ADP/MCA/SiO2協效阻燃PA66復合材料的制備與性能

廉萌 麻景龍 楊飛 劉軍

(1. 濰坊科技學院,山東省化工資源清潔利用工程實驗室,山東 濰坊,262700; 2. 菏澤奕普新材料有限公司,山東 菏澤,274506)

近年來,尼龍66(PA66)在新能源汽車、軌道交通、信息通信等高端領域的需求急劇增長[1]。適用于高端領域PA66的研發迫在眉睫。PA66屬于易燃材料,在使用過程中極易引發火災,且伴隨嚴重的熔融滴落,容易引發二次燃燒等次生災害[2]。一般通過添加阻燃劑提高PA66的阻燃性能,其中,采用次磷酸鹽阻燃PA66(尤其是玻璃纖維增強PA66)具有明顯優勢[3]。二乙基次磷酸鋁(ADP)是一種廣泛應用于PA66阻燃改性的次磷酸鹽阻燃劑,但其含量較高時才能滿足要求,不僅成本較高,而且使材料的加工性能和力學性能均明顯變差。通過加入其他阻燃劑與ADP復配,可以降低其用量,改善材料的力學性能[4]。

下面選取了3種三聚氰胺氰尿酸鹽(MCA),與ADP和二氧化硅(SiO2)復配,制備了一系列阻燃PA66復合材料,研究了不同阻燃體系對PA66阻燃性能與力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

PA66,EPR27,神馬實業股份有限公司;ADP,AP-1050-B,壽光普爾化工有限公司;MCA(M-1),濕法,壽光衛東化工有限公司;MCA(M-2),MC-4000,日產化學制品(上海)有限公司;MCA(M-3),MP25,特殊改性,菏澤奕普新材料有限公司;SiO2,800X,山東立華新材料有限公司;尼龍12(PA12),PEBAX2533,法國阿科瑪公司;聚四氟乙烯(PTFE),MP-1300,美國杜邦公司。

雙螺桿擠出機,SHJ-36,南京恒高擠出裝備有限公司;注塑機,MA600,海天國際控股有限公司;高混機,ZGH-400,江蘇裕昌干燥工程有限公司;電熱鼓風干燥箱,DHG-9070,上海普晗精密設備有限公司;掃描電子顯微鏡(SEM),SU 8100,株式會社日立制作所;UL94垂直水平燃燒試驗機,GC-UL-A,熔體流動速率儀(MFR),GC-MI-BP,灼熱絲試驗儀,GC-ZRS-A,萬能材料試驗機,GC-WS-1000S,GC-JZL-5J,均為廣東廣測儀器科技有限公司。

1.2 樣品制備

將PA66在120 ℃下干燥10 h。按照表1 配方將原料加入高混機中,混合均勻,通過雙螺桿擠出機熔融擠出造粒,雙螺桿擠出機各段溫度分別為190,260,260,260,220,220,220,200,190,190,200,230,250 ℃(機頭)。將所得粒料在120 ℃下干燥3 h,通過注塑機制得標準試驗樣條,注塑機的壓力為70 MPa,各區溫度分別為200,260,260,255 ℃。

表1 試驗配方 質量份

1.3 測試與表征

拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率、彎曲性能測試均按照ISO 527—2012進行;UL94垂直燃燒試驗按照GB/T 2408—2008進行;簡支梁沖擊試驗按照ISO 179—2010進行。

灼熱絲燃燒測試按照IEC 60695—2—11進行,溫度分別為750,960 ℃。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖1為3種MCA的SEM形貌。

圖1 3種MCA的SEM形貌

由圖1可以看出:M-1呈棒狀,長度為0.54～3.15 μm,粒子棱角分明,分散性好;M-2的粒徑為0.31～0.54 μm,存在片狀材料團聚成塊的現象;M-3的粒徑為0.45～0.72 μm,這是因為改性劑包覆了MCA粒子,實現了對粒徑的有效控制,提高了其在基體中的分散性[5]。

