CN100429262C - 阻燃聚碳酸酯树脂组合物 - Google Patents

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Abstract

通过在聚碳酸酯中加入有效阻燃量的全氟烷磺酸盐和滑石粉的组合可使纤维增强聚碳酸酯树脂组合物具有更好的阻燃性。

Description

阻燃聚碳酸酯树脂组合物
相关申请交互参考
本申请要求2003年7月10日提交的U.S.临时申请系列号60/486074的权益。
发明领域
本申请涉及阻燃聚碳酸酯树脂组合物。
发明背景
聚碳酸酯树脂因其强度和透明性而具有许多重要工业应用。遗憾的是，聚碳酸酯树脂是固有地可燃的，且会滴下热熔材料使附近材料着火。因此在使用聚碳酸酯共混物的很多应用中，最好包括阻止材料可燃性和/或减少滴流的添加剂。该挑战是要确定实现该目的的添加剂，又不折衷理想的强度和透明性、不引进新问题(如与卤化物添加剂相关的潜在环境问题)且不提高价格。
业已描述过许多种用来生产阻燃和/或防滴聚碳酸酯的不同的材料。其实例是US专利3,971,756、4,028,297、4,110,299、4,130,530、4,303,575、4,335,038、4,552,911、4,916,194、5,218,027和5,508,323中所述的那些材料。但是，尽管有这么多不同的公开内容，在阻燃聚碳酸酯树脂的配方上仍有改进的空间。
对于热塑性树脂的很多工业应用来说，实现足以纳入UnderwriterLaboratories分类表的阻燃树脂性能是先决条件。为了实现在所要求厚度(≤2.5mm)达到UL94V-1和/或UL94V-0分类表，可使用几种已知的阻燃剂。但是，与非阻燃组合物相比，它们除增加成本外还有一些其它缺点。例如，使用溴化物会在要求符合TCO′99准则(无卤)的应用中无法使用该树脂。其它规则或用户的喜好可能排除使用元素(红)磷或有机磷酸盐和亚磷酸盐。此外，有机磷酸盐和亚磷酸盐会降低聚碳酸酯(PC)树脂在载荷下的弯曲温度(热变形温度)且因为它们是低分子量化合物而会在注塑设备上或零件表面形成不该有的沉积物，后者又会导致化学应力开裂。氰脲酸密胺或无机水合物(如三水合铝-ATH)不能有效地加进需要高加工温度的树脂，因为在那样的温度范围内它们本身就要开始热分解，而且因它们的颗粒性质一般会明显降低抗冲性。这些限制在纤维增强复合材料中甚至更加重要，因为它们一般需要较大量的阻燃剂或更有效的/高成本的阻燃剂才能达到UL94V-1或甚至UL94V-0分类表。
在工业上广泛用于阻燃聚碳酸酯树脂组合物的添加剂中有有机盐，尤其是磺酸盐。这类盐的具体实例是全氟烷磺酸盐，如全氟丁烷磺酸钾(“PFBS”，也称之为“Rimar盐”)和二苯砜磺酸钾(“KSS”)，当它们与聚碳酸酯共混时，可产生无雾度组合物。全氟烷磺酸盐在聚碳酸酯中的应用已描述在US专利3,775,367中。但单用这些材料所能获得的好处有限且实际上一般还要包括其它添加剂。
除了全氟化盐如“Rimar盐”(全氟丁烷磺酸钾，PFBS)之外，还可以用有机硅氧烷来帮助解决上述问题。但是，象上述阻燃(FR-)技术一样，它们在纤维增强聚碳酸酯(PC)组合物中的效率(在给定厚度下达到V-0或V-1能力所需要的浓度)一般会大幅度降低，从而导致提高成本和FR的二次效应，如在Rimar盐的情况下，降低水解稳定性，在有机硅氧烷的情况下，降低模量和热变形温度。还已证明，有机-/纳米-粘土对FR-性有好作用；但是当今大多数市售纳米-粘土都含有高碱性有机部分，它们会把PC的分子量降解到纳米-粘土实际上不能用于PC的程度。
因此仍需要替代上述阻燃技术的方案。
发明概述
本发明，在一个实施方案中，涉及含阻燃剂组分的纤维增强聚碳酸酯树脂组合物，所述阻燃剂组分包含全氟烷磺酸盐，如全氟丁烷磺酸钾和颗粒填料滑石粉。
在一个实施方案中，本发明涉及下述纤维增强聚碳酸酯组合物：其中，阻燃剂如全氟烷磺酸盐的存在量相对于整个组合物为0～5重量份，以及滑石粉的存在量相对于整个组合物为约0.05～约10重量份。
发明详述
本发明涉及包含聚碳酸酯树脂的阻燃组合物。
申请人已发现，加入有效阻燃量的滑石粉能意外地缩短聚碳酸酯组合物的消焰时间，即使不存在任何阻燃剂组分。
