阻燃透明聚碳酸酯的配方研究

張瑾，劉大光，譚潤升，王宏，季璐

（錦西化工研究院有限公司，遼寧省航空有機透明材料創新團隊，遼寧 葫蘆島 125099）

聚碳酸酯（PC）是一種綜合性能優良的熱塑性工程塑料，以突出的光學性能和高沖擊強度著稱，同時具有良好的尺寸穩定性和電絕緣性能，廣泛應用于航空航天、電子電器、照明系統等領域[1-2]。

近年來電器照明等行業火災事故頻發，對聚碳酸酯產品的阻燃性能要求愈發嚴格[3]，要求其在保持良好的光學性能及力學性能的同時，在低厚度下實現穩定的阻燃效果[4]。與普通熱塑性塑料相比，PC 材料具有一定阻燃性，氧指數可達25%，但其燃燒過程中容易滴落，自熄能力不足，難以滿足當前的阻燃要求，需要對其進行阻燃改性。常用于PC的阻燃體系有鹵素系、磷酸鹽系、磺酸鹽系、有機硅系等[5-8]。鹵素系阻燃劑易產生大量有毒有害氣體，引發環境問題，受到了行業使用限制。磷酸鹽系阻燃劑其燃燒產物的腐蝕性少，形成碳層表面結構致密，阻燃效果好，但其添加量大，且分解溫度低，易腐蝕模具，且對材料的光學性能及力學性能有一定的影響[9-10]。硅系阻燃劑具有抑煙、無毒等優點，阻燃效果好，但目前許多有機硅阻燃劑合成工藝復雜，生產成本高，添加量較高，不利于工業化生產[11]。對比之下，磺酸鹽系阻燃劑阻燃效果最佳，添加少量的磺酸鹽阻燃劑即可顯著提升PC 阻燃性能[12]，且改性后仍能保持良好的光學性能，對力學性能影響較小[13]。由于其單獨使用時不能滿足較高的阻燃要求，燃燒過程中滴落物過多，需要添加抗滴落劑復配使用，能有效防止熔化滴落并提高材料的阻燃性能，在減少阻燃劑用量的同時，可達到最佳阻燃效果。

本文針對當前對聚碳酸酯板材的阻燃要求，采用磺酸鹽系阻燃劑和含氟抗滴落劑復配改性PC，開展配方試驗，研究了二者對PC 體系阻燃性能、光學性能及力學性能的影響，在保證聚碳酸酯板材光學性能和力學性能基本不受影響的基礎上提高板材的阻燃性能，確定了最佳配方。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚碳酸酯樹脂（PC），牌號為LXW-1，魯西化工集團股份有限公司；阻燃劑，牌號FR-2025，3M公司；抗滴落劑，牌號TF 1645，3M 公司。雙螺桿擠出機，STS 50 型，科倍隆南京機械有限公司；注塑機，SA2500/1000 型，寧波海天塑機集團有限公司；燃燒性能試驗機，NK-8202 型，東莞市納宇檢測設備有限公司；透光率/霧度測定儀，WGT-S 型，上海精密科學儀器有限公司；微機控制電子萬能試驗機，CMT4504，深圳市新三思計量技術有限公司；塑料擺錘沖擊試驗機，501J，深圳萬測設備有限公司。

1.2 實驗過程

試驗前將PC 樹脂在110～120 ℃下干燥處理4 h，按照表1 中配方分別加入阻燃劑、抗滴落劑及PC 樹脂粒料，將原料混合均勻后經雙螺桿擠出機進行熔融共混擠出，牽引、造粒、干燥，制備得到阻燃聚碳酸酯樹脂粒料，擠出機溫度為220～280 ℃。將擠出得到的樹脂粒料在110～120 ℃下進行干燥，經注塑機注塑出厚度為2 mm 的標準試樣，注塑溫度為220～290 ℃。

表1 阻燃PC 配方 質量分數/%

1.3 性能測試

透光率、霧度按照GB/T 2410—2008 進行測試，樣品尺寸50 mm×50 mm×2 mm；拉伸強度、拉伸模量按照GB/T 1040.2—2006 進行測試，樣品尺寸185 mm×20 mm×2 mm，拉伸強度測試中測試速度為50 mm·min-1，拉伸彈性模量測試中測試速度為1 mm·min-1；缺口沖擊強度按照GB/T 1843—2008 進行測試，樣品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；彎曲強度按照 GB/T 9341—2008 進行測試，樣品尺寸80 mm×10 mm×2 mm；60 s 垂直燃燒按照HB5469進行測試，樣品尺寸為368 mm×76 mm×2 mm。