2.2 MFR分析

經過測試可得,1#～11#的MFR分別為7.3,8.1,18.1,22.7,27.3,20.7,25.2,28.9,15.6,18.5,22.4 g/10 min。可以看出:1#和2#的MFR較低,采用復合阻燃體系后,阻燃PA66復合材料(3#～11#)的MFR均大幅提升,說明一定質量MCA能夠改善基體的熔體流動性。當MCA含量相同時,含棒狀MCA(M-1)的阻燃PA66復合材料(3#,6#,9#)的MFR低于含片狀MCA(M-2,M-3)的阻燃PA66復合材料,這是因為棒狀阻燃劑在復合材料中會發生“搭橋現象”,從而阻礙了基體的熔體流動行為[6-7]。

2.3 力學性能分析

2.3.1 拉伸性能

表2為樣品的拉伸性能。

表2 樣品的拉伸性能

由表2可以看出:與1#相比,加入SiO2后,2#的拉伸強度升至63.8 MPa,拉伸模量升至867.7 MPa,斷裂伸長率升至7.5%。加入MCA后,阻燃PA66復合材料(3#～11#)的拉伸性能均出現不同程度的提升。當MCA含量相同時,加入棒狀MCA(M-1)的阻燃PA66復合材料(3#,6#,9#)的拉伸性能明顯低于加入片狀MCA(M-2,M-3)的阻燃PA66復合材料,加入M-3的阻燃PA66復合材料的拉伸性能最好。MCA種類和含量相同的情況下,加入SiO2后,阻燃PA66復合材料的拉伸性能得到明顯改善。

2.3.2 彎曲性能

表3為樣品的彎曲性能。

表3 樣品的彎曲性能

由表3可以看出:阻燃PA66復合材料的彎曲性能的變化趨勢與拉伸性能相似。加入MCA后,阻燃PA66復合材料(3#～11#)彎曲性能比僅加入ADP或SiO2的阻燃PA66復合材料有明顯提升。當復配阻燃劑的含量降低后,阻燃PA66復合材料彎曲性能較高,其中,加入MCA-3的阻燃PA66復合材料彎曲性能最好。

2.3.3 沖擊性能

表4為樣品的沖擊性能。

表4 樣品的沖擊性能

由表4可以看出:沖擊性能與拉伸性能及彎曲性能的特征趨勢一致。僅加入ADP的阻燃PA66復合材料(1#)無缺口沖擊強度為117.20 kJ/m2,缺口沖擊強度為4.36 kJ/m2,加入SiO2和MCA的阻燃PA66復合材料的沖擊性能均出現不同程度的提升。在相同配方下,與M-1,M-2相比,加入M-3的阻燃PA66復合材料沖擊性能最好。當復配阻燃劑的含量降低后,阻燃PA66復合材料仍保持較好的沖擊性能。

2.4 阻燃性能分析

表5為樣品的阻燃性能。

表5 樣品的阻燃性能

由表5可以看出:1#點燃后燃燒時間較長,有滴落,并引燃脫脂棉;2#燃燒時間仍較長,但無滴落。這是因為SiO2具有優異的熱穩定性,熔點較高,燃燒后可以沉積在樣品表面,降低樣品表面的熱釋放速率,同時阻止空氣中的氧與基體接觸而引發繼續燃燒[8-11]。加入ADP/MCA/SiO2復配阻燃劑的阻燃PA66復合材料(6#～11#)均表現出優異的阻燃性能,UL94阻燃等級均達到V-0級,其中,在相同配方下,與M-1,M-2相比,加入M-3的阻燃PA66復合材料燃燒時間最短,阻燃性最佳。5#沒有加入SiO2,仍無滴落,說明改性的片狀MCA(M-3)具有一定的防熔融滴落的效果。5#～11#均通過 750 ℃ 灼熱絲燃燒試驗,說明ADP/MCA/SiO2復配阻燃劑可以有效阻止基體起明火。在960 ℃灼熱絲燃燒試驗中,加入ADP/MCA/SiO2復配阻燃劑后,阻燃PA66復合材料的脫離熄滅時間大幅減少。

3 結論

a) 加入MCA可以明顯提升阻燃PA66復合材料的MFR。

b) 加入ADP/MCA/SiO2復配阻燃劑后,阻燃PA66復合材料的力學性能得到明顯提升。當含量相同時,與M-1,M-2相比,加入M-3的阻燃PA66復合材料力學性能最好。

c) 加入ADP/MCA/SiO2復配阻燃劑后,PA66復合材料的阻燃性能得到顯著提升,UL94阻燃等級均為V-0級,并均通過了750 ℃和 960 ℃灼熱絲燃燒試驗。