CN107674397B - 一种无卤阻燃高光矿纤增强pc/abs复合材料及制备方法 - Google Patents

一种无卤阻燃高光矿纤增强pc/abs复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS复合材料及制备方法，包括如下重量百分比的组分：PC 35‑55份、ABS 5‑10份、倍半硅系阻燃剂0.1‑0.3份、有机磷系阻燃剂6‑12份、抗滴落剂0.1‑0.3份、相容剂2.0‑5.0份、增韧剂2‑5份、稳定剂0.1‑1份、矿纤材料10‑25份、偶联剂0.3‑1份、防浮纤外漏剂0.3‑0.6份。本发明制备的复合材料在性能上能够完全替代金属材料，通过普通模温机实现高光效果的高分子材料，为工业设计提供更多选择。

Description

一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料改性技术领域，具体涉及一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料及其制备方法。
背景技术
塑料替代金属和其它一些传统的材料成为许多市场产品经营的主要策略之一，把金属用塑料替代的动力是降低成本、设计的灵活性以及减轻重量三个元素的复合。在降低环境污染、节能减排的压力下，需要研发新型工程塑胶复合材料来取代金属材料。高光蒸汽注塑技术有助于推动玻纤增强材料替代金属材料，但是该生产工艺存在加工周期长、生产效率低、制造成本高的缺点。如何将塑料与金属结合起来而又同时保持两者的优点，是本技术领域所急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的玻纤增强复合材料实现高光效果存在的加工周期长，生产效率低，制造成本高的缺点等技术问题，提出一种无需RHCM注塑工艺即可实现高光效果的PC/ABS复合材料，实现外观和性能同时替代金属。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现，一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS复合材料，其组分及重量份为：PC 35-55份、ABS 5-10份、倍半硅系阻燃剂0.1-0.3份、有机磷系阻燃剂6-12份、抗滴落剂0.1-0.3份、相容剂2.0-5.0份、增韧剂2-5份、稳定剂0.1-1份、矿纤材料10-25份、偶联剂0.3-1份、防浮纤外漏剂0.3-0.6份。
进一步的，所述PC在300℃/1.2KG条件下熔融指数为10-40g/min。
进一步的，所述倍半硅系阻燃剂为POSS、倍半硅氧烷、PDMS、聚硅烷中的一种或几种；所述有机磷系阻燃剂为磷酸二甲苯酯、BDP、次膦酸盐、三聚氰胺磷酸盐或磷酸盐的一种或几种。
进一步的，所述倍半硅系阻燃剂为POSS，所述有机磷系阻燃剂为BDP。
进一步的，所述增韧剂为高胶粉、MBS、核-壳结构的甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸酯的共聚物或核-壳结构的丙烯酸酯有机硅共聚物中的至少一种与酸性聚乙烯蜡的混合物
进一步的，所述稳定剂为有活性基团环氧基的扩链剂、受阻酚类抗氧剂和磷酸酯类抗氧剂的混合物，质量比为1:1:1。
进一步的，所述防浮纤外露剂为内外润滑剂、脱模剂、分散剂与酸性聚乙烯蜡复配得到，质量比为5:3:6:3。
本发明的复合材料的制备方法，步骤为：1)将矿纤材料进行干燥处理，在表面喷洒硅烷偶联剂溶液混合，经干燥、冷却后得到表面处理后的矿纤材料；2)按配比将所述PC、ABS、倍半硅系阻燃剂、稳定剂、增韧剂、抗滴落剂、相容剂、偶联剂和防浮纤外漏剂同时加入到高速混合机中，高速混合，得到主喂料混合物；3)将上述主喂料混合物投入双螺杆挤出机中熔融挤出，并按配比将有机磷系阻燃剂、表面处理后的矿纤材料通过侧喂料计量加入，经熔融反应、挤出、冷却、切粒、干燥、得到无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料。
进一步的，步骤3)中所述双螺杆采用啮合同向双螺杆挤出机，长径比40：1，有螺筒筒体9节，每节筒体长320mm，第1节为上开口筒体，包括主喂料混合物的上开口；第4节为上开口筒体，包括加入矿纤材料和自然排气的上开口；第6节为上开口筒体，包括加入有机磷系阻燃剂的上开口；第8节筒体包括真空口，配有抽真空的装置；第9节为机头体，第2、3、5、7、9节均为闭口筒体。
进一步的，步骤3)中所述啮合同向双螺杆挤出机的工艺条件为：双螺杆挤出机加料段温度为180-225℃，塑化段温度为235℃-245℃，均化段温度为230℃-240℃，机头温度215℃-230℃，主机频率设为20-45Hz，螺杆转速400-600rpm，真空度为-0.04-0.1MPa，注塑模具温度应控制在80-100℃。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS复合材料，通过使用特定质量比的PC和ABS，及阻燃剂、相容剂和增韧剂等助剂，可以显著改善复合材料的机械性能。通过复合阻燃体系降低材料的热变形温度，使阻燃性能1.2mm达到美国UL94V-0级要求。通过复合增韧剂增加无机矿纤材料与有机高分子基材的相容性，可将矿纤材料完全替代玻纤增强材料使用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。本发明所提到的比例、“份”，如果没有特别的标记，均以质量为准。
