CN108690334A - 一种阻燃pbt/pet合金、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子改性技术领域，提供了一种阻燃PBT/PET合金、制备方法及其应用，其中阻燃PBT/PET合金的组分包括PBT树脂、PET树脂、溴系阻燃剂、协效剂以及增强材料；所述协效剂为复配型协效剂，所述复配型协效剂由锑化合物和高岭土构成；其中，按重量百分比计算，所述的各组分具体含量如下：PBT树脂30～50％；PET树脂5～15％；溴系阻燃剂15～20％；锑化合物0.5～2％；高岭土4～10％；增强材料20～40％；所述的各组分相加的重量百分比为100％。相比于传统技术，本发明所提供的阻燃PBT/PET合金的制备方法能够同时达到UL‑94的V‑0阻燃等级和IEC 60335安全标准，并且力学性能损失很小，极低的锑化合物添加量以及更低的材料成本。
Description
技术领域
本发明属于高分子改性技术领域，涉及一种阻燃PBT/PET合金、制备方法及其应用。
背景技术
PBT即聚对苯二甲酸丁二醇酯，为五大通用工程塑料之一，该塑料具有优良的机械性能，体现在机械强度高、耐疲劳性高、尺寸稳定性高、蠕变小，并且在高温条件下上述性能也极少有变化。在增强改性后可广泛应用于汽车制造、电子电气、仪表仪器、照明用具、家电、纺织、机械和通讯等领域。增强改性的一个分支即为通过熔融共混手段，向PBT中加入玻璃纤维和阻燃添加剂，以此获得增强阻燃PBT材料，在各种电子电器接插件、高电压/超高电压电器开关部件等领域得到更进一步的精细应用。
就此，2009年初欧洲IEC组织(国际电工委员会)提出了无人看管电器使用材料安全标准(IEC 60335)，要求无人看管的家用电器实际材料需满足灼热丝起燃温度(GWIT值)大于等于750℃。
现有技术当中，基于部分环保需要，本领域技术人员通常采用添加氮系阻燃剂和氮磷阻燃剂的方法以使PBT塑料达到上述阻燃要求。我们可以通过下述6个专利文献对部分现有技术加以窥视。
专利文献1，包含次膦酸盐、三聚氰胺与膦酸的缩合物、有机磷酸酯、无碱玻璃纤维等。
专利文献2，阻燃剂选用不含磷的氮基有机阻燃化合物，或其不含磷的盐，和可选的小于1重量份的含磷阻燃化合物，其中含有小于0.1重量份的亚芳基二氧二磷酸四苯酯及其取代的衍生物和低聚的衍生物，其中优选方案中指出氮基有机阻燃化合物选自三聚氰胺氰脲酸酯、三聚氰胺的缩合产物、及其混合物。
专利文献3，PBT工程塑料由PBT树脂、复配阻燃剂、增韧剂、成炭剂组成；其中复配阻燃剂是由溴系阻燃体系A组份、氮系阻燃剂B组份和磷系阻燃体系C组份组成。
专利文献4，PBT材料包括PBT、PET、阻燃剂A、阻燃剂B、阻燃剂C、增韧剂、抗氧剂、润滑剂、玻璃纤维；其中阻燃剂C为三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺氰尿酸盐、微胶囊红磷中的任意一种。
专利文献5，材料包括PBT、PET、POE-g-GMA、MCA阻燃剂、磷酸三苯酯、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、润滑剂、抗氧剂、抗滴落剂、硅灰石、高岭土、玻璃纤维。
专利文献6，PBT增强材料包括PBT树脂、玻璃纤维、溴系阻燃剂、三氧化二锑、MPP、高效抗氧剂、润滑剂。
综上，通过阅读可以发现，利用氮系阻燃剂和氮磷阻燃剂构成膨胀性阻燃体系而达到阻燃的目的已被大范围应用。但我们进一步了解可以知道：三聚氰胺一类物质存在分解温度低、易析出、黑色产品表面差等缺点；磷酸三苯酯与溴系阻燃剂共同存在时加工气味大，且材料反复加工力学性能和灼热丝均会变差；MCA容易导致材料力学性能下滑严重，并且在玻纤体系中效果变差。
