CN106633580A - 具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料、其制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子聚合材料技术领域，具体公开一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)复合材料，按重量份计，原料包括：抗冲击性聚苯乙烯65‑80份；阻燃剂10‑18份；阻燃协效剂2‑6份；聚苯醚(PPO)0‑10份；增韧剂0‑10份；其它助剂0.5份。本发明通过在抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)改性过程中加入高耐热树脂，通过调配、优化各组分的加入量，在减少阻燃剂添加量的情况下，仍然能够使得改性后的复合材料阻燃性能大幅提高，达到1.5mm VO等阻燃等级。同时，由于配方的优化，使得本发明制备所得的复合材料在具备优异的阻燃性能的同时，还具备较好的力学性能、以及较高的耐热性能。

Description

具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料、其 制备方法及用途
技术领域
本发明涉及高分子聚合材料技术领域，具体涉及抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)的改性。
背景技术
聚苯乙烯的生产始于1930年，是最早工业化生产的热塑性聚合物之一。为了满足韧性材料的要求，1950年开始开发橡胶改性聚苯乙烯(即高抗冲击聚苯乙烯，HIPS)。通过将橡胶加入聚苯乙烯基材，可生产出具有不同性能的各种品级的高冲击聚苯乙烯。近年来，已开发出各种特殊品级的HIPS，已有阻燃级、抗应力开裂级、高光泽度级、极高冲击强度级、玻璃纤维增强级以及低残留挥发分级等，它们在许多应用领域中已能与昂贵的工程树脂相竞争。抗冲击聚苯乙烯突出的特性是易加工、尺寸稳定性优异、冲击强度高并且有较高刚性。对于HIPS只是在耐热性、氧渗透性、紫外光稳定性和耐油品性方面有一定限度。
目前，高耐热性、高阻燃性HIPS材料主要采用溴系阻燃剂与阻燃协效剂进行复配形成阻燃体系，该体系在塑料遇热燃烧时能够产生一层无机物层包覆燃烧部位，以隔绝可燃性基材与火焰，进而能够阻止火势的继续漫延，起到阻燃的效果。但由于HIPS材料热变形偏低，燃烧时容易卷曲滴落，使其无法达到VO级的阻燃效果。高抗冲聚苯乙烯(HIPS)是聚苯乙烯(PS)的改性品种，含有2％～15％的丁苯或顺丁橡胶，与PS相比，具有较高的韧性和抗冲击强度，并且保留了PS易成型易加工的优点，可进行注塑、挤塑、真空吸塑等成型加工，广泛用于家用电器、办公设备、仪器仪表、汽车零部件、日用器具及包装材料等领域。HIPS的极限氧指数(LOI)为18％，属于易燃性塑料，且燃烧时产生有毒气体和黑烟，限制了该材料在某些阻燃性要求较高领域应用。随着各国对防火要求的日益提高，HIPS的阻燃等级需要达到一个比较高的水平方能满足技术发展的需求。
为了达到阻燃要求，目前国内市场主要采用含卤素有机物和三氧化二锑(Sb2O3)复配的阻燃剂生产阻燃HIPS。溴系阻燃剂受到二噁英问题的困扰而使其应用受到限制，同时，用溴-锑系统阻燃的高分子材料在热裂解及燃烧时会生成大量的烟尘及腐蚀性气体，目前国外已大量以无卤阻燃剂进行替代。中国工业中高分子材料所用阻燃剂近80％为含卤阻燃剂，特别是以PBDE和PBB为代表的含溴阻燃剂效率高、用量少，中国供出口电子电气类产品中70％-80％都用此类阻燃剂。
CN101768318A中公开的一种无卤阻燃高抗冲击聚苯乙烯复合材料，包括高抗冲击聚苯乙烯(HIPS)65-85份、成炭剂聚苯醚(PPO)15-35份、阻燃剂微胶囊红磷(MRP)5-20份、增韧剂苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)4-15份、助阻燃剂聚四氟乙烯(PTFE)0.3-1.5份、助阻燃剂纳米无机填料0.3-1.5份及抗氧剂0.1-0.5份。该复合材料不含卤素，达到高阻燃级别的同时各项力学性能优异，适用于制造有阻燃要求的家用电器外壳、办公自动化设备部件、仪器仪表壳体等产品，然而，其仍然无法满足与通电部件接触材料所需的阻燃性能要求。
电器产品中使用了大量的塑料，电器与电接触，塑料具有可燃性，容易引起火灾，因此电器产品制造过程中急需即具有较高阻燃性能的材料作为电器与电接触的关键部件。如何开发出安全可靠、有实用价值的高耐热性、高阻燃性HIPS材料具有重要的现实意义，并且高耐热性高阻燃性的阻燃HIPS材料在电器制件上有着十分广阔的应用空间。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种同时兼具力学性能强、耐热性能高、阻燃等级高的改性的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，本发明通过在阻燃材料加工过程中优化树脂比例、并加入适当份数的高耐热性、高强度热塑性树脂材料，所得复合材料不仅可以减少阻燃剂的添加量、实现环保要求，并且能够在大幅提高阻燃材料的耐热性能的同时，提高其力学性能以及阻燃等级。
本发明涉及一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)材料，按重量份计，原料包括：
进一步地，所述抗冲击性聚苯乙烯树脂为单一的树脂；或两种以上不同拉伸强度、冲击强度的抗冲击性聚苯乙烯树脂的混合。
进一步地，所述阻燃剂包括十溴二苯乙烷、四溴双酚A、或溴代三嗪中的一种或其任意组合。
进一步地，所述阻燃协效剂包括三氧化二锑、亚磷酸二胺、或季戊四醇中的一种或其任意组合。
进一步地，所述聚苯醚(PPO)为单一的树脂；或两种以上不同拉伸强度、冲击强度的耐热聚苯醚PPO的混合。
进一步地，所述增韧剂为单一的热塑性弹性体；或者两种以上不同力学性能的热塑性弹性体ABS高胶粉的混合。
进一步地，所述其它助剂包括抗UV剂622和抗氧化剂1010、168。
