高光澤阻燃增強PET-PBT合金材料的研究與開發

馬元好， 鄭夏蓮

（宜春學院物理科學與工程技術學院， 江西 宜春 336000）

引言

塑料已被當代社會廣泛運用，種類也是日新月異。最近幾年來，由于研制新的合成高聚物非常困難，而塑料合金化可以讓材料品種更加多樣化，并可以改進各種原有塑料的不同性能，因此，塑料合金化已然變為高分子材料研究領域的一個重要發展趨勢。其中，聚酯合金的可調試性很高，已然成為塑料合金中的一個重要組成部分。能夠合金化的聚酯種類很多，包括聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚對苯二甲酸1，3丙二醇酯（PTT），以及聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等[1-4]。

PET是當前工業比較常用的一種工程塑料，它綜合性能良好，成本較低；在纖維、薄膜和中空容器中應用廣泛[5-6]。但PET結晶慢，不完整并且結晶不均勻，從而使其成型周期較長、易翹曲且抗沖擊性差，在工程塑料應用中受到較大限制。目前，利用混合劑制備高分子合金材料的辦法是改善PET性能的一種趨勢，其中PBT就是一種很好的相容材料[7]，PBT材料能很好地與PET相容提高其韌性及結晶速率[8-9]，但PET-PBT合金材料也具有光澤不好和阻燃性較差的缺點。通過研究不同阻燃劑的復配，將復配后阻燃劑用于PET-PBT合金材料中，研究了不同比例的阻燃劑對PET-PBT合金力學性能、阻燃性能和光澤度的影響；同時研究了不同類型的阻燃劑對PET-PBT合金的影響，從而可以用來生產汽車裝飾件，應用于工程領域的導電復合材料和阻燃材料生產中。

1 實驗部分

1.1 原材料

聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）：中國石油遼陽石油化纖公司；聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）：S3120，江蘇儀征化纖工程塑料廠；十溴二苯乙烷：廣州市川聚化工科技有限公司；Mg（OH）2：杭州吉康新材料有限公司；Al（OH）3：江陰市廣源超微細有限公司；Sb2O3:麗水泰森防水科技有限公司；納米SiO2：江蘇天行新材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

高速攪拌混合機：無錫諾亞機械有限公司SXJ-50L；

雙螺桿擠出機：南京科亞化工成套設備有限公司TE35；塑料成型注塑機：海天塑機集團有限公司HTJ86；電子萬能試驗機：深圳市新三思材料檢測有限公司CMT5504；

全自動落錘沖擊試驗機：深圳市新三思材料檢測有限公司ZCJ1000；

水平垂直燃燒測試儀：東莞市崇圣儀器設備有限公司CS-UL94。

1.3 試樣制備

本文通過在PET-PBT合金材料中添加一些填充劑及化學物的配比，從而改善其表面的光澤度和阻燃性。將PET加入高速攪拌混合機中進行攪拌，攪拌速度為500 rad/min，加入偶聯劑后攪拌約3～5 min后繼續加入成核劑納米SiO2，繼續攪拌至二氧化硅分散均勻，加入PBT和阻燃劑攪拌至均勻。然后將復合料放入高速擠出雙螺桿進行熔融擠塑、冷卻、風干、切粒、篩選、干燥。其中PET與PBT質量比為1:2，（PET+PBT）與阻燃劑質量比為 7:1～5:1。圖 1為PET-PBT合金制備工藝流程圖。

圖1 PBT-PET合金制備工藝流程圖

2 結果與討論

2.1 不同阻燃劑的復配對PBT-PET合金的影響（詳見表1）

傳統的阻燃方法是添加溴系阻燃劑，但使用溴系阻燃劑的PET-PBT合金材料的力學性能較差、顏色較黃且不環保；而溴系阻燃劑較貴，產品性價比不高。鹵系阻燃劑與Sb化物的配比是十溴二苯乙烷與Sb2O3質量比為15:4，然而這種傳統的鹵系阻燃劑的原料及配比制備的產物力學性能較差；因為反應中有Cl基，產物會帶黃色影響產物色澤，而Sb化物略貴，不易被社會廣泛使用[10-11]。