本领域另一些技术人员采用添加溴系阻燃剂的方式来解决上述问题，但经过实验证明，溴系阻燃PBT塑料虽然在能够解决上述问题时，同时还能够较为容易的满足UL-94的V-0阻燃等级，但却很难将起燃温度达到750℃以上。若欲同时满足，实施的手段又通常会对塑料的力学性能损害较大，而使得塑料无法达到力学使用要求。卤素阻燃剂的作用机理：游离的卤素和卤化氢具有捕获自由基的作用，即以化学方式捕获燃烧反应所必须的·O或HO·自由基，同时高温释放的卤化氢难燃且比空气密度大。其中，由于碘化物的碳碘键能较小，热稳定差，所以使用最多的为溴化合物和氯化合物。
在20世纪30年代，人们发现了卤素会和锑化合物构成协同作用体系，更容易获得优异的阻燃效果。其机理主要为三氧化二锑与卤化氢反应生成卤氧化锑和水，而后卤氧化锑在245～565℃范围内发生分解生成三卤化锑，三卤化锑气相发挥阻隔氧的作用。但锑作为一种物质资源，存在两大问题。第一点，锑是一种全球性污染物，是目前国际上最为关注的有毒金属之一，其最重要的应用领域之一即为与卤素构成协效阻燃体系，无节制的使用在业内与业外均饱受诟病。第二点，锑作为一种可以提升焊接材料、子弹、轴承性能，以及微电子制造中必不可少的元素，已经被认为是重要的战略资源，如英国地质调查局在2011年下半年将锑列在风险列表第一位；中国是目前世界锑元素的最大供给国家，根据美国地质调查局的报告，2010年的中国生产锑占全球的88.9％；但根据美国地质调查局的统计数据，世界上现有已发现的锑矿藏将在13年内被开采枯竭，这使得锑元素变得更为弥足珍贵。
专利文献7，介绍了一种PBT树脂，包括PBT树脂、溴系阻燃剂、三氧化二锑、玻璃纤维、抗翘曲树脂、抗翘曲填料、增韧剂、偶联剂、抗氧剂、加工助剂。
专利文献8，介绍了一种PBT/PA合金材料，包括PBT、PA、溴系阻燃剂、协效阻燃剂。其中协效阻燃剂为三氧化二锑、云母、高岭土的一种或多种。
专利文献9，介绍了一种PBT/PA合金材料，包括PBT、PA、溴加磷阻燃剂、协效阻燃剂、玻璃纤维。其中协效阻燃剂为三氧化二锑、云母、高岭土的一种或多种。
专利文献10，介绍的高温符合材料，其中基材包括PC、PBT、PET、POE，溴系阻燃剂6～15％，三氧化二锑4～10％，高岭土15～45％。
专利文献11，介绍的聚酯材料包括聚酯基材、溴系阻燃剂、三氧化二锑、高岭土、玻璃纤维。
通过仔细阅读上述专利文献7～11，我们不难发现，技术方案的提供者所添加的三氧化二锑较多以求获得更好的协同效果，但基于上述我们对锑元素的认知，不难发现这种方案设计理念存在严重弊端：完全根据在一定范围内锑元素添加量与阻燃协同效果之间存在的简单正向关系进行研发；三氧化二锑的价格逐年升高，不利于控制最终产品成本而使其逐渐丧失部分或全部商业价值。
由此，塑料阻燃领域当中，急需一种既能满足双阻燃标准、力学性能下降幅度小以及成本可控，又能有效降低锑化合物使用量的PBT阻燃材料。
以下为现有技术文献。
非专利文献
非专利文献1：化学工业出版社出版的《聚合物阻燃新技术》一书。
非专利文献2：化学工业出版社出版的《含氮有机化合物阻燃剂》一书。
专利文献
专利文献1：中国广州市花都科苑企业有限公司于2005年申请并授权的中国发明专利CN2005 1 0021394.X《高CTI值无卤无红磷阻燃增强聚对苯二甲酸丁二醇酯》。
专利文献2：荷兰帝斯曼知识产权资产管理有限公司于2006年申请并授权的PCT优先权中国发明专利CN2006 8 0015308.7《用于电气设备的聚酯模塑组合物》。
专利文献3：中国余姚市凡伟工程塑料有限公司于2010年申请并授权的中国发明专利CN2010 1 0172195.X《无人看管电器用高CTI、高GWIT环保阻燃增强PBT工程塑料及其制备方法》。
