CN102604356B - 一种高效阻燃的塑料合金及其制备方法 - Google Patents

一种高效阻燃的塑料合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效阻燃的塑料合金及其制备方法，方法包括步骤：(1)将45-80重量份的聚碳酸酯粉料、10-20重量份的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料分别烘干3-4小时；(2)再将所述聚碳酸酯粉料、所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料、0.1-0.2重量份的苯磺酰基苯磺酸钾、2-5重量份的苯乙烯-马来酸酐共聚物都倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟；(3)最后加入8-10重量份的磷酸酯混合搅拌，倒入挤出机加热熔融，拉丝冷却挤压造出所述高效阻燃塑料合金颗粒。所述塑料合金产品采用无卤阻燃剂，无毒环保，具有高效阻燃性、优异力学性能和耐热性能。

Description

一种高效阻燃的塑料合金及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子塑料合金材料领域，具体涉及一种采用无卤阻燃剂的塑料合金及其制备方法。
背景技术
聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料合金，即PC/ABS塑料合金是较早实现工业化生产的一种聚碳酸酯改性产品，是一种重要的工程塑料合金。PC/ABS塑料合金兼有PC和ABS两方面的优点，具有良好的耐冲击性能和耐热性的同时，更具良好的流动性能。由于PC熔点高，加工流动性差，制品易应力开裂，对缺口敏感性强，价格高。将ABS树脂与PC树脂共混，一方面提高了ABS的耐热性能和力学性能，另一方面降低了PC成本和熔体粘度，提高了流动性，改善其加工性，减少制品内应力残留和制品厚度的敏感性，所制得的共混合金性能介于ABS和PC之间，即具有较高的冲击强度、挠曲性、刚性和耐热性，并改善了耐化学品性和低温韧性，热变形温度可比ABS高20℃左右。PC/ABS合金中的PC虽本身具有一定的阻燃性，其氧指数可达25左右，可通过UL94V-2标准检验(即检测自熄效果)，但PC与ABS组合后其阻燃性能大大降低，故要满足现在许多电子电器产品元器件所要求的UL94V-0等级标准，还需进一步对PC/ABS塑料合金添加各种阻燃剂改性来实现。
对PC/ABS塑料合金进行阻燃改性引入的阻燃剂中，目前用量很大、阻燃性较高并对合金材料力学性能影响较小的是卤系阻燃剂，包括氯系和溴系阻燃剂，但卤系阻燃剂在燃烧过程中会释放出大量的有毒气体和烟，特别是二噁英等强烈的致癌物质，会对环境造成污染并威胁到人们的身体健康。因此，当前采用无卤阻燃剂代替含卤阻燃剂已成为一种必然的趋势。应用于PC合金的无卤阻燃剂主要有磷系、硼系、磷-氮系等。目前大量应用于PC合金的无卤阻燃剂基本全都是磷酸酯系的阻燃剂，但是往往需要在合金中加入大量的磷酸酯以获得高的阻燃性，然而这些磷酸酯的加入会很大程度上降低材料的力学性能和耐热性，同时由于磷酸酯大多为小分子，常温下是液体或熔点较低的固体，存在析出和分散不均的问题，通常还需要添加专门的液体进料装置或蠕动泵，这样无疑增加了生产成本和工序复杂。
发明内容
本发明为了解决现有的技术问题，同时为降低生产成本，简化工艺流程，提供了一种高效阻燃性、优异力学性能和耐热性能，并采用无卤阻燃剂的塑料合金及其制备方法，所述塑料合金产品可广泛应用于环保要求高的汽车部件、电子电器外壳、办公机械、医疗器械等。
本申请人通过研究发现无卤阻燃剂中以磺酸盐类阻燃效率最高，添加不到1％即可满足材料使用要求，但由于添加量太少存在分布不均，混合反应难的问题，为克服以上问题，本申请人通过科学采用合理配比的原料成分，改进生产设备和工艺，生产出的无卤阻燃剂的塑料合金，具有同类产品不能具有的显著优点。
本发明提供一种高效阻燃塑料合金的生产方法，包括步骤：
1)将45-80重量份的聚碳酸酯粉料、10-20重量份的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料分别烘干3-4小时；
2)再将所述聚碳酸酯粉料、所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料、0.1-0.2重量份的苯磺酰基苯磺酸钾、2-5重量份的苯乙烯-马来酸酐共聚物都倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟；
3)最后加入8-10重量份的磷酸酯混合搅拌，倒入挤出机加热熔融，拉丝冷却挤压造出所述高效阻燃塑料合金颗粒。
作为一种改进，在步骤2中加入0.01-0.2重量份的硅氧烷混合搅拌。还可为提高产品某项性能，加入以下任意一种或多种催化量的助剂：抗氧剂、紫外线吸收剂、脱模剂。
所述高效阻燃塑料合金的生产方法中，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料为高橡胶相的共聚物，其氧指数为16，堆积密度为0.4-0.5g/cm3，胶含量60-70％，粒径＜1.00MM，其成分和重量含量为：
