阻燃PC-ABS合金的研制及其在电器上的应用

PC/ABS张志军肖鹏(株洲时代新材料科技股份有限公司,株洲421007)通过对3种增容剂增容PC/ABS合金性能的测试对比,选用了1种效果最佳的增容剂制备PC/ABS合金。用十溴联苯醚和三氧化二锑作为阻燃体系,对阻燃PC/ABS合金的力学性能、热性能、阻燃性能进行了检测。结果表明,当PCBABSB增容剂B阻燃体系为70B30B8B15时,阻燃PC/ABS合金的综合力学性能最好,阻燃性能达到UL94V-0级。该合金已用于生产防火电器开关、插座面板系列产品。聚碳酸酯(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物合金增容剂阻燃聚碳酸酯(PC)是一种应用日益广泛的工程塑料,它具有综合稳定的力学性能、热性能及电性能。但PC的价格较贵,流动性差,加工温度高,耐应力开裂性差,在很大程度上限制了它的应用。相对于PC而言,(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)价格低廉,性能优良,制品表面光泽性好,易于加工成型,但耐热性较差。将PC和ABS共混,可得到综合性能好、性价比高的合金[1~4]。PC的溶解度参数为39.71(J/cm3)1/2,ABS的溶解度参数为40.13~40.80(J/cm3)1/2,两者的相容性取决于ABS中的橡胶含量,橡胶含量较低时,两者相容性较好,而橡胶含量较高时,两者相容性较差。若要使合金有更好的冲击强度,选择ABS时要选用橡胶含量较高的牌号,由此使得两者的溶解度参数差异较大,造成了PC与ABS相容性较差。为了提高两者的相容性,最有效的方法是在体系中加入增容剂[4,5]。笔者选择了3种增容剂作对比试验,通过对3种加有不同增容剂的PC/ABS合金的性能检测,确定了效果最好的1种增容剂制备PC/ABS合金,并在其中加入十溴联苯醚和三氧化二锑作为阻燃体系,得到阻燃PC/ABS合金。将阻燃PC/ABS合金用来生产防火电器开关、插座面板系列产品,均满足使用要求。11.1原材料PC:201,美国杜邦公司;ABS:747,台湾奇美集团;增容剂1:HDPE-g-MAH,接枝率0.8%,自制;增容剂2:(苯乙烯/马来酸酐)共聚物,上海事必达高技术公司;增容剂3:(乙烯/丙烯酸酯)共聚物,美国杜邦公司;十溴联苯醚、三氧化二锑:美国大湖公司。1.2设备及仪器高速混合机:SHR-10A型,张家港轻工机械厂;双螺杆挤出机:36,昆山科信橡塑机械有限公司;注塑机:T80型,无锡格兰塑机制造有限公司;机械式拉力试验机:LJ-500型,承德精密试验机有限公司;摆锤式冲击试验机:XJJ-500型,承德试验机有限责任公司;动态热机械分析(DMTA)仪:DSTA861e型,瑞士梅特勒公司;垂直燃烧测试仪:CZF-3型,南京江宁分析测试仪器厂。1.3试样制备将经过预干燥的原料(PC在120e、热风干燥8h,ABS和3种增容剂在80e、热风干燥8h)、阻燃体系和其它助剂按一定比例混合后,通过双螺杆挤出机熔融挤出造粒,粒料烘干后,采用注塑机制成标准试样。1.4性能测试拉伸性能按GB/T1040-1992测试;冲击性能按GB/T1043-1993测试;阻燃性能按ANSI/UL94-1985测试;DMTA按HB7655-1999测试。22.1不同增容剂增容效果评价PC/ABS合金中,PC与ABS配比为70B30时,其合金的综合强度、流动性、价格等都达到了一个较收稿日期:2005-07-2048工程塑料应用2005年,第33卷,第10期好的平衡点[6],笔者以此作为参照比例,在复合材料界面微区引入适当的界面增容剂,获得了较好冲击韧性和其它力学性能的复合材料。PC之所以具有较高的冲击韧性与其剪切屈服的形变机理有关,当其与适量的ABS共混时,形变将由剪切屈服转变为银纹(或裂纹)屈服[7]。按表1配方制备了3种增容剂增容的PC/ABS合金,其性能见表2。