1.4 阻燃PC 配方

阻燃PC 配方如表1 所示。

2 結果與討論

2.1 不同阻燃配方對PC 板材阻燃效果的影響

不同阻燃配方對PC 燃燒性能的影響如表2 所示。由表2 可知，隨著阻燃劑FR-2025 和抗滴落劑TF1645 加入量的增加，聚碳酸酯板材的阻燃性能明顯提高，板材自熄能力增強，焰燃時間及燒焦長度減少，滴落物續燃時間減少，滴落物明顯減少。單獨添加FR-2025 阻燃劑時，PC 板材阻燃效果有明顯改善，這是因為FR2025 阻燃劑中含有C—F 鍵，電負性氟原子具有屏蔽作用[14]，且PC 燃燒時形成絕熱致密碳化保護層，有利于提高材料阻燃性能，但其在燃燒過程中產生大量黑煙，滴落物較多，滴落物發生續燃。加入抗滴落劑TF1645 后，隨著抗滴落劑TF1645 用量的增加，燃燒過程產生的黑煙量及滴落物明顯減少，這是因為加入含氟抗滴落劑后，其在螺桿中受到剪切作用后呈現網狀結構，受熱收縮，增大了樹脂黏度[15]。二者協同作用有利于防止熔體滴落，減少火焰蔓延，提高材料的阻燃性能及抗滴落性。隨著阻燃劑FR-2025 和抗滴落劑TF1645加入量的繼續增加，PC 板材的燃燒性能有所下降，這是因為阻燃劑和抗滴落劑在PC 基體中分散困難，影響了PC 板材的燃燒性能。

表2 不同阻燃配方對PC 燃燒性能的影響

2.2 不同阻燃配方對PC 板材透光率的影響

不同阻燃配方對PC 板材光學性能的影響如表3 所示。由表3 可知，控制抗滴落劑的加入量固定不變時，FR-2025 阻燃劑對PC 板材透光率影響較小，霧度隨之增加明顯。隨著TF1645 抗滴落劑含量的增加，PC 板材透光率隨之降低，霧度隨之增加，抗滴落劑分散在PC 中會影響PC 板材的光學性能，且FR-2025 阻燃劑和TF1645 抗滴落劑均為白色粉末狀固體，隨著二者添加量的不斷增加，在PC 基體中不易分散均勻，使材料內部產生了霧度，霧度增加明顯，但此種環境下光線仍能通過，因此對板材透光率影響不大[14]。

表3 不同阻燃配方對PC 光學性能的影響

2.3 不同阻燃配方對PC 板材力學性能的影響

不同阻燃配方對PC 板材力學性能的影響如表4 所示，純PC 的拉伸強度為66 MPa，拉伸彈性模量為2 300 MPa，缺口沖擊強度為65.5 kJ·m-2，彎曲強度為115 MPa。由表4 可知，隨著FR-2025 阻燃劑和TF1645 抗滴落劑加入量的增加，PC 板材的力學強度隨之增加，這是因為由于FR-2525 阻燃劑的結構特點，加工過程可能發生少量降解，隨著添加量的增加，FR-2525 阻燃劑在加工過程中的分解產物含量增加，PC 通過碳酸鹽鍵的重排產生一定程度的交聯，因此，PC 板材的力學強度有所提高。但阻燃劑和抗滴落劑的加入量較少，力學強度隨之變化較小。當FR-2025 阻燃劑加入量為0.08%、TF1645抗滴落劑加入量為0.4%時，力學性能最優，所制備的PC 板材其拉伸強度為68.0 MPa，拉伸彈性模量為2 385 MPa，缺口沖擊強度為67.8 kJ·m-2，彎曲強度為116.8 MPa。但隨著阻燃劑和抗滴落劑添加量的繼續增加，PC 板材力學性能降低，這是因為阻燃劑和抗滴落劑總體添加量仍較少，在PC 基體中不易均勻分散，易造成應力集中點，因此力學性能降低。

表4 不同阻燃配方對PC 拉伸強度的影響

3 結 論

1）當FR-2025 添加量為0.08%、TF1645 添加量為0.4%時，聚碳酸酯板材阻燃性能最優，聚碳酸酯板材的透光率為88.3%，霧度為1.12%，拉伸強度為68.0 MPa，拉伸彈性模量為2 385 MPa，缺口沖擊強度為67.8 kJ·m-2，彎曲強度為116.8 MPa。

2）磺酸鹽阻燃劑與抗滴落劑復配應用于低厚度（2 mm）PC 板材阻燃效果較好，且磺酸鹽阻燃劑添加量低，對PC 板材光學性能影響小，同時加入抗滴落劑復配使用，減少了燃燒過程中產生的滴落物，通過配方試驗，確定了最優配方，在保證其優異的光學性能及力學性能的基礎上提高PC 板材的阻燃性能。

3）通過對PC 板材加工工藝進行調整使磺酸鹽阻燃劑與含氟抗滴落劑均勻地分散在PC 樹脂中，在合適添加量的基礎上，避免因混合不均影響板材性能。