丙烯晴                   10-14％
高橡胶相的丁二烯         60-70％
苯乙烯        26-30％。
进一步，将上述混合均匀的原料倒入到平行同向双螺杆挤出机中进行加热熔融时，控制反应温度呈梯阶式升高，从第一进料口到出料口依次分为六个温度区间，且这六个区间温度分别为：一区温度210-220℃，二区温度221-230℃，三区温度231-235，四区温度236-245℃，五区温度246-255℃，六区温度256-260℃。生产时控制挤出机熔体压力248℃，2.8mPa，主机转速：345r/min，主机电流120-130A。如此逐渐梯阶式加温就能避免高分子材料在料筒中因高速旋转的双螺杆摩擦发热而产生热降解。
本发明还提供一种高效阻燃的塑料合金，包括以下原料，各原料成分重量份数如下：
(A)聚碳酸酯粉料                  45-80份
(B)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料      10-20份
(C)磷酸酯                        5-10份
(D)苯磺酰基苯磺酸钾              0.1-0.2份
(E)苯乙烯-马来酸酐共聚物         2-5份。
进一步，还包括如下成分：
(F)硅氧烷                        0.01-0.2份
(G)任意一种或多种催化量的助剂：抗氧剂、紫外线吸收剂、脱模剂。
所述聚碳酸酯粉料为分子量为19000-22000；在300℃，1.2KG条件下，熔融指数为22-12g/10min。
所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料为高橡胶相的共聚物，其氧指数为16，堆积密度为0.4-0.5g/cm3，胶含量60-70％，粒径＜1.00MM，其成分和重量含量为：
丙烯晴                      10-14％
高橡胶相的丁二烯            60-70％
苯乙烯                      26-30％。
所述聚碳酸酯粉料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、苯磺酰基苯磺酸钾、苯乙烯-马来酸酐共聚物各自按照所述比例倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟，采用改进结构的卧式搅拌机来生产。再加入磷酸酯熔融挤出造粒，而不是采用传统的聚碳酸酯大颗粒来混合。
与现有技术相比，本发明的生产方法和塑料合金具以下优异效果：
1、本发明方法通过加入磺酸盐类阻燃剂苯磺酰基苯磺酸钾(KSS)与硅氧烷(PMPS)、磷酸酯系阻燃剂(BDP)进行复配，大幅减少了只单独采用磷酸酯系阻燃剂的用量，在满足其无卤高效阻燃的前提下最大限度保持塑料合金原有的力学性能和耐热性能，同时在一定程度上降低了原料成本。
2、本发明塑料合金采用无卤阻燃剂中的磺酸盐类阻燃剂，不会在燃烧过程中释放出大量的有毒气体和烟，对环境和身体健康没有伤害。
3、本发明所采用聚碳酸酯粉料为粒状树脂的初级形式，相对于粒状树脂，具有比表面面积更大、堆积密度更低和吸附力更强的特点，同时成本相对低廉。
4、本发明采用新型的卧式搅拌机替代传统的立式搅拌机，配合上述的粉体树脂原料，不仅很好的解决了加入阻燃剂因量少或由于液体状态造成的分散不均的问题，而且简化了工艺设备并降低了制作成本。
5、本发明方法进行加热熔融时，控制反应温度呈梯阶式升高，可避免高分子材料在料筒中因高速旋转的双螺杆摩擦发热而产生热降解，防止破坏产品化学结构，保证产品优异质量。
附图说明
图1是本发明生产方法工艺流程简图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附表，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为得到高效阻燃性、优异力学性能和耐热性能，并具有无卤阻燃剂的塑料合金，本申请人在原料的选择、配方和工艺流程上进行了大量的研究，结果发现对PC/ABS塑料合金，磺酸盐类的阻燃剂和磷酸酯系阻燃剂之间有很好的阻燃协同效应，搭配使用具有极佳的阻燃效果。因磺酸盐类的阻燃剂阻燃效率极高，在配方体系中作为协同阻燃剂只需添加极少量就能大幅减少作为主阻燃剂的磷酸酯的用量，这样既能在满足其高效阻燃的前提下最大限度保持塑料合金原有的力学性能和耐热性能，又能在一定程度上降低成本。同时为了解决加入的磺酸盐类阻燃剂因添加量太少和磷酸酯因其常温下是液体或熔点较低的固体而造成的分散不均问题，在原料上选择上，我们采用了成本相对低廉、比表面更大、堆积密度更低和吸附力更强的粉体树脂基料代替了传统的粒状树脂基料。
如图1所示，本发明实施例一提供的高效阻燃塑料合金的生产方法，包括步骤：
1)将45-80重量份的聚碳酸酯粉料、10-20重量份的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料分别烘干3-4小时，温度为110-120℃；
