阻燃永久抗静电型TPAE复合材料的制备

杨树娥，张金娜，左玉伟，李 健，边亚微

（天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450）

高分子材料是一种电绝缘材料，电阻率相对较高，在其加工或产品使用过程中容易积聚电荷，一旦产生静电，不仅会对材料的加工与性能、产品的使用及外观等产生不利影响，同时在一些特殊行业，如石油、化工、煤矿、地下空间作业等，大量静电的积累会导致火灾，甚至发生爆炸事故［1-2］。为解决高分子材料的静电问题，有研究人员通过添加炭黑、金属基导电填料来达到相应的抗静电目的，但是这种抗静电作用效果短暂，影响材料的使用。另有研究人员借助聚醚类物质与无机盐的配位络合，制备出了高分子永久型抗静电剂，效果优异。

热塑性聚酰胺弹性体（TPAE）作为高分子材料的一种，是由聚酰胺类硬段和聚醚类软段嵌段聚合而成的兼顾橡胶特性和热塑性塑料特性的高分子聚合物，符合低碳绿色化学主题，可用于纺丝面料、体育用品、轨道交通、食品包装、合金等多个方向［3］。许冬峰等利用TPAE 与碱金属盐的配位络合制备了聚醚酰胺永久型抗静电剂，研究了不同含量的高氯酸锂对TPAE性能的影响［4］。

通过将TPAE 与聚醚无机盐、阻燃等材料混合制备阻燃级永久抗静电型聚酰胺弹性体，解决材料产生的静电问题，可广泛应用于：精密电子元件生产过程中使用的防静电周转箱；防爆产品的外壳及结构件；中、高压电缆中使用的半导电屏蔽料；电讯、电脑等领域中的电器产品EMI 屏蔽外壳等。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚酰胺弹性体，TPAE（3010、6510），旭阳化工；抗静电剂，P18、LQ01，巴斯夫；AS500，杜邦；氮磷系阻燃剂，ADP、MCA、MPP等；其他助剂。

1.2 实验设备

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；表面电阻仪；水平/垂直燃烧仪。

1.3 实验步骤

将TPAE、抗静电剂、阻燃剂、抗氧剂等在高混合机中进行混料，然后将混好的料加到双螺杆挤出机的喂料口，物料在SHJ-35型双螺杆挤出机中进行熔融、挤出、造粒、干燥。双螺杆挤出机的实验条件为加热区T1～T10 温度分布在200～250 ℃，主机转速200～400 r/min。TPAE 复合材料的研发工艺路线见图1。

图1 改性工艺流程Fig.1 Modification process flow

2 注塑与检测

2.1 注塑

采用海天塑机的SA600 注塑机制备标准样条，注塑条件见表1。

表1 注塑机注塑条件Tab.1 Injection molding conditions for injection molding machines

利用万能试验机、缺口制样机、简支梁试验机、表面电阻仪等，对注塑机制备的样条进行检测，检测方法和国标依据见表2。

表2 样条的检测方法和依据Tab.2 Detection method and basis of splines

2.2 检测方法及标准

2.2.1 力学性能表征

室温（25 ℃）下，按GB/T 1043 测试试样的悬臂梁缺口冲击强度。每个测试样选取7～8 个进行测试，并取其平均值。

室温（25 ℃）下，按GB/T 1040 测试试样的拉伸强度和断裂伸长率，标准距离为50 mm，拉伸速度为50 mm/min±10%。

室温（25 ℃）下，按GB/T 9341 测试试样的弯曲强度和弯曲模量，试验速度为2 mm/min，试样长度80 mm，支点间距64 mm。

2.2.2 表面电阻率测试

样品在恒温恒湿箱中放置24 h，温度为25 ℃，相对湿度为30%～50%。

3 技术开发路线

研究以聚酰胺弹性体为基材，添加不同类别的永久抗静电剂，制备抗静电的TPAE 材料，在此基础上再添加无卤阻燃剂，制备阻燃的永久抗静电型TPAE 复合材料，不仅研究产品的性能变化规律，同时要结合材料的成本和产品性能，选出永久抗静电剂、阻燃剂的适宜添加量，从而得到阻燃永久抗静电型TPAE 复合材料的制备工艺。拟进行如下研究工作：

