PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料性能的研究

周文君，陳友財，王雪芹，嚴旭青，張敬禮

（杭州師范大學材料與化學化工學院，浙江 杭州310036）

0 前言

PC具有優良的力學性能、介電性能、尺寸穩定性及透明性，被廣泛應用于汽車、電子電氣、建筑建材、辦公設備、包裝、運動器材、醫療保健等領域［1－2］。隨著電子電器產品對材料阻燃性能要求的提高，PC的阻燃技術得到了較大發展。除傳統的鹵系阻燃劑外，近年來在PC中應用的無鹵阻燃劑有磷系阻燃劑、有機硅系阻燃劑、磺酸鹽類阻燃劑等，尤其是聚硅氧烷及磷酸酯類阻燃劑應用較多［3－6］。但由于大多數阻燃劑與PC不能很好的相容，PC的力學性能往往會隨著阻燃劑含量的增加而下降，這樣盡管能獲得高阻燃的PC材料，但材料的力學性能卻受到了很大的損害［7］。因此，在研究阻燃劑對PC阻燃性能影響的同時研究阻燃PC的力學性能是非常必要的，這也是阻燃領域的一大研究內容［8－9］。

在前期的研究中［10］，筆者主要分析了聚鋁硅氧烷對PC阻燃性能的影響，極限氧指數和錐形量熱的分析結果表明聚鋁硅氧烷對PC具有較好的阻燃效果。本研究系統研究了不同結構聚鋁硅氧烷對PC力學性能和熱性能的影響。

1 實驗部分

1．1 主要原料

PC，CALIBRE 201－10，韓國LG－DOW 聚碳酸酯有限公司；

二甲基二甲氧基硅烷，化學純，湖北恒鑫化工有限公司；

二苯基二甲氧基硅烷，化學純，湖北恒鑫化工有限公司；

甲基三甲氧基硅烷，化學純，杭州硅寶化工有限公司；

苯基三甲氧基硅烷（PTMS），化學純，仙桃市格瑞化學工業有限公司；

異丙醇鋁，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；冰醋酸，分析純，杭州化學試劑有限公司。

1．2 主要設備及儀器

旋轉蒸發儀，RE－52A，上海亞榮生化儀器廠；

轉矩流變儀，XSS－300，上海橡塑成型有限公司；

塑料注射成型機，SA900／260，寧波海天塑機集團有限公司；

液晶顯示組合式沖擊試驗機，XJ－50Z，承德市世鵬檢測設備有限公司；

微機控制電子萬能試驗機，UTM4204，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

熱變形、維卡軟化點溫度測定儀，XRW－300B，承德德盛檢測設備有限公司。

1．3 樣品制備

以二苯基二甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷及異丙醇鋁為原料，采用水解縮合法，通過改變烷硅摩爾比（R／Si）及有機側基中的苯基、甲基摩爾比（Ph／Me），制備了一系列聚鋁硅氧烷阻燃劑（見表1），具體的合成過程與課題組前文［10］報道相同。

先將PC在102℃干燥24 h，并在轉矩流變儀中與5%的聚鋁硅氧烷阻燃劑混合，溫度為250℃；然后在285℃下注射成型，對應表1中的12種聚鋁硅氧烷A1～A12制成的PC／聚鋁硅氧烷阻燃試樣分別編號為PC1～PC12。

表1 阻燃劑聚鋁硅氧烷的構成Tab．1 Composition of polyaluminosiloxane flame retardants

1．4 性能測試與結構表征

按GB／T 1040—1992測試試樣的拉伸強度，拉伸速率為10 mm／min；

按GB／T 9341—2000測試試樣的彎曲強度，測試速度為10 mm／min；

按GB／T 1043—1993測試試樣的缺口沖擊強度，擺錘能量為5 J；

按GB／T 1633—2000測試試樣的維卡軟化點溫度，升溫速率為50℃／h，負荷為10 N。

2 結果與討論

2．1 不同聚鋁硅氧烷對PC力學性能的影響

圖1 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的拉伸強度Fig．1 Tensile strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

從圖1可以看出，當R／Si＝2．0時，阻燃劑A 1～A5都使PC的拉伸強度得到提高，其中PC1和PC3提高最為明顯，提高了5%左右。PC2、PC4、PC5的提高幅度相對較小。當R／Si＝1．2時，阻燃劑也使PC的拉伸強度得到提高，但PC9的拉伸強度略低于純PC。由此說明，聚鋁硅氧烷在提高了PC阻燃性能的同時，也能改善其拉伸強度，其拉伸強度保持在54．9～58．5 MPa之間。