专利文献4：中国贝克兰(厦门)新材料有限公司于2016年申请并公开的中国发明专利CN2016 1 0124657.8《一种高灼热丝、高CTI值阻燃玻纤增强PBT及其制备方法》。
专利文献5：中国广东顺德顺炎新材料股份有限公司于2016年申请并公开的中国发明专利CN2016 1 0789332.1《一种低成本870℃灼热丝全程不起燃的PBT及其制备方法》。
专利文献6：中国湖北运来塑胶科技有限公司于2017年申请并公开的中国发明专利CN2017 1 0648286.8《一种高GWIT阻燃PBT增强材料及其制备方法、应用》。
专利文献7：中国厦门市天宇塑料工业有限公司于2014年申请并授权的中国发明专利CN2014 1 0019072.0《一种低翘曲阻燃增强PBT继电器专用料及用途》。
专利文献8：中国合肥杰事杰新材料股份有限公司于2016年申请并公开的中国发明专利CN2016 1 0222367.7《一种导热阻燃PBT/PA合金材料及其制备方法》。
专利文献9：中国合肥杰事杰新材料股份有限公司于2016年申请并公开的中国发明专利CN2016 1 0179632.8《一种高灼热丝起燃温度、高CTI玻纤增强PBT/PA合金材料及其制备方法》。
专利文献10：中国宁波顶名科技有限公司于2017年申请并公开的中国发明专利CN201710891781.1《耐高压耐高温复合材料及其制备方法》。
专利文献11：中国金发科技股份有限公司与中国上海金发科技发展有限公司于2011年联合申请并授权的中国发明专利CN201110196910.8《一种高灼热丝引燃温度的阻燃聚酯材料及其制备方法》。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题与技术矛盾，本发明提供了一种全新的设计思路，所涉及的配方能够有效减少锑化合物的实际使用量，在满足双阻燃标准的情况下，同时保留良好的力学性能、优良的表面和有效降低产品成本投入。
具体的，本发明提供了一种阻燃PBT/PET合金，组分包括PBT树脂、PET树脂、溴系阻燃剂、协效剂以及增强材料；所述协效剂为复配型协效剂，所述复配型协效剂由锑化合物和高岭土构成；其中，按重量百分比计算，所述的各组分具体含量如下：PBT树脂30～50％；PET树脂5～15％；溴系阻燃剂15～20％；锑化合物0.5～2％；高岭土4～10％；增强材料20～40％；所述的各组分相加的重量百分比为100％。(技术方案1)
技术方案1中阻燃PBT/PET合金，各组分具体含量如下：PBT树脂40～45％；PET树脂10～15％；溴系阻燃剂15～18％；锑化合物1～1.5％；高岭土5～10％；增强材料30～40％；所述的各组分相加的重量百分比为100％。(技术方案2)
技术方案2中的阻燃PBT/PET合金，溴系阻燃剂、所述锑化合物以及所述高岭土三者重量之比为(15～12):1:(3.3～6.6)。(技术方案3)
技术方案1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，溴系阻燃剂为芳香族溴化物阻燃剂和/或脂肪族溴化物阻燃剂。(技术方案4)
技术方案4中所述的阻燃PBT/PET合金，所述溴系阻燃剂为四溴双酚A、溴化环氧树脂、十溴二苯乙烷、五溴二苯醚、八溴二苯醚、十溴二苯醚、溴代苯基三甲基氢化茚、二溴新戊二醇及其衍生物、三溴季戊醇及其衍生物、溴化聚苯乙烯、聚溴化苯乙烯、2,4,6-三(三溴苯氧基)-1,3,5-三嗪、四溴双酚S二(2,3-二溴丙基)醚、聚丙烯酸五溴苄酯、聚2,6-二溴苯醚、聚2,4,5-三溴苯乙烯、四溴双酚A聚碳酸酯中的任意一种或几种的混合物。(技术方案5)