13份原材料配方编号0#1#2#3#PC70707070ABS30303030增容剂16增容剂26增容剂362PC/ABS配方编号简支梁缺口冲击强度/kJ#m-2拉伸强度/MPa断裂伸长率/%0#4858801#54561152#5752753#6255135由表2可见,1#、2#、3#配方中加入增容剂后,缺口冲击强度较0#配方有明显提高,但3种增容剂的增韧效果不尽相同,增容剂2、3的增韧效果较增容剂1好,其中增容剂3的效果最好。这是因为增容剂1为HDPE接枝MAH,由于HDPE分子链为非极性,根据/相似相容0原理,与极性的PC分子链完全不相容,与ABS分子链的聚丁二烯嵌段相容,尽管在HDPE分子链上接枝MAH,增加了与PC的相容性,但由于MAH的接枝数量少,因此增容剂1与PC的界面相容性较差。增容剂2为(苯乙烯/马来酸酐)共聚物,与PC和ABS都具有良好的界面相容性,同样增容剂3[(乙烯/丙烯酸酯)共聚物]与PC和ABS都具有良好的界面相容性,但由于增容剂3的分子链为柔性链段,与增容剂2相比,更利于吸收能量,因此3#配方比2#配方具有更高的冲击强度。可以用聚合物共混体系中组分的玻璃化转变温度(Tg)变化来表征共混体系的相容性。由于组分Tg的漂移与组分间形成分子尺度混合的程度有直接关系,当组成共混体系的两聚合物之间形成一定程度的分子尺度混合时,两相之间会有一定程度的扩散,这时表现为两个Tg会相互靠近,且靠近的程度取决于分子尺度混合的程度,即相容性的大小。为进一步验证增容剂的增容机理,对按表1制备的4种PC/ABS合金进行了DMTA测试,4种合金的Tg见表3。34PC/ABSTge配方编号Tg(SAN)1)Tg(PC)0#130.12172.331#132.17171.912#133.25171.633#134.53168.24注:1)SAN为ABS中的(苯乙烯/丙烯腈)共聚嵌段。从表3可以看出,3种加有增容剂的合金中Tg(SAN)向高温方向靠拢,而Tg(PC)向低温方向靠拢,表明3种加有增容剂的合金中组分PC与ABS的相容性较没加增容剂的好;而加入增容剂3的合金中Tg(SAN)和Tg(PC)靠得最近,表明增容剂3的增容效果最好。综合对力学性能的影响,选用增容剂3较好。2.2增容剂含量的确定以增容剂3的含量为变量,按表4配比制备PC/ABS合金,其简支梁缺口冲击强度、拉伸强度见图1。43PC/ABS份原材料配方编号0#1#2#3#4#PC7070707070ABS3030303030增容剂32468图1增容剂3含量对PC/ABS合金冲击强度、拉伸强度的影响从图1可以看出,随着增容剂3含量的增加,PC/ABS合金的冲击强度提高,添加到6份时基本接近最高点,添加到8份时已经没有较高的增长;而拉伸强度稍有增加;综合性价比,选择添加6份增容剂3为宜。2.3阻燃体系含量的确定选用价格较为便宜、且效果较好的十溴联苯醚和三氧化二锑作为复合阻燃体系,以阻燃体系的添加量为变量,按表5配方做一组试验(考虑到加入粉末阻燃体系可能会使材料韧性有所下降,故对增容剂3做了6份和8份两个变量),检测PC/ABS合金的阻燃性及缺口冲击强度,其结果列于表6。49张志军,等:阻燃PC/ABS合金的研制及其在电器上的应用5PC/ABS原材料配方编号1#2#3#4#5#6#7#8#PC/ABS70/3070/3070/3070/3070/3070/3070/3070/30增容剂366668888复合阻燃体系81215188121518其它助剂0.50.50.50.50.50.50.50.56PC/ABS配方编号简支梁缺口冲击强度/kJ#m-2阻燃性能(每种5个试样)1#61V-1级,有焰燃烧总时间为105s2#58V-1级,有焰燃烧总时间为72s3#54V-0级,有焰燃烧总时间为35s4#52V-0级,有焰燃烧总时间为32s5#65V-1级,有焰燃烧总时间为102s6#62V-1级,有焰燃烧总时间为73s7#61V-0级,有焰燃烧总时间为29s8#61V-0级,有焰燃烧总时间为28s从表5、表6可看出,随着阻燃体系含量的增加,阻燃效果变好,但增加到15份(7#)后已达到V-0级;而从冲击强度看,随着阻燃体系含量的增加,冲击强度稍有下降。