2)再将所述聚碳酸酯粉料、所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料、0.1-0.2重量份的苯磺酰基苯磺酸钾、2-5重量份的苯乙烯-马来酸酐共聚物都倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟；
3)最后加入8-10重量份的磷酸酯混合搅拌，倒入挤出机加热熔融，拉丝冷却挤压造出所述高效阻燃塑料合金颗粒。
作为实施例一的改进，本发明实施例二提供的高效阻燃塑料合金的生产方法，区别是在步骤2中加入0.1-0.2重量份的硅氧烷混合搅拌，可提高反应速度和力学性能。当然还可为提高产品某项性能，加入以下任意一种或多种催化量(0.2-1.0重量份)的助剂：抗氧剂、紫外线吸收剂、脱模剂。比如为提高产品抗氧化效果，加入抗氧化；为方便从模具上脱离，可加入脱模剂。所述助剂对塑料合金基本的燃烧性能和力学机械性能没有太大的影响，可依常规用量适量添加。
上述所有实施例生产方法中的聚碳酸酯(PC)粉料是生产PC颗粒的原料，PC粒正常的密度是1.2g/cm3，而PC初级形状粉的堆积密度只有0.3-0.5g/cm3，是聚合PC生产过程中一种初级形态产品，PC粉料因未经热熔融挤出可减少其热降解和水降解等物性衰减，保持其原有物理特性，减少其挤出工序成本。本发明利用聚碳酸酯(PC)粉料的表面面积大、松散易分散，易搅拌，易吸附添加助剂的特点。所述聚碳酸酯粉料为分子量为19000-22000；在300℃，1.2KG条件下，熔融指数为22-12g/10min。
所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)也是白色粉剂，ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料为高橡胶相的共聚物，其氧指数为16，堆积密度为0.4-0.5g/cm3，胶含量60-70％，粒径＜1.00MM，其成分和重量含量为：
丙烯晴                      10-14％
高橡胶相的丁二烯            60-70％
苯乙烯                      26-30％
所述苯磺酰基苯磺酸钾(KSS)和硅氧烷(PMPS)也是粉剂，而磷酸酯(BDP)为无色透明液体状。
所述苯乙烯-马来酸酐共聚物(SMA)作为相容剂，SMA树脂分子结构中具有非极性的芳环基和极性的酸酐基，因此与多种极性或非极性材料(如PS、AS、ABS、PC和PA等)以及玻纤相容性良好。相容剂的加入可明显改善界面的粘合力，使产品体系的断裂拉伸率有较大程度的降低。
上述所有实施例生产方法中，将上述混合均匀的原料倒入到平行同向双螺杆挤出机中进行加热熔融时，控制反应温度呈梯阶式升高，从第一进料口到出料口依次分为六个温度区间，且这六个区间温度分别为：一区温度210-220℃，二区温度221-230℃，三区温度231-235℃，四区温度236-245℃，五区温度246-255℃，六区温度256-260℃。生产时控制挤出机熔体压力248℃，2.8mPa，主机转速：345r/min，主机电流120-130A。如此逐渐梯阶式加温就能避免高分子材料在料筒中因高速旋转的双螺杆摩擦发热而产生热降解。
本发明方法选择了卧式搅拌机代替传统的立式搅拌机。
因本发明所提供的无卤高效阻燃PC/ABS合金的配方中，PC、ABS、PMPS等粉剂的堆积密度都较小，KSS虽是粉剂、但堆积密度比上述其他粉剂大很多，还有SMA是颗粒状，添加量也各不相同，添加次序也不一样。使用传统普通立式搅拌机，可能会有“沉淀”造成分散不均，影响物性稳定。卧式搅拌机是通过变速箱减速增加扭力同轴逆向(螺旋桨)将物料往中间推挤、兼利用物料自重失落，粉体物料搅拌10分钟完毕后再均匀添加BDP油或液体，再搅拌5min，由卧式搅拌机中间底部放出。这样避免了传统工艺中添加液体还需提供专门的液体进料装置或蠕动泵，从而达到简化工艺设备和降低制作成本的目的。
采用上述生产方法，本发明实施例三还提供一种高效阻燃的塑料合金，包括以下原料，各原料成分重量份数如下：
(A)聚碳酸酯粉料                    45份
(B)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料        10份
(C)磷酸酯                          5份
(D)苯磺酰基苯磺酸钾                0.1份
(E)苯乙烯-马来酸酐共聚物2份
采用上述生产方法，本发明实施例四还提供一种高效阻燃的塑料合金，包括以下原料，各原料成分重量份数如下：
(A)聚碳酸酯粉料                    80份
(B)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料        20份
(C)磷酸酯                          10份
(D)苯磺酰基苯磺酸钾                0.2份
(E)苯乙烯-马来酸酐共聚物           5份
采用上述生产方法，本发明实施例五还提供一种高效阻燃的塑料合金，包括以下原料，各原料成分重量份数如下：
(A)聚碳酸酯粉料                    70份