足够或有效的阻燃量是指，与未加入拟加物质如滑石粉的同种组合物相比，能提高聚碳酸酯阻燃性的量。
在一个含阻燃剂组分如市售材料如全氟烷磺酸盐、溴化物、有机磷酸盐化合物等的聚碳酸酯组合物的实施方案中，加入有效阻燃剂量的滑石粉还会进一步缩短组合物的消焰时间。
在另一个含或不含任何阻燃剂组分的增强聚碳酸酯组合物的实施方案中，滑石粉意外地使该组合物具有阻燃性，例如，使该组合物在按Underwriter实验室UL-94试验方案，对尺寸为约0.062英寸×约0.5英寸×约5英寸的试样测定时的火焰等级为V-0或V-1。
在第四个含全氟烷磺酸盐为主要阻燃组分的增强聚碳酸酯组合物的实施方案中，滑石粉因使组合物在按Underwriter实验室UL-94试验方案，对尺寸为约0.062英寸×约0.5英寸×约5英寸的试样测定时的火焰等级为V-0或V-1而意外地有助于使组合物具有更好的阻燃性。
组合物中的聚碳酸酯(PC)组分可以是任何等级且可以任何方法制备。因此，聚碳酸酯可以由，例如，界面法或催化酯交换法制成。聚碳酸酯在结构上可以是支化或线形的，且可以包括官能取代基。聚碳酸酯共聚物也包括在本发明内。用这些方法制备聚碳酸酯的技术是众所周知的，例如，可见诸于US专利3,030,331、3,169,121、4,130,548、4,286,083、4,552,704、5,210,268和5,606,007。在一个实施方案中，聚碳酸酯是能表征为具有高熔体强度，即熔体强度至少为R＊＝1.8的聚碳酸酯。R＊是在100rad/s下的粘度等于20,000泊的温度下所测得的1rad/s和100rad/s下的粘度比。高熔体强度可以是聚碳酸酯的一个本征性能，例如，因支化聚碳酸酯结构导致的结果，也能通过加入防滴剂来实现。
一旦聚碳酸酯已制成，就可与阻燃剂组分复合。在本发明的一个实施方案中，阻燃剂组分包含全氟烷磺酸盐和适当的填料。适用于本发明的全氟烷磺酸盐的一个实施方案描述在US专利3,775,367中。在一个实施方案中，全氟烷磺酸盐是全氟丁烷磺酸盐(也称之为“Rimar盐”)，它可以从多个渠道购得。
在一个实施方案中，全氟烷磺酸盐的加入量要足以使聚碳酸酯具有阻燃性。在第二实施方案中，全氟烷磺酸盐的用量范围是组合物总重量的0.05～0.5重量份。在第三实施方案中，全氟烷磺酸盐的存在量至多为1重量份。在第四实施方案中，该量为约0.05～5重量份。
申请者已发现，在不论有无阻燃剂的聚碳酸酯玻璃组合物中，即不论有无阻燃剂如全氟烷磺酸盐的增强聚碳酸酯组合物中，加入有效阻燃量的滑石粉会意外地大幅度缩短UL94垂直燃烧试验的消焰时间，从而导致V-0或V-1能力。
在含阻燃剂材料如Rimar盐的聚碳酸酯或增强聚碳酸酯组合物的一个实施方案中，加入有效阻燃量的滑石粉有助于减少阻燃剂组分的用量浓度，成为降低成本的措施。
在本发明的一个实施方案中，滑石粉的平均颗粒尺寸为0.1～15μm。在第二实施方案中，其尺寸为约0.2～10μm。在第三实施方案中，滑石粉的尺寸为约0.2～7μm。
在本发明的一个实施方案中，足够量的滑石粉是组合物总重量的约0.1～20重量份。在一个第二实施方案中，滑石粉的加入量为约0.5～15重量份。在一个第三实施方案中，滑石粉的加入量为约0.5～10重量份。在一个第三实施方案中，滑石粉的加入量是0.1～5重量份。在第四实施方案中，滑石粉可以约0.1～10重量份的比例加入聚碳酸酯。
本发明的组合物可包括增强纤维如玻璃和碳纤维。在本发明的一个实施方案中，增强纤维的加入量至多为30重量份。在第二实施方案中，加入量至多为20重量份。在第三实施方案中，加入量至多为10重量份。
此外，任何各类添加剂、其它类合成树脂或弹性体都可以按需要混合进本发明的树脂组合物，混入程度要使这种混合不会有损于本发明的目的。本领域内已知可包括在聚碳酸酯组合物中的其它常用添加剂包括但不限于下列添加剂：受阻酚抗氧剂、三价磷酸酯、五价磷酸酯和胺；紫外吸收剂，如苯并三唑和苯酮；光稳定剂，如受阻胺；内润滑剂，如脂族羧酸酯、石蜡、硅油和聚乙烯蜡；以及阻燃剂、阻燃助剂、脱模剂、抗静电剂、着色剂和类似于常用稳定剂类、脱模剂、光稳定剂、热稳定剂、颜料和染料的那些。
在本发明的组合物中，任何各类添加剂、其它类合成树脂或弹性体都可按需要混合进本发明的树脂组合物，混入程度要使这种混合不会损害本发明的目的。
