BPS 添加量對阻燃級尼龍66 性能的影響

許寧，楊樹娥，李健，徐興亮

（天津長蘆海晶集團有限公司，天津 300450）

聚酰胺66（PA66）因其具有良好的機械性能、耐熱性、耐磨損性、耐化學(xué)藥品性和自潤滑性，應(yīng)用十分廣泛[1]。實際應(yīng)用中，為了提高PA66 的強度及尺寸安定性，降低熱膨脹系數(shù)及收縮率等，通常采用玻纖增強。然而PA66 本身氧指數(shù)為24 左右，屬于可燃物，并且在燃燒過程中產(chǎn)生滴落，采用玻璃纖維增強后的PA66 材料在燃燒時產(chǎn)生“燈芯效應(yīng)”，使材料更易燃燒[2,3]。因此應(yīng)用于易受火災(zāi)威脅的場合時，需要對PA66 進行阻燃改性，保證材料的使用安全。

本文采用同時加入溴銻阻燃劑和長玻纖的方法，對PA66 進行增強及阻燃復(fù)合改性，主要研究溴化聚苯乙烯（BPS）添加量對改性復(fù)合材料阻燃性能及機械性能的影響，為阻燃級PA66 材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗原料與設(shè)備

原料：PA66（EP158），河南神馬；長玻纖，泰山玻璃纖維有限公司；溴化聚苯乙烯，自制；三氧化二銻，華星銻業(yè)。

設(shè)備：TE-35 型雙螺桿擠出機，南京歐立；SA600 注塑機，海天塑機；萬能試驗機、缺口制樣機、簡支梁試驗機，美斯特；垂直燃燒測試儀，北京中航時代儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

將PA66 顆粒，溴銻阻燃劑（溴化聚苯乙烯與Sb2O3物質(zhì)的量比為3∶1），及其他助劑在高速混合機中調(diào)和均勻后，加到雙螺桿擠出機的喂料口，長玻纖從第一排氣口加入，調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速及喂料速度，使產(chǎn)品玻纖含量為30%。物料在雙螺桿擠出機中熔融、擠出、造粒，注塑樣條后進行相關(guān)性能檢測。試驗流程如圖1 所示。

圖1 試驗流程圖

雙螺桿擠出機的實驗條件：加熱區(qū)T1～T10溫度分布在 255～270℃，主機轉(zhuǎn)速 200～500 轉(zhuǎn)/min。

注塑機注塑條件如表1。

表1 注塑機注塑條件

2 結(jié)果與討論

2.1 BPS 添加量對改性后復(fù)合材料阻燃性能的影響

將一定量的溴化聚苯乙烯與PA66 及其他助劑混合均勻，在雙螺桿擠出機上進行熔融共混。溴化聚苯乙烯分別為12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的阻燃性能測試結(jié)果如表2 所示。

表2 BPS 添加量對改性材料阻燃性能的影響

通過表2 數(shù)據(jù)可以看出，隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性后材料的阻燃性能逐漸增強。溴化聚苯乙烯在添加量為18%時能夠達(dá)到UL94 V-0 級，且此時在整個垂直燃燒測試過程中，試驗樣條未產(chǎn)生熔融滴落物。根據(jù)溴化聚苯乙烯的阻燃機理，其受熱分解產(chǎn)生HBr 可延緩或中止自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[4,5]，同時也促進凝聚態(tài)碳層的形成，這一方面阻隔了熱量的傳遞且隔絕了空氣，另一方面也起到阻止熔融滴落的作用。

2.2 BPS 添加量對改性后復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2.1 改性后材料的拉伸強度

主阻燃劑溴化聚苯乙烯分別為12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的拉伸強度指標(biāo)如表3 及圖2 所示。

表3 BPS 添加量對改性材料拉伸強度的影響

圖2 BPS 添加量對改性材料拉伸強度的影響

本文在添加溴銻阻燃劑增強產(chǎn)品阻燃性能的同時，添加30%添加量的玻纖保持產(chǎn)品力學(xué)性能的強度，從表3 及圖2 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著BPS 添加量的增加，改性后復(fù)合材料的拉伸強度隨之下降。因此可知，阻燃劑的加入會降低改性材料的力學(xué)性能，因此阻燃劑的小劑量化是保證材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。

2.2.2 改性后材料的彎曲強度

主阻燃劑溴化聚苯乙烯分別為12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的彎曲強度測試結(jié)果如表4 及圖3 所示。

由表4 及圖3 可知，隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性材料的彎曲強度也逐漸減小，其變化趨勢與拉伸強度相似，但相比拉伸強度來說變化幅度略小。

表4 BPS 添加量對改性材料彎曲強度的影響

圖3 BPS 添加量對改性材料彎曲強度的影響

2.2.3 改性后材料的抗沖擊強度

溴化聚苯乙烯分別為12%，15%，18%，21%的添加量下，改性后材料的非缺口抗沖擊強度、缺口沖擊強度測試結(jié)果如表5 及圖4 所示。

表5 BPS 添加量對改性材料抗沖擊強度的影響

圖4 BPS 添加量對改性材料抗沖擊強度的影響

通過圖表數(shù)據(jù)分析，隨著溴銻阻燃劑添加量的增加，其改性產(chǎn)品的缺口抗沖擊強度及非缺口抗沖擊強度均有所下降。溴化聚苯乙烯本身是一種高分子聚合物，與樹脂基體的相容性較好，但過大劑量的添加會導(dǎo)致團聚現(xiàn)象，降低尼龍分子間作用力[5]；Sb2O3是一種粉末狀金屬氧化物，由于較高的表面能，在較大添加量下難以分散均勻，導(dǎo)致材料受外界載荷時性能下降。

綜上所述，溴銻阻燃劑的加入會降低改性材料的力學(xué)性能。因此要想保證改性材料力學(xué)性能不降低，同時也出于節(jié)約生產(chǎn)成本的考慮，需要實現(xiàn)阻燃劑的最小劑量化。當(dāng)溴銻阻燃劑添加量為18%時，改性PA66 材料阻燃性能達(dá)到UL94 V-0，此時材料的拉伸強度為142.23MPa，彎曲強度為182.15MPa，缺口沖擊強度為9.15 kJ/m2，滿足我國塑料阻燃相關(guān)規(guī)定要求的同時，材料的力學(xué)性能也滿足市場需求。

3 結(jié)論

本文以PA66 為基體樹脂，通過添加溴銻阻燃劑，采用熔融共混改性法，制備阻燃級PA66 復(fù)合材料，結(jié)論如下：

1）溴化聚苯乙烯三氧化二銻協(xié)效阻燃劑具有優(yōu)良的阻燃性能。隨著配料中溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性后復(fù)合材料的阻燃等級逐漸提高。

2）溴銻阻燃劑的加入會對改性PA66 材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著溴化聚苯乙烯添加量的增加，改性材料的拉伸強度、彎曲強度、缺口抗沖擊強度、非缺口抗沖擊強度均呈現(xiàn)下降趨勢。

3）當(dāng)主阻燃劑溴化聚苯乙烯添加量為18%時，此時改性產(chǎn)品的阻燃等級可達(dá)到UL94 V-0，材料拉伸強度為 142.23MPa， 彎曲強度為182.15MPa，缺口沖擊強度為9.15 kJ/m2，能較好的滿足相關(guān)要求。