從圖2可以看出，當R／Si＝2．0時，不同阻燃劑對PC彎曲強度的影響有較大的差異，阻燃劑A1和A3添加到PC中，使其彎曲強度有所下降；而A2和A5對PC的彎曲強度影響不大，基本與純PC的相同，只有PC4的彎曲強度大約提高了8%左右，由純PC的86．0 MPa提高到93．0 MPa。當R／Si＝1．2時，不同阻燃劑對PC彎曲強度的影響也有較大的差異，A6、A10和A11使PC的彎曲強度略有下降，其余阻燃劑均使PC的彎曲強度提高。由于不同聚鋁硅氧烷的結構不同，致使其與PC的相容性及分子間化學鍵的作用效果不同，導致了其對PC力學性能的影響產生較大差異。

圖2 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的彎曲強度Fig．2 Flexural strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

由圖3可知，除PC6的沖擊強度略有降低，其余試樣的沖擊強度均提高，并且當R／Si一定時，阻燃PC的沖擊強度基本隨聚鋁硅氧烷側鏈上Ph含量的增加先增后降，當Ph／Me達到某一適中值時，阻燃PC的沖擊強度達到最大值，如 R／Si＝2．0時，Ph／Me＝6／4的PC4的沖擊強度最高，為21．0 kJ／m2，比純 PC 的16．0 kJ／m2提高了31%。R／Si＝2．0的聚鋁硅氧烷比R／Si＝1．2的聚鋁硅氧烷對PC沖擊強度的提高更為明顯，各樣品均提高了15%以上。由此可見，聚鋁硅氧烷克服了一般阻燃劑在提高PC阻燃性能的同時損害其力學性能，尤其使沖擊強度嚴重下降的缺陷，拓寬了PC的應用范圍。

圖3 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的缺口沖擊強度Fig．3 Notch impact strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

2．2 聚鋁硅氧烷含量對PC力學性能的影響

將A4阻燃劑按照不同的含量添加到PC中，考察聚鋁硅氧烷阻燃劑含量對PC力學性能的影響。從圖4可以看出，阻燃PC的拉伸強度隨A4含量的變化趨勢不明顯，除0．5%的A4外，其他含量的A4均使PC的拉伸強度較純PC有所提高。

由圖5可知，A4可使PC的彎曲強度提高，并隨其含量的增加先增后降，當含量為5%時，PC的彎曲強度最大為93．0 MPa，比純PC提高了8．1%。當A4的含量達到1%以上，各阻燃PC的彎曲強度均提高2 MPa以上。

圖4 A4含量對PC拉伸強度的影響Fig．4 Effect of A4 content on tensile strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

圖5 A4含量對PC彎曲強度的影響Fig．5 Effect of A4 content on flexural strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

從圖6可以看出，A4使PC的缺口沖擊強度有較大的提高，其含量從0增加到5%時，阻燃PC的沖擊強度呈上升趨勢，從16．0 kJ／m2增加到21．0 kJ／m2，但當繼續增加A4含量時，材料的沖擊強度又開始下降。

2．3 聚鋁硅氧烷含量對PC維卡軟化點的影響

從圖7可知，PC／聚鋁硅氧烷的維卡軟化點隨著A4含量增加有一個逐漸增加而后減小的變化過程。這是因為阻燃劑A4的相對分子質量較大且本身的熔化溫度較高，其大分子結構增加了PC分子鏈的內旋轉力，使得PC分子的鏈段運動受阻，熱性能提高。但A4含量過高，在PC中發生團聚，影響了其與PC的相容性，致使PC的熱性能下降。A4含量低于8%時，均使PC的維卡軟化點得到提高，含量為5%時，維卡軟化點最高為149．0℃。

圖6 A4含量對PC缺口沖擊強度的影響Fig．6 Effect of A4 content on notch impact strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

圖7 A4含量對PC維卡軟化點的影響Fig．7 Effect of A4 content on Vicat s oftening temperature of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

3 結論

（1）5%的聚鋁硅氧烷阻燃PC材料的拉伸強度在54．9～58．5 MPa之間，與純PC的拉伸強度55．0 MPa相比有明顯提高；

（2）5%的聚鋁硅氧烷對PC彎曲強度的影響較小；

（3）5%的聚鋁硅氧烷可明顯提高PC的沖擊強度，R／Si＝2．0、Ph／Me＝6／4的聚鋁硅氧烷阻燃PC的沖擊強度最高，為21．0 kJ／m2，比純PC提高了31%；

（4）PC／聚鋁硅氧烷的維卡軟化點溫度隨著聚鋁硅氧烷含量增加先增后降，聚鋁硅氧烷含量低于8%時，均使PC的維卡軟化點得到提高。

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