综合性价比,选择7#配方,即增容剂3为8份,阻燃体系为15份。2.4用作防火电器开关、插座面板采用7#配方制成的阻燃PC/ABS合金已在防火电器开关、插座面板等部件上试用。试制的产品经跌落试验(产品从50cm高处50次跌落到3mm厚钢板上)、冲击试验(1kg落锤从10cm高处落下对产品上均匀分布的10个点进行冲击)、压缩试验(产品在两硬板间受500N静加载1min),均无破坏,耐热性能良好[(125?2)e,1h无变形],阻燃级别达到V-0级。试验结果表明,该阻燃PC/ABS合金的综合性能可满足产品要求。阻燃PC/ABS合金制成的防火电器开关、插座面板系列产品已通过国家消防电子产品质量监督检验中心检验认可。目前已准备批量生产和推广阻燃PC/ABS合金及其相关产品。3(1)3种增容剂都对PC/ABS合金共混有增容增韧作用,其中又以杜邦公司的(乙烯/丙烯酸酯)共聚物增容剂的效果最好。(2)当PCBABS为70B30、(乙烯/丙烯酸酯)共聚物为8份、十溴联苯醚和三氧化二锑阻燃体系为15份时,阻燃PC/ABS合金的性价比最优,阻燃性能达到V-0级。(3)用阻燃PC/ABS合金制成的防火电器开关、插座面板满足国家消防电子产品质量要求。1方晨鹏,陈日新,杨辉.高强耐热阻燃PC/ABS塑料合金研究.材料科学与工程学报,2004,22(6):8752欧阳小东,吴汾.新型增容剂在PC/ABS中的应用.工程塑料应用,2003,31(1):93田立斌,刘敏江.PC/ABS合金研究进展.中国塑料,2002,16(2):84孙清,张玲,安多,等.PC/ABS合金及其阻燃性.塑料工业,2000,28(6):455司丽,赖逸云.PC/ABS共混改性的研究.工程塑料应用,2003,31(11):86原永威,李学训,吴靖嘉.PC/ABS合金研究的进展.兰化科技,1994(3):467王德禧.阻燃、消烟型PC/ABS合金的研制.塑料,2003,1(32):62DEVELOPMENTANDAPPLICATIONINELECTRICALAPPARATUSOFFLAME-RETARDANTPC/ABSALLOYZhangZhijun,XiaoPeng(ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.Ltd.,Zhuzhou421007,China)ABSTRACTTheoptimalcompatibilizerwasselectedtopreparePC/ABSalloyfromthreecompatibilizerbycomparingtheireffectsonthepropertiesofPC/ABSalloy.Decabromodiphenyletherandantimonyoxidewereusedasflameretardantsystem.Theme-chanicalproperties,thermalcharacteristicsandflameretardanceofflameretardantPC/ABSalloyweretested.Theresultsshowedthatthemechanicalpropertiesofthealloywasthebest,andtheflameretardancereachedUL94V-0gradewhentheproportionofPC,ABS,compatibilizerandflameretardantwas70/30/8/15.Thealloywasusedintheproductionofflameretardantelectricalswitchandsocket.KEYWORDSpolycarbonate,acrylonitrile/butadiene/styrenecopolymer,alloy,compatibilizer,flameretardance北欧化工首