本发有进一步还提供前述高耐热性、高阻燃等级HIPS复合材料的制备方法，包括如下步骤：按所述重量份称取各原料，然后将所述原料加入高速混合机，然后对混合物进行造粒；优选地，所述高速混合机的转速为每分钟400-600转；进一步优选地，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
更进一步地，本发明还提供前述材料的用途，其包括将所述材料用于仪器仪表和/或消费电器。优选地，所述用途包括小型仪表、冰箱内壁和/或冰箱内部零件、电视机外壳和/或电视机内部零件、空调部件、商业机器、录音和/或录相磁带盒、以及汽车内饰部件。
本发明所得高耐热性、高阻燃的抗冲击性聚苯乙烯复合材料的性能参数包括：拉伸强度为25.1-36.7MPa；弯曲强度46.6-56.8MPa；缺口冲击度7.1-11.7KJ/m2；热变形温度61.8-82.2℃；熔融指数1.4-10.8g/10min；余焰时间1.8-9.5s
本发明通过在抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)改性过程中加入高耐热树脂，通过调配、优化各组分的加入量，在减少阻燃剂添加量的情况下，仍然能够使得改性后的复合材料阻燃性能大幅提高，达到1.5mm VO等阻燃等级。同时，由于配方的优化，使得本发明制备所得的复合材料在具备优益的阻燃性能的同时，还具备较好的力学性能、以及较高的耐热性能。拉伸强度最高达到36.7MPa、弯曲强度最高达56.8MPa、缺口冲击度最高达11.7KJ/m2、热变形温度最高达82.2℃、熔融指数最高达10.8g/10min、余焰时间最短为1.8s。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。
实施例中所用材料均满足以下性能要求：
HIPS：拉伸强度≥25.0MPa、小样条弯曲强度≥43.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度≥10.0KJ/m2、熔融指数2-15g/10min(230℃，2.16kg)、断裂伸长率≥25.0％、热变形温度≥70℃。优选地，当使用两种以上不同拉伸强度、冲击强度的HIPS时，其中一种HIPS的拉伸强度为≥30.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度为≥10.0KJ/m2，另一种HIPS的拉伸强度为≥25.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度为≥120.0KJ/m2。
PPO：拉伸强度≥55.0MPa、小样条弯曲强度≥80.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度≥10.0KJ/m2、熔融指数7-25g/10mim(280℃，5kg)、断裂伸长率≥15.0％、热变形温度≥95℃。优选地，当使用两种以上不同拉伸强度、冲击强度的PPO时，其中一种PPO的拉伸强度为≥60.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度为≥10.0KJ/m2，另一种PPO的拉伸强度为≥55.0MPa、小样条悬臂梁缺口冲击强度为≥13.0KJ/m2。
其它助剂：UV剂622和抗氧化剂1010、168以任意配比加入；优选加入量配比为，二者各占50％。
实施例1：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 70kg、阻燃剂 18kg、阻燃协效剂 7kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例2：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 75kg、阻燃剂 15kg、阻燃协效剂 5kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例3：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 80kg、阻燃剂 12kg、阻燃协效剂 3kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例4：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 76.5kg、阻燃剂 17kg、阻燃协效剂 6kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂 0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟400-600转，优选为500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例5：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 74kg、阻燃剂 16kg、阻燃协效剂 5kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例6：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 69.5kg、阻燃剂 15kg、阻燃协效剂 5kg、增韧剂 10kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例7：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 73kg、阻燃剂 15kg、阻燃协效剂 5kg、PPO 2kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂 0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例8：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 70kg、阻燃剂 15kg、阻燃协效剂 5kg、PPO 5kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂 0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例9：
