CN102827468A - 一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯，包括如下重量份的原料组分：聚碳酸酯87~97.5重量份；聚铝硅氧烷2~10重量份；二氧化硅0.5~3.0重量份。所述聚铝硅氧烷的侧基中优选同时含有甲基和苯基。在本发明有机硅铝阻燃聚碳酸酯中，聚铝硅氧烷具有降低降解速率，促进成炭的作用，二氧化硅可与聚铝硅氧烷产生协同阻燃作用，同时，二氧化硅还使该阻燃PC材料的拉伸强度、冲击强度等力学性能得到提高。本发明制备的有机硅铝阻燃聚碳酸酯的阻燃性能好，力学性能优良，无卤环保，使用安全。

Description

一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯及其制备方法。

背景技术

聚碳酸酯（PC）是一种综合性能优良的热塑性工程塑料，具有突出的抗冲击性能，耐蠕变和尺寸稳定性好，能在较高的温度范围内保持较高的力学强度，无毒、介电性能优良，是近年来增长速度最快和产能规模最大的工程塑料。随着电子、电气、建筑等领域对工程塑料需求的日益扩大，对工程塑料的阻燃性能、综合性能以及环境保护的要求也越来越高。PC本身具有一定的阻燃性（氧指数在24~26%），但在电视机、电脑、变压器线圈、汽车部件、建筑材料和其它具有高阻燃性要求的应用，PC的阻燃性仍显不足，需要阻燃处理。

由于采用卤系阻燃剂处理的材料在燃烧时会产生有害的卤素化合物，污染环境，因此，研究卤系阻燃剂的替代材料便成为阻燃领域的研究热点。目前，应用到PC的无卤阻燃剂主要有金属氢氧化物阻燃剂、磷系阻燃剂、硅系阻燃剂等，在这方面已有不少专利报导，如美国专利US6451906和US6706825分别采用聚硅氧烷及聚硅氧烷与磺酸盐协同阻燃PC，中国专利CN1430643采用磷酸酯对PC实施阻燃处理。尽管在这些有关PC无卤阻燃的公开专利中PC材料获得了较好的阻燃性能，但是，在PC材料获得较好阻燃效果的同时，如何保持甚至改善其力学、加工性能上仍有改进的空间。

发明内容

本发明提供了一种绿色环保的无卤阻燃聚碳酸酯材料，该聚碳酸酯材料不仅阻燃性能好，还具有优良的力学性能。

本发明采用的技术方案是：

一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯，包括如下重量份的原料组分：

聚碳酸酯      87~97.5重量份；

聚铝硅氧烷    2~10重量份；

二氧化硅      0.5~3.0重量份；

本发明所述有机硅铝阻燃聚碳酸酯优选由如下重量份的原料组分组成：

聚碳酸酯    87~97.5重量份；

聚铝硅氧烷  2~10重量份；

二氧化硅    0.5~3.0重量份。

更优选的，本发明所述有机硅铝阻燃聚碳酸酯由如下重量份的原料组分组成：

聚碳酸酯    91~96.5重量份；

聚铝硅氧烷  3~8重量份；

二氧化硅    0.5~2.0重量份。

本发明所述聚铝硅氧烷可按以下方法制备得到：

乙酸或盐酸溶于水中，加入硅烷，调节反应体系的pH值至1.5~5.5（优选2.5~3.0），所述硅烷与水的物质的量比为1：3~25（优选1：14~21），在50℃~90℃温度下（优选70~80℃）搅拌水解20分钟~120分钟（优选30~80分钟），生成硅醇，所得产物加入有机溶剂萃取后，移除水相，再在有机相中加入异丙醇铝或三乙醇铝，控制异丙醇铝或三乙醇铝的投料量与硅烷的物质的量之比为1：0.5~3（优选1:0.5~1），在60℃~130℃温度下（优选100~110℃）反应2小时~10小时（优选4~6小时），反应结束后反应液减压蒸馏除去溶剂，制得所述聚铝硅氧烷。

所述的硅烷为二官能度有机硅烷R¹R²SiX₂、三官能度有机硅烷R³SiX₃或它们以任意比例的混合物，R¹R²SiX₂或R³SiX₃中的R¹、R²、R³各自独立选自C₁~C₄的烷基、C₂~C₄的烯基、苯基、甲苯基中的一种，X为烷氧基。优选的，所述硅烷中同时含有甲基和苯基，所述硅烷中所有的苯基与所有的甲基的物质的量之比为0.6~2:1，具体的，所述硅烷中同时含有甲基和苯基是指R¹R²SiX₂、R³SiX₃或它们的混合物中，所含有的R¹、R²、R³中至少有一个甲基和一个苯基，并且所有苯基与所有甲基的物质的量之比为0.6~2:1。更优选的，所述硅烷的取代基R¹、R²、R³全部选自甲基和苯基，所有苯基与所有甲基的物质的量之比为0.6~2:1（优选1.6~2:1）。