按照本发明的组合物可制备如下：按各设定比例复合上述组分，即聚碳酸酯、滑石粉、全氟烷磺酸盐、任选的纤维以及，按需要，任何前述添加剂，并捏合所得复合物。滑石粉也可以作为，例如，包含全氟烷磺酸盐和滑石粉填料的阻燃添加剂组合物，组合进聚碳酸酯，或依任一次序加入。
在本发明的一个实施方案中，聚碳酸酯共混物包含MFI(300，1.2kg)为3～100g/10min的BPA-PC、较少量(与不含滑石粉的组合物的所需量相比)全氟丁烷磺酸钾(PFBS，“Rimar盐”)或本领域内已知的其它全氟化有机盐、颗粒填料滑石粉(d＝0.1～20μm，更优选d＜7μm)、云母、粘土、纤维增强剂：玻璃纤维(d＝3～25μm，更优选d＝10-17μm)、可以由熔纺沥青或碳化PAN纤维或其它方法制成的碳纤维(d＝3～25μm，更优选d＝5～12μm)、任选材料如硅灰石或其它纤维增强剂、PTFE或其它防滴剂。
共混物的复合和捏合可以用任何传统方法，如用螺条混合器、Henschel混合器、Banbury混合器、鼓式桶、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、共捏合机、多螺杆挤出机等的方法进行。捏合期间的温度常选在240～300℃范围内。挤出后，复合物可模塑成所需形状的零部件。
虽然阻燃性的具体试验方法不很关键，但可采用的常用方法涉及从挤出聚碳酸酯模塑成形试片，然后用标准Underwriter LaboratoryUL 94试验方法进行试验。消焰时间可以如US 6,308,142B1中的分析和描述。一般而言，数据可以通过计算平均消焰时间(平均FOT，s)、消焰时间标准偏差(sdFOT，s)和掉滴总数进行分析并用统计方法将这些数据转换成第一次通过概率或“p(FTP)”或“PFTP”的预测，其意思是具体样品配方的5个试样在传统的UL94试验中达到V-O的“通过”率。对于UL试验中的最大阻燃行为，优选p(FTP)尽可能接近于1，例如，大于0.9，更优选大于0.95。
下面将要通过下列非限定性实施例进一步描述本发明。
实施例
将表1-3所示的聚碳酸酯和添加剂进行共混并在Werner &Pfleiderer同向旋转双螺杆挤出机上用下面所示的工艺参数挤出。玻璃纤维或碳纤维用重力喂料器和侧喂料器按表1-3所示的浓度从下游加入挤出机。挤出条在冷水浴中冷却并用旋转刀造粒机进行造粒。
将所得粒料在对流干燥烘箱内于120℃干燥2-4小时，然后在85吨VanDorn模塑机上用下面所示的注塑条件注塑成1.5mm厚的燃烧试片(0.5英寸宽×5英寸长)。在标准实验室气氛(23℃，50％RH)内调节处理注塑燃烧试片24小时，然后按UL94垂直燃烧试验方案进行试验。记录并分析消焰时间。分析结果也列于表1-3内。
实验中的复合条件如下：
区1温度         220℃；  区2温度               250℃
区3温度         280℃；  区4温度               300℃
区5温度         300℃；  口模区温度            300℃
螺杆转速[rpm]   300；    总喂料速率[磅/小时]   40。
实验中的注塑条件如下：
区1温度         540°F；    区2温度              560°F
区5温度         580°F；    口模区温度           580°F
模具温度        190°F；    注射速度[英寸/秒]    1.0
螺杆转速[rpm]   50；        压力[磅/英寸2]       50
时间[s]         60
实验中所用的材料如下：
  原材料名称   CAS编号   功能
  二苯砜磺酸钾   63316-43-8   防滴/FR
  全氟丁烷磺酸钾   29420-49-3   FR
  SAN-封装PTFE(50％PTFE)   9002-84-0   防滴
  四硬脂酸季戊四醇酯   115-83-3   脱模
  亚磷酸三(2，4-二-叔丁基苯基)酯   31570-04-4   抗氧
  受阻酚抗氧剂   2082-79-3   抗氧