本实施例提供了一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS合金材料，在性能上能够完全替代金属材料，通过普通模温机实现高光效果的高分子材料，为工业设计提供更多选择。其组分及质量份组成为：PC 35-55份、ABS 5-10份、倍半硅系阻燃剂0.1-0.3份、有机磷系阻燃剂6-12份、抗滴落剂0.1-0.3份、相容剂2.0-5.0份、增韧剂2-5份、稳定剂0.1-1份、矿纤材料10-25份、偶联剂0.3-1份、防浮纤外漏剂0.3-0.6份。
本实施例的复合材料，通过使用特定质量比的PC和ABS，及阻燃剂、相容剂和增韧剂等助剂，可以显著改善复合材料的机械性能，通过复合阻燃体系降低材料的热变形温度，使阻燃性能1.2mm达到美国UL94V-0级要求。本实施例的复合材料具有高强度、低翘曲、尺寸稳定性好、超薄化的优势，为工业设计提供更多选择，满足更多的个性消费需求。使所用结构无需金属材料加强，无需喷涂、喷油、电镀等深加工，节约成本、降低能耗、降低污染、实现产品轻量化、超薄化。
其中所述PC(聚碳酸酯)选择在300℃/1.2KG条件下熔融指数为10-40g/min，优选熔融指数为20-30g/min。该融指范围聚碳酸酯材料既有优异的抗冲击性能，又具备适中的流动性能，有利于合金材料加工成型，减少表面缺陷。
所述倍半硅系阻燃剂选用笼状倍半硅氧烷POSS、倍半硅氧烷、聚硅氧烷PDMS、聚硅烷中的一种或几种混合。所述有机磷系阻燃剂选择磷酸二甲苯酯、双酚A双(二苯基磷酸酯)BDP、次膦酸盐、三聚氰胺磷酸盐或磷酸盐的一种或几种混合。本实施例的复合阻燃体系克服了单一使用有机磷系阻燃剂造成的材料韧性低、耐温差的缺陷，同时也克服了使用磺酸盐系和有机磷系阻燃剂复配体系造成的材料韧性低和降解现象。
其中优选笼状倍半硅氧烷POSS和双酚A双(二苯基磷酸酯)BDP配合使用，可以起到协效作用，加速合金材料成碳，可以极大降低有机磷系阻燃剂的添加量；双酚A双(二苯基磷酸酯)是一种增塑型阻燃剂，提高阻燃的同时材料耐温性会下降，降低有机磷系阻燃剂的添加量，有助于增加复合材料的使用温度、提高复合材料的力学性能、改善复合材料的加工性能、使复合材料具有显著的延迟燃烧特性。
所述增韧剂为高胶粉(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、MBS(甲基丙烯酸酯-丁二烯-苯乙烯共聚物)、核-壳结构的甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸酯的共聚物、或核-壳结构的丙烯酸酯有机硅共聚物中的至少一种与酸性聚乙烯蜡的混合物。其中优选高胶粉、MBS、酸性聚乙烯蜡的混合物，质量比为1：2：1，所述酸性聚乙烯蜡pH值为5.5-6.8。其中，MBS是增韧的主体，其橡胶相粒径较小，具有优异的耐候、抗低温性能，高胶粉提供更大粒径的橡胶增韧，如此搭配可使材料在产生应力银纹的时候，应力从小粒径橡胶相传递到大粒径橡胶相，逐步释放能量。
所述矿纤材料为表面经硅烷偶联剂处理过的滑石粉、硅灰石、高岭土或金云母的至少一种。优选滑石粉，所述增韧剂中的酸性聚乙烯蜡可以和滑石粉中的金属氧化物反应而链接在滑石粉上，这样在无机滑石粉中引入有机分子链，有利于滑石粉与基材的相容性，起增韧作用。所述滑石粉粒径优选为大于10000目，滑石粉粒径越小，起到的增韧增强作用越大。
所述稳定剂为有活性基团环氧基的扩链剂、受阻酚类抗氧剂和磷酸酯类抗氧剂的混合物，质量比为1:1:1。
其中所述抗氧剂优选为四[3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯酯)的混合物，质量比为1：1，或三甘醇双-3-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙烯腈，或三(2，4-二叔丁基酚)亚磷酸酯。
所述抗滴落剂优选为粒径500μm、密度2.165g/cm3的含氟聚合物抗滴落剂。
所述防浮纤外露剂为内外润滑剂、脱模剂、分散剂与酸性聚乙烯蜡复配得到，质量比为5:3:6:3，作用是改善材料的表面性能，有利于矿纤材料在基材中的分散。
本实施例的复合材料具有力学性能好、加工性能好、密度小、质量轻的优势，可以应用于超薄超大电子设备的外壳，例如超大超窄边液晶电视、超薄液晶显示、超薄笔记本电脑、超薄智能手机及其他各种高光泽、高强度领域。
本实施例所述的无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料制备方法，包括如下步骤：
1)将矿纤材料进行干燥处理，在表面喷洒硅烷偶联剂溶液混合，经干燥、冷却后得到表面处理后的矿纤材料；
