体中的分散性，需要对纳米Sb2O3进行表面改性处理，可使用硅烷偶联剂制成Nano-Sb2O3BPS/PBT。结果表明该产物的抗拉强度与冲击强度随纳米Sb2O3含量的增加而增强，当质量分数达到1.5%时，其性能指标达到峰值。

6 结语

本文综合论述了当下一种热门的高分子材料——PBT材料在克服其使用缺陷的改性上的几个不同的改性方式的研究。PBT高分子材料的改性研究目前仍然具有较大的意义。本文中所提及的数个问题，未来的研究方向可着重放在纳米材料技术的突破上。单看每个问题的传统改性解决方案，或多或少存在着弊端，难以全面地解决问题，但纳米技术的突破，或许可以给出一种相较而言更为全面可靠的方案。总体看来，进行复合使用多种改性剂以及将不同的高分子材料进行复合加工方面的研究，并对得到的新材料进行研究，有较大可能性会使PBT材料获得更为优良的性能；针对多个传统的问题同时复合使用多种改性方案，在经过不断尝试与改进后，有机会获得各种改性方案优缺点互补的效果，使高分子材料的总体性能得到一个新的提升。