阻燃透明聚碳酸酯板材的制备及其性能研究

张瑾 刘大光 谭润升 王宏 谷松

（锦西化工研究院有限公司 辽宁省航空有机透明材料创新团队 葫芦岛 125060）

0 引言

聚碳酸酯（PC）是综合性能优越的热塑性工程塑料，由于其结构的特殊性，聚碳酸酯具有优异的透光性、冲击韧性、电绝缘性、耐候性等特点。广泛应用于航空航天、电气照明、透光建筑材料等行业［1］。

随着行业的日益发展，对聚碳酸酯产品的需求迅速增加，要求其在具有良好的光学性能及力学性能的基础上，在低厚度下实现稳定的阻燃效果［2］。聚碳酸酯本身虽具有一定的阻燃性，在不改性的情况下可以达到UL94 V-2级（3.2 mm）［3］，但仍难以满足当前的阻燃需求。因此，需要对聚碳酸酯进行阻燃改性。

目前常用PC阻燃体系有溴系、磷酸酯系、磺酸盐系、有机硅系等［4］。溴系阻燃剂与PC具有良好的相容性，阻燃效果好，但高温下易分解，螺杆和模具易被腐蚀产生黑点［5］，影响挤出板材表面质量，且溴系阻燃剂燃烧时产生大量烟雾和有毒有害气体，危害较大，限制了其应用。其次是磷酸酯系阻燃剂，该类阻燃剂由于添加量较大，对PC的力学性能及光学性能影响较大［6］。磺酸盐系阻燃剂阻燃效果显著，较少的添加量即可提升PC阻燃性能，对PC板材光学性能影响较小，其缺点是添加量极少，使得阻燃剂在PC体系中分散困难，且价格较为昂贵，单独使用时不能满足较高的阻燃要求［4］。硅系阻燃剂加工性能良好，对机械性能影响较小，对环境友好，可以起到阻燃和抑烟的效果［7］，但是单独添加时添加量较大，成本高，需要与其他阻燃剂复配使用［8-9］。

本文针对当前对透明聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用硅系阻燃剂FCA-107和磺酸盐阻燃剂KSS复配改性PC，固定硅系阻燃剂FCA-107加入量不变，通过配方试验确定磺酸盐阻燃剂KSS适宜加入量，而后进一步确定硅系阻燃剂FCA-107加入量，根据性能测试结果确定最佳阻燃配方，分别研究了不同组分其加入量对PC阻燃性能、光学性能及力学性能的影响。

1 实验

1.1 试剂与仪器

聚碳酸酯树脂（PC，牌号为LXW-1），鲁西化工集团股份有限公司；二苯基砜磺酸钾（KSS，牌号F-535），Arichem公司；有机硅阻燃剂（牌号FCA-107），道康宁公司。

双螺杆挤出机（STS 50型），科倍隆南京机械有限公司；注塑机（SA2500/1000型），宁波海天塑机集团有限公司；燃烧性能试验机（NK-8202型），东莞市纳宇检测设备有限公司；透光率/雾度测定仪（WGT-S型），上海精密科学仪器有限公司；微机控制电子万能试验机（CMT4504），深圳市新三思计量技术有限公司；塑料摆锤冲击试验机（501J），深圳万测设备有限公司。

1.2 实验过程

将PC树脂在110～120 ℃下干燥4 h后，按照配方分别加入阻燃剂及PC树脂粒料，将原料混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出，牵引、造粒、干燥，制备得到阻燃聚碳酸酯树脂粒料，挤出机温度为220～270 ℃。将挤出得到的树脂粒料在110～120 ℃下进行干燥，经注塑机注塑出厚度为2 mm的标准试样，注塑温度为220～280 ℃。

1.3 性能测试

透光率、雾度按照GB/T 2410—2008进行测试，样品尺寸50 mm×50 mm×2 mm；拉伸强度、拉伸模量按照GB/T 1040.2—2006进行测试，样品尺寸185 mm×20 mm×2 mm，拉伸强度测试中测试速度为50 mm/min，拉伸弹性模量测试中测试速度为1 mm/min；缺口冲击强度按照GB/T 1843—2008进行测试，样品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；60 s垂直燃烧按照HB 5469进行测试，垂直燃烧样品尺寸为368 mm×76 mm×2 mm。