2)按配比将所述PC、ABS、倍半硅系阻燃剂、稳定剂、增韧剂、抗滴落剂、相容剂、偶联剂和防浮纤外漏剂同时加入到高速混合机中，高速混合2-10min，得到主喂料混合物；
3)将上述主喂料混合物投入啮合同向双螺杆挤出机中熔融挤出，并按配比将有机磷系阻燃剂、表面处理后的矿纤材料通过侧喂料计量加入，经熔融反应、挤出、冷却、切粒、干燥、得到本实施例的无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料。
所述啮合同向双螺杆挤出机的长径比40：1，共有螺筒筒体9节，每节筒体长320mm，螺筒总长度为2880mm，其中，第1节为上开口筒体，包括主喂料混合物的上开口；第4节为上开口筒体，包括加入矿纤材料和自然排气的上开口；第6节为上开口筒体，包括加入倍半硅系阻燃剂和有机磷系阻燃剂的上开口；第8节筒体包括真空口，配有抽真空的装置；第9节为机头体，第2、3、5、7、9节均为闭口筒体。
所述啮合同向双螺杆挤出机的工艺条件为：双螺杆挤出机加料段温度为180-225℃，塑化段温度为235℃-245℃，均化段温度为230℃-240℃，机头温度215℃-230℃，主机频率设为20-45Hz，螺杆转速400-600rpm，真空度为-0.04-0.1MPa，注塑模具温度应控制在80-100℃。
熔融挤出所使用的挤出机选自单螺杆或双螺杆挤出机，挤出处理过程的条件如下：一区220-230℃、二区235-240℃、三区235-240℃、四区235-240℃、五区240-250℃、六区245-250℃、七区240-245℃、八区235-240℃、九区250-270℃；螺杆转速300-450转/分钟。
本实施例的无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料通过合理选用助剂及各项原料配比，添加矿纤材料和复合阻燃剂，通过合理优化的螺杆组合，在获得高光、高强、高刚、阻燃性能的同时，维持无卤阻燃矿纤增强PC/ABS材料具有优异的冲击强度和合理的熔体流动速率、热变形温度与维卡软化点温度等，替代传统玻纤增强材料，克服传统玻纤增强材料对螺杆及模具的损伤，无需高光蒸汽注塑工艺即可实现高光镜面效果，可应用在更大尺寸、更薄要求的领域。
实施例1
将质重量比PC 59.8％、ABS 10％、POSS 0.2％、抗滴落剂DB105 0.3％、相容剂SMA7002.0％、复配增韧剂4.0％(是高胶粉、MBS、酸性聚乙烯蜡的混合物，质量比为1:2:1)、稳定剂0.1％、偶联剂KH550 0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP8.0％、滑石粉15％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
实施例2
将质量比PC 64.8％、ABS 10％、POSS 0.2％、抗滴落剂0.3％、相容剂SMA7002.0％、复配增韧剂4.0％(是高胶粉、MBS、酸性聚乙烯蜡的混合物，质量比为1:2:1)、稳定剂0.1％、偶联剂KH550 0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP 8.0％、滑石粉10％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
实施例3
将质量比PC 54.8％、ABS 10％、POSS 0.2％、抗滴落剂0.3％、相容剂SMA7002.0％、复配增韧剂4.0％(是高胶粉、MBS、酸性聚乙烯蜡的混合物，质量比为1:2:1)、稳定剂0.1％、偶联剂KH550 0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP 8.0％、滑石粉20％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
对比例1
将重量比PC 59.8％、ABS 10％、POSS 0.2％、抗滴落剂0.3％、相容剂2.0％、MBS增韧剂4.0％、稳定剂0.1％、偶联剂0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP8.0％、滑石粉15％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
对比例2
将重量比PC 59.8％、ABS 10％、抗滴落剂0.3％、相容剂2.0％、MBS增韧剂4.0％、稳定剂0.1％、偶联剂0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP 12.0％、滑石粉15％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
对比例3