一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯复合材料，其配方组分包括：HIPS树脂 65kg、阻燃剂 15kg、阻燃协效剂 5kg、PPO 10kg、增韧剂 4.5kg、其它助剂：抗UV剂、抗氧剂 0.5kg。
其制备工艺为：按上述重量称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机，在转速为每分钟500转的条件下混合2-5分钟，待所述原料混合均匀后，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
实施例1-9所得产品经过性能测试所得的结果，见表1
测试条件为：
将实施例1～9经改性造粒得到的粒子在180-215℃的注塑机中注塑成型拉伸、弯曲、冲击样条，按国标标准对样条进行性能测试。测试样条在测试前先在(23±2)℃，湿度(50±10)％的环境中放置88h。
拉伸样条尺寸：
长度(mm) 宽度(mm) 厚度(mm)
150±2 10±0.2 4±0.2
弯曲样条尺寸：
长度(mm) 宽度(mm) 厚度(mm)
80±2 10±0.2 4±0.2
冲击样条尺寸：
热变形样条尺寸：
长度(mm) 宽度(mm) 厚度(mm)
80±2 10±0.2 4±0.2
阻燃样条尺寸：
长度(mm) 宽度(mm) 厚度(mm)
125±5 13±0.5 1.5±0.1
从测试结果分析可以看出：
1)从实施例1、实施例2、实施例3可以看出随着HIPS树脂比例的增加，所得高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度皆均同时提高，这是因为随着HIPS树脂的增加，粉体含量相对减少，力学性能增强；但随着HIPS树脂增加导致复合材料中阻燃剂添加量的降低，由此易引起复合材料阻燃性能变差，并带有滴落现象，从而使材料不符合V0阻燃等级。因此，实施例2中调整HIPS树脂与阻燃剂的加入量，所得复合材料能够达到VO阻燃等级，所以，实施例的HIPS树脂、阻燃剂比例最佳。
2)从实施例4、实施例5和实施例6可以看到增韧剂可以很好地提高复合材料的抗冲击性能，但同时会降低材料的弯曲强度和拉伸强度。与此同时，增韧剂添加量的增加会导致复合材料阻燃性的急剧下降，因此合适添加量的增韧剂十分重要。从实施案例来看，实施例5的增韧剂添加比例最佳。
3)从实施例7、实施例8、实施例9可以看出添加PPO能很好地提高材料的力学性能，添加量越多，复合材料的力学性能更高，同时还能保证复合材料具有较好的阻燃性，但其熔融指数降低，会使加工性能变差。综合加工性能和成本考虑，实施例8的高耐热树、高性能脂添加量最佳。
4)从实施例1-5可以看出，随着阻燃剂添加量的增加，材料的阻燃性会提升，但熔融指数和力学性能会降低，成本也会上升。因此实施例2的阻燃剂添加量为最佳比例。
从上述实施例可知，通过添加适量具有阻燃性能的高耐热树、高性能PPO，既能提高复合材料的阻燃性，又能提升复合材料的力学性能。从实施例2与实施例8可以看出，添加的高耐热树、高性能脂与HIPS树脂有着很好的相容性，不需要添加相容剂就能也很好地互混，并增长复合材料的力学性能。
根据上述实例可知，实施例8的制备方法，可以得到高耐热、高阻燃性、且力学性能极佳的HIPS复合材料。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种具有高耐热性、高阻燃等级的抗冲击性聚苯乙烯(HIPS)复合材料，其特征在于，按重量份计，原料包括：
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述抗冲击性聚苯乙烯树脂为单一的树脂；或两种以上不同拉伸强度、冲击强度的抗冲击性聚苯乙烯树脂的混合。
3.根据权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，所述阻燃剂包括十溴二苯乙烷、四溴双酚A、或溴代三嗪中的一种或其任意组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料，其特征在于，所述阻燃协效剂包括三氧化二锑、亚磷酸二胺、或季戊四醇中的一种或其任意组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合材料，其特征在于，所述聚苯醚(PPO)为单一的树脂；或两种以上不同拉伸强度、冲击强度的耐热树脂的混合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合材料，其特征在于，所述增韧剂为单一的热塑性弹性体；或者两种以上不同力学性能的热塑性弹性体的混合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的复合材料，其特征在于，所述其它助剂包括抗UV剂和/或抗氧化剂。
8.一种权利要求1-7任一项所述复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按所述重量份称取各原料，然后将所述原料全部加入高速混合机混合，然后对混合物进行造粒。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述高速混合机的转速为每分钟400-600转。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，经过混合后的物料通过双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度为150-210℃。
11.一种权利要求1-7任一项所述的复合材料的用途，其特征在于，所述材料用于仪器仪表和/或消费电器。
12.根据权利要求11所述的用途，其特征在于，所述用途包括小型仪表、冰箱内壁和/或冰箱内部零件、电视机外壳和/或电视机内部零件、空调部件、商业机器、录音和/或录相磁带盒、以及汽车内饰部件。
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