技术方案1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，所述锑化合物选自三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸盐中的任意一种或几种的混合物。(技术方案6)
技术方案1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，还包括加工助剂组分，所述加工助剂为增韧剂、冲击改性剂、抗静电剂、紫外吸收剂、着色剂、抗氧剂、脱模剂、热稳定剂、光稳定剂、润滑剂、成核剂、酯交换抑制剂、界面改性剂或扩链剂中的任意一种或几种的混合物。(技术方案7)
技术方案1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，所述增强材料为E玻璃纤维、B玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维、硅灰石纤维、陶瓷纤维、钛酸钾晶须、碱式硫酸镁晶须、碳化硅晶须、二氧化硅、硅酸铝、氧化硅、二氧化钛、滑石、硅灰石、硅藻土、粘土、球状玻璃、云母、石膏、氧化铁、氧化镁和氧化锌等粉状或板状的无机化合物中的任意一种或几种的混合物。(技术方案8)
技术方案1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，所述高岭土的表面经过氨基硅烷偶联剂处理。(技术方案9)
本发明提供了一种阻燃PBT/PET合金的制备方法，包括以下步骤：将PBT树脂和PET树脂干燥处理后，并连同其他各组分混合而得到预混物，一并经螺杆挤出机挤出造粒；其中各组分在主喂料或侧喂料处下料。(技术方案10)
本发明还提供了根据上述技术方案中任一所述的阻燃PBT/PET合金用于制造电子电器接插件、高电压/超高电压电器开关部件的用途。(技术方案11)
相比于传统技术，本发明所提供的阻燃PBT/PET合金的制备方法能够同时达到UL-94的V-0阻燃等级和IEC 60335安全标准的灼热丝起燃温度，并且力学性能损失很小，极低的锑化合物添加量以及更低的材料成本。
为了进一步说明，本发明通过提供下述实施例以求本领域技术人员能够对本发明的宗旨进行清楚地理解。但应当注意，下述各实施例并非是对本发明技术方案的限定，本领域技术人员在对各实施例进行分析和理解的同时，可结合现有知识对本发明提供的技术方案做一系列变形与等效替换，该变形与等效替换而得的新的技术方案亦被本发明囊括在内。
由于本发明无法对实施例进行穷举，因此一些优选的技术特征和优选的技术方案可以进行合理的相互替换或组合，由此而得的新的技术方案亦被囊括在本发明之中。
具体实施方式
下述具体实施方式中，阻燃PBT/PET合金组分按重量百分比计算包括PBT树脂30～50％；PET树脂5～15％；溴系阻燃剂15～20％；锑化合物0.5～2％；高岭土4～10％；增强材料20～40％；其中各组分相加的重量百分比为100％。本申请人在研究过程当中意外的发现：以特定比例混合而成的PBT/PET合金，添加按照某一特定比例复配而成的阻燃剂(包括溴系阻燃剂、锑化合物以及高岭土)，可以获得意想不到的阻燃效果和力学性能。若加入增强材料，特别是玻璃纤维时，效果更佳。所述的特定比例参上。在上述配方中，高岭土并非作为热氧阻隔剂，而是作为特定的协同阻燃体系(卤素-锑协同阻燃体系)的协同效率增强剂存在的——通常芳香族溴化物-三氧化二锑的协同效率值为2.2，脂肪族溴化物-三氧化二锑的协同效率值为4.3。经研究发现，当高岭土的添加量脱离本配方所提供的重量范围时，即过多或过少，均会对最终的阻燃效果造成负面影响。因此我们可以得到以下结论，明显的，高岭土的添加并非是一种阻燃体系内的单纯叠加，而是与卤素以及锑化合物共同形成了更为有效的协同作用，并且这种更为有效的协同作用在基材只包含PBT树脂的情况下体现非常不明显，因此按照配方比例添加PET树脂已形成PBT/PET合金是非常必要的。与此同时，现有技术当中的一些配方(参见背景技术专利文献)，锑化合物的最高极限值可到10％左右。而对本配方进行研究可发现，锑化合物的含量不能大于2％，否则会对灼热丝阻燃测试实验的IEC 60335安全标准的灼热丝起燃温度造成明显的负面影响，可见锑化合物的用量要远小于一些现有技术配方，协效阻燃的效果明显。