将重量比PC 59.8％、ABS 10％、磺酸盐类阻燃剂0.2％、抗滴落剂0.3％、相容剂2.0％、复配增韧剂4.0％、稳定剂0.1％、偶联剂0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP 8.0％、滑石粉15％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
对比例4
将重量比PC 59.8％、ABS 10％、抗滴落剂0.3％、相容剂2.0％、增韧剂4.0％、稳定剂0.1％、偶联剂0.3％、防玻纤外漏剂0.3％、在搅拌桶中搅拌5分钟，BDP 12.0％、玻纤15％通过计量秤侧喂料添加，经双螺杆挤出机熔融挤出造粒。其加工工艺如下：双螺杆挤出机一区180℃、二区250℃、三区250℃、四区250℃、五区230℃、六区210℃、七区210℃、八区210℃、八区260℃；螺杆转速300-450转/分钟。
将本发明实施例达到技术指标如下：
Figure BDA0001436331250000071
通过实施例1与对比例1比较，可发现复配增韧剂的增韧效果远远高于普通MBS增韧剂，主要是由于酸性聚乙烯蜡可以和矿纤材料发生反应，增加无机矿纤与有机高分子基材的相容性，同时酸性聚乙烯蜡可中和矿纤中碱金属氧化物所带碱性对PC材料的降解作用。
通过实施例1与对比例2比较，可发现倍半硅系阻燃剂可极大降低BDP阻燃剂的使用量，提高材料的耐温性和冲击强度。
通过实施例1与对比例3比较，可发现倍半硅系阻燃剂能更大限度保持材料的冲击性能，而磺酸盐类阻燃剂则降低材料的抗冲击性能及热变形温度。
通过实施例1与对比例4比较，可发现矿纤材料可完全替代玻纤增强材料使用，同时还能实现高光镜面的效果。
以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS复合材料，其特征在于，其组分及重量份为：PC35-55份、ABS 5-10份、倍半硅系阻燃剂0.1-0.3份、有机磷系阻燃剂6-12份、抗滴落剂0.1-0.3份、相容剂2.0-5.0份、增韧剂2-5份、稳定剂0.1-1份、矿纤材料10-25份、偶联剂0.3-1份、防浮纤外漏剂0.3-0.6份；所述增韧剂为高胶粉、MBS、酸性聚乙烯蜡的混合物，质量比为1:2:1。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述PC在300℃/1.2KG条件下熔融指数为10-40g/min。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述倍半硅系阻燃剂为POSS、倍半硅氧烷、PDMS、聚硅烷中的一种或几种；所述有机磷系阻燃剂为磷酸二甲苯酯、BDP、次膦酸盐、三聚氰胺磷酸盐或磷酸盐的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于，所述倍半硅系阻燃剂为POSS，所述有机磷系阻燃剂为BDP。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述稳定剂为有活性基团环氧基的扩链剂、受阻酚类抗氧剂和磷酸酯类抗氧剂的混合物，质量比为1:1:1。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述防浮纤外露剂为内外润滑剂、脱模剂、分散剂与酸性聚乙烯蜡复配得到，质量比为5:3:6:3。
7.根据权利要求1-6任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤为：
1）将矿纤材料进行干燥处理，在表面喷洒硅烷偶联剂溶液混合，经干燥、冷却后得到表面处理后的矿纤材料；
2）按配比将所述PC、ABS、倍半硅系阻燃剂、稳定剂、增韧剂、抗滴落剂、相容剂、偶联剂和防浮纤外漏剂同时加入到高速混合机中，高速混合，得到主喂料混合物；
3）将上述主喂料混合物投入双螺杆挤出机中熔融挤出，并按配比将有机磷系阻燃剂、表面处理后的矿纤材料通过侧喂料计量加入，经熔融反应、挤出、冷却、切粒、干燥、得到无卤阻燃高光矿纤增强PC/ABS材料。
8.根据权利要求7所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述双螺杆采用啮合同向双螺杆挤出机，长径比40：1，有螺筒筒体9 节，每节筒体长320mm，第1节为上开口筒体，包括主喂料混合物的上开口；第4节为上开口筒体，包括加入矿纤材料和自然排气的上开口；第6节为上开口筒体，包括加入有机磷系阻燃剂的上开口；第8节筒体包括真空口，配有抽真空的装置；第9 节为机头体，第2、3、5、7、9 节均为闭口筒体。
9.根据权利要求8所述的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述啮合同向双螺杆挤出机的工艺条件为：双螺杆挤出机加料段温度为180-225℃，塑化段温度为235℃-245℃，均化段温度为230℃-240℃，机头温度215℃-230℃，主机频率设为20-45Hz，螺杆转速400-600rpm，真空度为-0.04-0.1MPa，注塑模具温度应控制在80-100℃。
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