1.4 阻燃PC配方

本实验选择阻燃PC配方见表1。

表1 阻燃PC配方 质量分数/%

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃配方对PC板材阻燃效果的影响

不同阻燃配方对PC燃烧性能的影响见表2。

表2 不同阻燃配方对PC燃烧性能的影响

由表2可知，随着阻燃剂KSS和FCA-107加入量的增加，聚碳酸酯板材的燃烧性能明显提高，板材自熄能力增强，焰燃时间及烧焦长度减少，滴落物续燃时间减少。单独添加KSS阻燃剂时，PC板材阻燃效果虽有明显改善，但其在燃烧过程中滴落物较多，且燃烧过程中烟雾较大。随着FCA-107用量的增加，燃烧过程中放出烟雾有所减弱，滴落物明显减少。这是因为KSS和FCA-107两种阻燃剂协同作用，在燃烧过程中，形成了碳化保护层，该碳层结构致密稳定，具有阻燃、抑烟、抗滴落等特性。且二者添加量在一定范围内时，复配阻燃剂制备的PC板材较两种阻燃剂单独使用时其阻燃性能明显提高。随着阻燃剂KSS和FCA-107加入量的继续增加，PC板材的燃烧性能反而降低，这可能是因为阻燃剂在PC基体中分散困难，影响了PC板材的燃烧性能。

2.2 不同阻燃配方对PC板材透光率的影响

不同阻燃配方对PC板材光学性能的影响见表3和图1。

表3 不同阻燃配方对PC板材光学性能的影响

图1 不同配方对透光率及雾度的影响

由表3和图1可知，随着FCA-107及KSS加入量的增加，透光率随之下降，雾度随之上升。随着KSS阻燃剂加入量的增加，对PC板材透光率影响较小，雾度增加明显。这是因为KSS为白色粉末状固体且添加量较少，在PC基体中不易分散均匀，使材料内部产生了雾度，但其对板材的透光率影响不大［10］。而FCA-107基本不影响PC的光学性能，这是因为FCA-107分子链中含有苯环结构与PC分子链结构相近，由于相似相容原理，使FCA-107阻燃剂与PC树脂相容性增加，使FCA-107阻燃剂能均匀混合分散［10］，保证PC板材光学性能基本不受影响。

2.3 不同阻燃配方对PC板材力学性能的影响

不同阻燃配方对PC板材力学性能的影响见表4、图2和图3。聚碳酸酯（PC）具有优异的力学性能，纯PC的拉伸强度为66 MPa，拉伸弹性模量为2300 MPa，缺口冲击强度为65.5 kJ/m2。由表4、图2、图3可知，随着阻燃剂加入量的增加，材料的拉伸强度、拉伸弹性模量、缺口冲击强度呈现出先上升后下降的趋势。当KSS加入量为0.4%、FCA-107加入量为0.5%时，力学性能最优，所制备的PC板材其拉伸强度为68.6 MPa，拉伸弹性模量为2410 MPa，缺口冲击强度为68.2 kJ/m2，这是因为硅系阻燃剂分子量大，交联程度高，且KSS与FCA-107分子结构在中羟基官能团与PC通过氢键结合，在PC基体中形成交联网状结构，PC分子链相互作用力增强，且分子链中含有苯环结构，分子链刚性大，因而拉伸强度及模量增加。PC板材缺口冲击强度也有所改善，这是因为FCA-107硅系阻燃剂分子链柔顺性好，使PC韧性增加，冲击强度提高。但随着阻燃剂添加量的继续增加，PC板材力学性能降低，这是因为阻燃剂在PC基体中不易均匀分散，造成应力集中点，力学性能降低。

表4 不同阻燃配方对PC拉伸强度的影响

图2 不同配方对拉伸强度及拉伸弹性模量的影响

图3 不同配方对缺口冲击强度的影响

3 结论

（1）当KSS添加量为0.4%、FCA-107添加量为0.5%时，聚碳酸酯板材阻燃性能最优，聚碳酸酯板材的透光率为88.6%，雾度为1.22%，拉伸强度为68.6 MPa，拉伸弹性模量为2410 MPa，缺口冲击强度为68.2 kJ/m2。

（2）磺酸盐阻燃剂KSS与有机硅阻燃剂FCA-107具有良好的协同作用，二者复配使用时，通过对配方的调整，在较低的添加量时仍能保证聚PC板材阻燃效果较好，在改善阻燃性能的同时保证了其优异的光学性能及力学性能。