所述的有机溶剂为己烷、庚烷、甲基戊烷、甲苯、二甲苯中的一种或两种以上的混合物，优选二甲苯。

本发明所述的聚碳酸酯优选为双酚A型芳香族聚碳酸酯，如实施例中使用的LG DOW聚碳酸酯有限公司生产的CALIBRE201-10聚碳酸酯。

本发明所述的聚铝硅氧烷的有机侧基包括C₁~C₄的烷烃基、C₂~C₄的烯类不饱和烃基、苯基、甲苯基中的一种或多种。优选聚铝硅氧烷的侧基中同时含有甲基和苯基。在聚铝硅氧烷的有机基团中含有苯基可改善聚铝硅氧烷与PC的相容性，有利于阻燃性能的提高，但苯基含量过大，聚铝硅氧烷中不含甲基或甲基含量过低，不利于在燃烧过程中聚铝硅氧烷向PC表面迁移形成含硅、铝炭层，从而使PC材料的阻燃性能下降。

本发明所述的二氧化硅优选纳米二氧化硅，纳米二氧化硅在PC基体中具有更好的分散性，能起到更好的阻燃协同作用及增强增韧作用。

本发明所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯可按以下方法制得：将聚碳酸酯、聚铝硅氧烷、二氧化硅混合均匀后在双螺杆挤出机上熔融挤出造粒，挤出机的各区间温度为245~275℃，挤出机转速200～240r/min。

本发明还提供所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯的制备方法，所述方法为：将聚碳酸酯、聚铝硅氧烷、二氧化硅混合均匀后在双螺杆挤出机上熔融挤出造粒，挤出机的各区间温度为245~275℃，挤出机转速200～240r/min。

本发明具有如下优点：

在本发明聚碳酸酯复合体系中，聚铝硅氧烷具有降低降解速率，促进成炭的作用，在燃烧过程中，聚铝硅氧烷会迁移到PC表面，与PC的降解产物发生相互作用，产生交联结构，Si和Al积聚在材料表面形成富含Si、Al的绝缘炭层，完全燃烧时阻燃PC形成了均匀、致密的炭层，这一富含Si、Al的致密炭层起到了良好绝缘保护层的作用，抑制了材料进一步降解，有效阻碍了可燃性气体的产生及向燃烧区的传递，从而有效地改善了PC的阻燃性能。

本发明提供的有机硅铝阻燃聚碳酸酯材料中二氧化硅可与聚铝硅氧烷产生协同阻燃作用，使阻燃PC材料在燃烧中的热释放速率和产烟速率降低。同时，二氧化硅还使该阻燃PC材料的拉伸强度、冲击强度等力学性能得到提高。本发明制备的有机硅铝阻燃聚碳酸酯的阻燃性能好，力学性能优良，无卤环保，使用安全。

附图说明

图1实施例1制得的聚铝硅氧烷的红外图谱。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

在500ml的三口烧瓶中加入200g水和少量乙酸，将29g的二苯基二甲氧基硅烷、38g苯基三甲氧基硅烷和29g甲基三甲氧基硅烷的混合物倒入恒压滴液漏斗中，逐滴加入上述烧瓶中，调整pH值至2.5，在80℃下反应30分钟，得中间产物硅醇。然后将合成的硅醇加入150g二甲苯中萃取，移除水层，将有机相硅醇的二甲苯溶液再与88g三乙醇铝继续在100℃下反应4小时，减压蒸馏除去溶剂二甲苯，最终得到聚铝硅氧烷阻燃剂61g。该聚铝硅氧烷的红外图谱见图1所示，其主要结构如下：1126-1049cm^-1为Si-O-Si的特征峰，1430cm^-1为Si-Ph特征峰，1263cm^-1为Si-CH₃特征峰，3000cm^-1左右为Si-O-Al特征峰,3422cm^-1为Si-OH的特征峰。分析可知，样品中含有Si-O-Al、Si-O-Si、-CH₃和-Ph结构。

实施例2

在500ml的三口烧瓶中加入170g水和少量乙酸，将88g的二苯基二甲氧基硅烷和29g二甲基二甲氧基硅烷的混合物倒入恒压滴液漏斗中，逐滴加入上述烧瓶中，调整pH值至3.0，在70℃下反应80分钟，得中间产物硅醇。然后将合成的硅醇加入120g二甲苯中萃取，移除水层，将有机相硅醇的二甲苯溶液再与80g异丙醇铝继续在110℃下反应6小时，减压蒸馏除去溶剂二甲苯，最终得到聚铝硅氧烷阻燃剂86g。其红外谱图显示同样有：1126-1049cm^-1为Si-O-Si的特征峰，1430cm^-1为Si-Ph特征峰，1263cm^-1为Si-CH₃特征峰，3000cm^-1左右为Si-O-Al特征峰,3422cm^-1为Si-OH的特征峰。