(B)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料        15份
(C)磷酸酯                          7份
(D)苯磺酰基苯磺酸钾                0.2份
(E)苯乙烯-马来酸酐共聚物           3份
(F)硅氧烷                          0.1份
(G)抗氧剂和紫外线吸收剂            0.02份
采用上述生产方法，本发明实施例六还提供一种高效阻燃的塑料合金，包括以下原料，各原料成分重量份数如下：
(A)聚碳酸酯粉料                    75份
(B)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料        13份
(C)磷酸酯                          5份
(D)苯磺酰基苯磺酸钾                0.2份
(E)苯乙烯-马来酸酐共聚物           5份
(F)硅氧烷                          0.02份
(G)抗氧剂                          0.02份
本发明的高效阻燃的塑料合金阻燃效果好，参照UL94塑料材料燃烧测试标准进行测试结果如下：
Figure BSA00000685207700081
生产实验时采用如下设备：
  实验设备名称   规格型号   数量
  宝源试验注塑机   PYZ-100PCIII   1部
  电子万能试验机   INPW-1020   1台
  水平垂直燃烧测定仪   CZF-3   1台
  悬臂梁冲击试验机   1台
  热变形维卡软化点温度测定仪   XRW-300MA   1台
结合下面图表，下面通过对比试验，测试不同成分形成的产品带来的效果。
一、实施案例A，原料配方以各组分重量份数表示如下：
Figure BSA00000685207700082
二、实施案例B，原料配方以各组分重量份数表示如下：
Figure BSA00000685207700083
Figure BSA00000685207700091
三、实施案例C，原料配方以各组分重量份数表示如下：
四、实施案例D，原料配方以各组分重量份数表示如下：
Figure BSA00000685207700093
五、实施案例E，原料配方以各组分重量份数表示如下：
Figure BSA00000685207700094
Figure BSA00000685207700101
由以上对比试验可见只有按照本发明的成分及其配比的实施案例C的产品具有高效阻燃性、优异力学性能和耐热性能。

Claims (7)

1.一种高效阻燃塑料合金的生产方法，其特征在于，包括步骤： 
1)将45-80重量份的聚碳酸酯粉料、10-20重量份的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料分别烘干3-4小时； 
2)再将所述聚碳酸酯粉料、所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料粉料、0.1-0.2重量份的苯磺酰基苯磺酸钾、2-5重量份的苯乙烯-马来酸酐共聚物都倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟； 
3)最后加入8-10重量份的磷酸酯混合搅拌，倒入挤出机加热熔融，将上述混合均匀的原料倒入到平行同向双螺杆挤出机中进行加热熔融时，控制反应温度呈梯阶式升高，从第一进料口到出料口依次分为六个温度区间，且这六个区间温度分别为：一区温度210-220℃，二区温度221-230℃，三区温度231-235℃，四区温度236-245℃，五区温度246-255℃，六区温度256-260℃，拉丝冷却挤压造出所述高效阻燃塑料合金颗粒。 
2.如权利要求1所述高效阻燃塑料合金的生产方法，其特征在于，在步骤2中加入0.01-0.2重量份的硅氧烷混合搅拌。 
3.如权利要求1所述高效阻燃塑料合金的生产方法，其特征在于，在步骤2中加入以下任意一种或多种催化量的助剂：抗氧剂、紫外线吸收剂、脱模剂。 
4.一种采用权利要求1的方法生产的高效阻燃的塑料合金，其特征在于，包括以下原料，各原料成分重量份数如下： 
Figure FSB0000117020290000011
5.如权利要求4所述塑料合金，其特征在于，还包括： 
(F)硅氧烷             0.01-0.2份 
(G)任意一种或多种催化量的助剂：抗氧剂、紫外线吸收剂、脱模剂。 
6.如权利要求4所述塑料合金，其特征在于，所述聚碳酸酯粉料分子量为19000-22000；在300℃，1.2KG条件下，熔融指数为22-12g/10min。 
7.如权利要求4至6任意一项所述塑料合金，其特征在于，所述聚碳酸酯粉料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、苯磺酰基苯磺酸钾、苯乙烯-马来酸酐共聚物各自按照所述比例倒入卧式搅拌机内混合搅拌10-15分钟，再加入磷酸酯熔融挤出造粒。 
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