为了进一步获得更佳的技术效果，本领域技术人员可以参照以下配比方式：PBT树脂40～45％；PET树脂10～15％；溴系阻燃剂15～18％；锑化合物1～1.5％；高岭土5～10％；增强材料30～40％；所述的各组分相加的重量百分比为100％。特别是在溴系阻燃剂、锑化合物以及高岭土三者重量之比在(15～12):1:(3.3～6.6)的范围内效果最佳。
我们在选择溴系阻燃剂的时候，优选脂肪族溴化物阻燃剂，或同时含有芳香溴和脂肪溴的溴化物阻燃剂(如八溴S醚)。亦可以优选不会产生有毒致癌物质(如PBDD、PBDF)的溴系阻燃剂(如溴化聚苯乙烯、十溴二苯乙烷、溴化环氧树脂)。
而锑化合物的选择可以在三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸盐中任意选择，当然还可以选择上述几种的混合物。最为优选的是三氧化二锑，如下述实施例。但本领域技术人员应当理解，下述实施例选用三氧化二锑，并不影响本领域技术人员对上述其他种类的锑化合物进行合理替换应用以获得相近的技术效果。
添加加工助剂为本领域常规的技术手段，以使材料获得或有助于获得其他的有益属性。如增韧剂、冲击改性剂、抗静电剂、紫外吸收剂、着色剂、抗氧剂、脱模剂、热稳定剂、光稳定剂、润滑剂、成核剂、酯交换抑制剂、界面改性剂和扩链剂。下述实施例与对比例中所添加的各种助剂种类与助剂份数均相等。同样的，本领域技术人员应当理解，添加加工助剂作为常规的技术手段，可以在合理的范围内自由选择，而不会对本发明的保护范围造成限定。
增强材料可以为E玻璃纤维、B玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维、硅灰石纤维、陶瓷纤维、钛酸钾晶须、碱式硫酸镁晶须、碳化硅晶须、二氧化硅、硅酸铝、氧化硅、二氧化钛、滑石、硅灰石、硅藻土、粘土、球状玻璃、云母、石膏、氧化铁、氧化镁和氧化锌等粉状或板状的无机化合物中的任意一种或几种的混合物。优选E玻璃纤维和B玻璃纤维。
为了获得更好的技术效果，在下述实施例当中所用到的高岭土，其表面是经过氨基硅烷偶联剂处理过的。我们发现，偶联剂中的硅烷偶联剂，特别是其中带有氨基的硅烷偶联剂，在本体系中可以发挥明显优异作用。当然，本领域技术人员同样可以选用没有经过偶联剂处理过得无机高岭土作为添加组分，这种技术方案同样符合本发明的技术宗旨。
我们以阻燃PBT/PET合金用于制造电子电器接插件、高电压/超高电压电器开关部件的用途为前提，采用一种阻燃PBT/PET合金的制备方法来制作最终的测试材料，从而获得下述各实施例，并通过同样手段获得对比例。其中这种阻燃PBT/PET合金的制备方法包括以下步骤：将PBT树脂和PET树脂干燥处理后，并连同其他各组分混合而得到预混物，一并经螺杆挤出机挤出造粒；其中各组分在主喂料或侧喂料处下料。
垂直燃烧：按照UL-94标准测试，试验样品为125mm*13mm*0.4/1.6mm。
灼热丝可燃性指数(GWFI)：按照国家标准GB/T 5169.12测试，试验样品为90mm*90mm*0.8mm。垂直燃烧：按照UL-94标准测试。
析出：连续10天在注塑机上加工制件，看模具的腐蚀和析出程度，分别为严重，较严重，轻微，几乎无。
冲击强度：按照国家标准GB/T 1043.1测试。
Claims (11)