本論文在傳統阻燃方法中加入適量的Mg（OH）2和 Al（OH）3來替代部分 Sb2O3；加入 Mg（OH）2和Al（OH）3有以下幾個優點：Mg（OH）2和Al（OH）3原料便宜，性價比高；Mg（OH）2和Al（OH）3中的羥基易與十溴二苯乙烷反應生成水，增強其阻燃性；生成產物中的顏色也會明顯變淡。

表1 不同比例的阻燃劑對PET-PBT合金性能的影響

從表 1可以看出，加入適量的 Mg（OH）2和Al（OH）3來替代部分Sb2O3有利于改善合金的性能，其中以添加組合阻燃劑配比是十溴二苯乙烷、Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的質量比為8:4:2:2的合金性能最優，最終制備的合金的配方是PET、PBT、十溴二苯乙烷：Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的質量比為28：56：8:4:2:2，其拉伸強度最高，阻燃性能最優異，顏色較淺。

2.2 螺桿的組配

本文對制備的PET-PBT合金材料采用玻纖增強技術，而玻纖增強技術用雙螺桿進行增強。一般同向雙螺桿擠壓過程是由輸送、熔融、計量均化等功能區組成，如圖2所示。不同的功能區需要不同的局部螺桿構型與之相適應，以完成不同的功能，從而得到不同的產物。螺桿配置的目標就是根據擠壓工藝與產品特性的要求，合理安排螺桿元件組合，實現整根螺桿構型的最優化。

圖2 螺桿構型的功能分區

本文把輸送區及計量均化區稍微縮短，加長熔融區；在熔融區的剪切部分加長并使用90°的剪切，這樣可以使玻纖最大化地熔入PET-PBT合金材料中，從而使玻纖增強達到最大化。

2.3 成核劑的添加

PBT結晶溫度比PET的要高，結晶速率更快，結晶后二者性能不穩定。為了減小PET-PBT合金材料結晶性能上的差距，本文采用了添加成核劑的方法來改善材料的性能。成核劑一般都有滑石粉、Ca-CO3、納米 SiO2、納米 TiO2、苯甲酸鈉、Surlyn 這幾種物質[12-14]，本文選用的成核劑為1‰納米SiO2促進成核。

2.4 阻燃劑對PET-PBT合金性能的影響（詳見表2）

雖然PBT分子主鏈上含有苯環，但其并不像聚碳酸酷（PC）、尼龍（PA）、聚苯醚（PPO）等聚合物一樣燃燒時易于成炭；相反，PBT非常容易燃燒，并且非常難以成炭，且燃燒時釋放的煙量較大，容易出現融滴落的現象，因此一般需要釆用添加某些阻燃劑對PBT進行阻燃改性。

表2 不同阻燃劑對PET-PBT合金性能的影響

從表2可以看出，十溴二苯乙烷阻燃劑對合金材料的阻燃性能有影響，由于它的成本較高，影響它的實際運用價值；另一方面，十溴二苯乙烷在塑料中容易導致塑料變脆和向表面遷移影響外觀。加入同質量的無機阻燃劑，在阻燃性能和力學性能上都遠遠達不到要求，如果要把阻燃等級提升到V-0加入量要達到40份，這樣會嚴重惡化力學性能，表面比較粗糙。而添加復合阻燃劑的合金材料達到了V-0級，綜合性能較好，表面性能較好，可以滿足使用要求。

3 結論

1）本文制備了PET-PBT合金材料，PET與PBT共混可以降低成本，對于PET而言，則解決了結晶速率慢、不易成型的問題，兩者共混可取長補短。

2）研究PET-PBT合金材料的光澤度問題：光澤好能更好地被市場所接受。

3）雙螺桿的設計：不同組配的雙螺桿可以得出不同性能的合金。

4）使用低成本的原料及填充料，使制備物性價比提高；工藝簡單化。最終制備的合金的配方是PET、PBT、十溴二苯乙烷、Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的質量比為28∶56∶8∶4∶2∶2,其拉伸強度最高，阻燃性能最優異，顏色較淺。

5）相比十溴二苯乙烷阻燃劑和無機阻燃劑，添加復合阻燃劑的合金材料達到了V-0級，綜合性能較好，表面性能較好，可以滿足使用要求。