实施例3

将按实施例1制得的聚铝硅氧烷阻燃剂3份（重量份，以下同）、PC（CALIBRE201-10，LG DOW聚碳酸酯有限公司，以下同）96.5份和纳米SiO₂（杭州万景新材料有限责任公司，以下同）0.5份混合均匀，然后加入到双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机各区温度：一区温度：245℃，二区温度：255℃，三区、四区温度：265~275℃，五区温度：255℃，挤出机转速230r/min，即得阻燃PC材料FRPC-1。

实施例4

将按实施例2制得的聚铝硅氧烷阻燃剂8份、PC 91份和1份纳米SiO₂混合均匀，然后加入到双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机各区温度：一区温度：245℃，二区温度：250℃，三区、四区温度：260~270℃，五区温度：255℃，挤出机转速200r/min，即得阻燃PC材料FRPC-2。

实施例5

将按实施例2制得的聚铝硅氧烷阻燃剂5份、PC 93份和2份纳米SiO₂混合均匀，然后加入到双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机各区温度：一区温度：245℃，二区温度：255℃，三区、四区温度：265~275℃，五区温度：260℃，挤出机转速240r/min，即得阻燃PC材料FRPC-3。

对比例

将按实施例2制得的聚铝硅氧烷阻燃剂5份、PC 95份混合均匀，然后加入到双螺杆挤出机熔融挤出造粒，挤出机各区温度：一区温度：245℃，二区温度：255℃，三区、四区温度：260~270℃，五区温度：260℃，挤出机转速240r/min，即得阻燃PC材料FRPC-0。

上述阻燃PC材料的性能见表1所示，拉伸强度按照GB/T 1040.2－2006标准测试；缺口冲击强度按照GB/T 1043.1－2008标准测试；氧指数测定按照GB/T 2406.2－2009标准进行。

表1

由表1数据可知，在PC中添加少量聚铝硅氧烷和SiO₂可使其氧指数明显提高，并且对其拉伸强度、冲击强度等力学性能不仅没有负面影响，甚至还有所改善。实施例5与对比例相比，在PC/聚铝硅氧烷体系中再添加少量SiO₂可使阻燃体系的氧指数略有增加，阻燃性能有所提高，更突出的是SiO₂使阻燃PC材料的拉伸强度、冲击强度得到有效提高，使PC在获得良好阻燃性能的同时，保持甚至提高了其优良的力学性能。

Claims (6)

1.一种有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于所述有机硅铝阻燃聚碳酸酯包括如下重量份的原料组分：

聚碳酸酯    87~97.5重量份；

聚铝硅氧烷  2~10重量份；

二氧化硅    0.5~3.0重量份。

2.根据权利要求1所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于，所述聚铝硅氧烷按以下方法制备得到：

乙酸或盐酸溶于水中，加入硅烷，调节反应体系的pH值至1.5~5.5，所述硅烷与水的物质的量比为1：3~25，在50℃~90℃温度下搅拌水解20分钟~120分钟，所得产物加入有机溶剂萃取后，移除水相，再在有机相中加入异丙醇铝或三乙醇铝，控制异丙醇铝或三乙醇铝的投料量与硅烷的物质的量之比为1：0.5~3，在60℃~130℃温度下反应2小时~10小时，反应结束后反应液减压蒸馏除去溶剂，制得所述聚铝硅氧烷；

所述的硅烷为二官能度有机硅烷R¹R²SiX₂、三官能度有机硅烷R³SiX₃或它们以任意比例的混合物，R¹R²SiX₂或R³SiX₃中的R¹、R²、R³各自独立选自C₁~C₄的烷基、C₂~C₄的烯基、苯基、甲苯基中的一种，X为烷氧基；

所述的有机溶剂为己烷、庚烷、甲基戊烷、甲苯、二甲苯中的一种或两种以上的混合物。

3.根据权利要求2所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于，所述硅烷中所含有的R¹、R²、R³中至少有一个甲基和一个苯基，并且所有的苯基与所有的甲基的物质的量之比为0.6~2:1。

4.根据权利要求1所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于，所述的聚碳酸酯为双酚A型芳香族聚碳酸酯。

5.根据权利要求1所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于，所述的二氧化硅为纳米二氧化硅。

6.如权利要求1所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯，其特征在于所述的有机硅铝阻燃聚碳酸酯按以下方法制得：将聚碳酸酯、聚铝硅氧烷、二氧化硅混合均匀后在双螺杆挤出机上熔融挤出造粒，挤出机的各区间温度为245~275℃，挤出机转速200～240r/min。