1.一种阻燃PBT/PET合金，组分包括PBT树脂、PET树脂、溴系阻燃剂、协效剂以及增强材料；其特征在于，所述协效剂为复配型协效剂，所述复配型协效剂由锑化合物和高岭土构成；其中，按重量百分比计算，所述的各组分具体含量如下：
PBT树脂30～50％；
PET树脂5～15％；
溴系阻燃剂15～20％；
锑化合物0.5～2％；
高岭土4～10％；
增强材料20～40％；
所述的各组分相加的重量百分比为100％。
2.根据权利要求1所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，按重量百分比计算，所述的各组分具体含量如下：
PBT树脂40～45％；
PET树脂10～15％；
溴系阻燃剂15～18％；
锑化合物1～1.5％；
高岭土5～10％；
增强材料30～40％；
所述的各组分相加的重量百分比为100％。
3.根据权利要求2所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，其中所述溴系阻燃剂、所述锑化合物以及所述高岭土三者重量之比为(15～12):1:(3.3～6.6)。
4.根据权利要求1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，其中所述溴系阻燃剂为芳香族溴化物阻燃剂和/或脂肪族溴化物阻燃剂。
5.根据权利要求4所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，所述溴系阻燃剂为四溴双酚A、溴化环氧树脂、十溴二苯乙烷、五溴二苯醚、八溴二苯醚、十溴二苯醚、溴代苯基三甲基氢化茚、二溴新戊二醇及其衍生物、三溴季戊醇及其衍生物、溴化聚苯乙烯、聚溴化苯乙烯、2,4,6-三(三溴苯氧基)-1,3,5-三嗪、四溴双酚S二(2,3-二溴丙基)醚、聚丙烯酸五溴苄酯、聚2,6-二溴苯醚、聚2,4,5-三溴苯乙烯、四溴双酚A聚碳酸酯中的任意一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，所述锑化合物选自三氧化二锑、五氧化二锑、锑酸盐中的任意一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，还包括加工助剂组分，所述加工助剂为增韧剂、冲击改性剂、抗静电剂、紫外吸收剂、着色剂、抗氧剂、脱模剂、热稳定剂、光稳定剂、润滑剂、成核剂、酯交换抑制剂、界面改性剂或扩链剂中的任意一种或几种的混合物。
8.根据权利要求1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，所述增强材料为E玻璃纤维、B玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维、硅灰石纤维、陶瓷纤维、钛酸钾晶须、碱式硫酸镁晶须、碳化硅晶须、二氧化硅、硅酸铝、氧化硅、二氧化钛、滑石、硅灰石、硅藻土、粘土、球状玻璃、云母、石膏、氧化铁、氧化镁和氧化锌等粉状或板状的无机化合物中的任意一种或几种的混合物。
9.根据权利要求1～3中任一所述的阻燃PBT/PET合金，其特征在于，所述高岭土的表面经过氨基硅烷偶联剂处理。
10.一种阻燃PBT/PET合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将PBT树脂和PET树脂干燥处理后，并连同其他各组分混合而得到预混物，一并经螺杆挤出机挤出造粒；其中各组分在主喂料或侧喂料处下料。
11.根据上述权利要求中任一所述的阻燃PBT/PET合金用于制造电子电器接插件、高电压/超高电压电器开关部件的用途。
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