（1）不同含量的永久抗静电剂对TPAE 复合材料电学性能研究；

（2）不同含量的阻燃剂对TPAE 复合材料的阻燃性能研究；

（3）阻燃抗静电TPAE复合材料的力学性能研究。

4 结果与讨论

4.1 永久抗静电剂对TPAE复合材料导电性能研究

一般认为材料的表面电阻值在106～1012Ω 范围时，可作为抗静电材料使用。永久性抗静电剂是一类分子量大的亲水性高聚物，它们与基体树脂有较好的相容性，因而效果稳定持久，性能好。研究为了满足市场使用要求，TPAE 材料的表面电阻达到107Ω，在其他助剂种类和添加量不变的情况下，改变永久抗静电剂的用量，查看TPAE 材料表面电阻率的变化。

图2 为TPAE 材料的表面电阻率随抗静电剂含量增加的变化曲线。从图2 可以看出，随着永久抗静电剂含量的增加，TPAE 材料的表面电阻率逐渐降低，导电性能逐渐增强。当永久抗静电剂的含量在6%时，表面电阻率为8.91×107Ω 满足目标要求，当永久抗静电剂含量超过6%时，表面电阻率的变化趋于平缓。说明永久抗静电剂与TPAE 相容性较好，但永久抗静电剂的用量不能无限制地添加，6%的永久抗静电剂均匀分布在TPAE 的基体中，以层状结构或丝状形态均匀分布，在TPAE 复合材料内部及表面形成畅通的导电网络，能较好地将静电导出，降低表面电阻。

图2 永久抗静电剂添加量对TPAE复合材料导电性能的影响Fig.2 The effect of permanent antistatic agent addition on the conductivity of TPAE composite materials

4.2 氮磷阻燃剂对TPAE复合材料导电性能研究

氮磷系无卤阻燃剂区别于溴系有卤阻燃剂，具有燃烧时发烟量小，不产生有毒、腐蚀性气体的优点，属于无公害阻燃剂，应用前景良好。研究选择添加MPP、MgO 等复配阻燃剂添加到永久抗静电TPAE 中，在其他助剂种类和添加量不变的情况下，改变阻燃剂的用量，查看TPAE 材料表面电阻率的变化。

图3为TPAE材料的表面电阻率随阻燃剂添加量增加的变化曲线。从图3可以看出，当阻燃剂添加量由3%逐渐增加至10%时，TPAE材料的表面电阻率在8.86×107Ω至9.23×107Ω之间，说明在此添加量范围下，阻燃剂对TPAE材料的表面电阻率影响不大。

图3 阻燃剂含量对TPAE复合材料性能的影响Fig.3 The effect of different flame retardant content on the properties of TPAE composite materials

4.3 氮磷阻燃剂对TPAE复合材料阻燃性能研究

表3为在阻燃剂添加量不同的条件下，对TPAE复合材料燃烧性能的影响。复合材料中固定永久抗静电剂、其他助剂的含量，调整TPAE 和阻燃剂的含量配比，从表3中可以看出，随着阻燃剂添加量的增加，TPAE 材料的阻燃性能越来越好，当阻燃剂含量达到8%时，TPAE 的阻燃等级达到UL-94 V0 级，即可满足阻燃需求。

表3 阻燃剂对TPAE燃烧性能的影响Tab.3 The effect of flame retardants on the combustion performance of TPAE

4.4 氮磷阻燃剂对TPAE复合材料硬度影响

在TPAE 材料中添加阻燃剂，会对复合材料的硬度产生一定影响。图4 为TPAE 材料的邵氏硬度随阻燃剂添加量增加的变化曲线。从图4可以看出随着阻燃剂添加量的逐渐增大，TPAE 材料的邵氏硬度由54.0 D 逐渐降低至46.8 D，研究结果表明：随着阻燃剂的增加，TPAE 材料的邵氏硬度呈降低趋势，因此在选择抗静电剂、阻燃剂的添加量时，需要根据使用要求综合考虑。

图4 阻燃剂添加量对TPAE复合材料硬度的影响Fig.4 The effect of different flame retardant content on the hardness of TPAE composite materials

5 结论

1）随着永久抗静电剂的增加，TPAE 材料的表面电阻率呈降低趋势，当抗静电剂含量在6%时，表面电阻率达到107Ω，满足抗静电要求。

2）随着阻燃剂含量的增加，TPAE 材料的阻燃等级越高，当阻燃剂含量达到8%时，TPAE 的阻燃等级达到UL-94 V0级。

3）随着抗静电剂、阻燃剂的加入，TPAE 材料的导电性能、阻燃性能及硬度等发生改变，需要根据使用要求，综合考虑确定各种添加量。