  碳纤维(A级)   70892-43-2/7440-40-4   增强剂
  滑石粉   14807-96-6   矿物/FR
  碳纤维(B级)   70892-43-2/7440-40-4   增强
  双酚A聚碳酸酯，MFI：20   111211-39-2   树脂
  双酚A聚碳酸酯，MFI：5   111211-39-3   树脂
  双酚A聚碳酸酯，MFI：30   111211-39-3   树脂
  玻璃纤维   65997-17-3   增强剂
在这些实施例中，“PFTP”是指“在1.5mm第一次试验通过UL94V-0分类表的概率”，PFBS是指全氟丁烷磺酸钾；KSS是指二苯砜磺酸钾以及PC是指双酚-A聚碳酸酯。下面所用的其它缩写如前面试验阻燃性部分的解释。
表1a给出了几个不含FR-添加剂(0.6％KSS或0.1％PFBS)的碳纤维增强PC的实施例。在所有这些实施例中，没有一个在1.5mm的V-0列表的PFTP达到工业应用性(这里规定为≥0.5)，且事实上接近于0。
同样，表1b给出了含1或2％滑石粉但不含PFBS或KSS的碳纤维增强PC的实施例。这些组合物(除含5％碳纤维的实施例以外)即使配方中不含PFBS或KSS，它们的PFTP值也都＞0.5。相反，表1c中的所有实施例都表明，含KSS和/或PFBS和滑石粉的碳纤维增强PC的PFTP值都≥0.9。
表2a给出了含KSS和/或PFBS但不含滑石粉的另一等级碳纤维增强PC的实施例。它们的PFTP值都接近或等于0。
表2b给出了含2％滑石粉和/或KSS和/或PFBS的相同等级碳纤维增强PC的实施例。在碳纤维浓度为10％时，所有的PFTP值都≥0.5
表3a给出了含和不含滑石粉以及含和不含PFBS，但无组合物同时含两者组合的10％玻璃纤维增强PC的实施例。只有含PFBS的组合物(实施例48和49)的PFTP值＞0.5。
表3b给出了含滑石粉和PFBS的10％玻璃纤维增强PC的实施例。所有这些组合物，除实施例57以外，PFTP值都＞0.5。从这些实施例可见，在玻璃纤维增强PC组合物中，KSS对PFTP有不良作用。
表3c给出了含滑石粉但不含PFBS的20％玻璃纤维增强PC的实施例。它们的PFTP都接近或等于0。
表3d给出了含滑石粉和PFBS的20％玻璃纤维增强PC的实施例，除实施例74以外(它还含KSS)，PFTP都＞0.5。
表3e给出了含滑石粉、PFBS和KSS的不同组合的30％或40％玻璃纤维增强PC的实施例。实施例81(含PFBS但不含滑石粉)的PFTP值为0.57。另一方面，实施例80(含滑石粉和PFBS)的PFTP意外地高达0.93。不含PFBS或的确含KSS的组合物的PFTP值都为0。
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Claims (8)

1.一种包含聚碳酸酯树脂及有效阻燃量的阻燃剂材料和滑石粉的组合的组合物，其中阻燃剂材料是全氟烷磺酸盐，以及其中全氟烷磺酸盐的存在量为0.05～5重量份以及滑石粉的存在量为0.05～10重量份。
2.按照权利要求1的组合物，其中全氟烷磺酸盐是全氟丁烷磺酸钾，以及其中该组合物还包含至少一种其量至多为30重量份的增强纤维。
3.按照权利要求1或2的组合物，还包含选自玻璃纤维、碳纤维或其组合的增强纤维，其量至多为20重量份。
4.按照权利要求1或2的组合物，其中聚碳酸酯树脂包含线形和支化聚碳酸酯的混合物。
5.按照权利要求3的组合物，其中聚碳酸酯树脂包含线形和支化聚碳酸酯的混合物。
6.包含权利要求1-5中任何一项的组合物的制品。
7.提高聚碳酸酯组合物阻燃性的方法，该聚碳酸酯组合物含有至少一个阻燃剂组分，其中所述至少一个阻燃剂组分是全氟烷磺酸盐，以及其中全氟烷磺酸盐的存在量为0.05～5重量份，
所述方法包含在所述组合物中共混进有效阻燃量的滑石粉，以及滑石粉的存在量为0.05～10重量份。
8.按照权利要求7的方法，其中
全氟烷磺酸盐的存在量为0.1～5重量份，
滑石粉的存在量为0.1～10重量份，以及
该组合物还包含至少一种其量至多为30重量份的增强纤维。
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