CN111171542A - 一种高cti阻燃聚碳酸酯合金材料及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料及其制备方法和用途，由以下重量百分比原料制成：聚碳酸酯55‑95％、间规聚苯乙烯1‑40％、成核剂0.01‑5％、增韧剂1‑10％、阻燃剂0.05‑2％。成核剂为纳米CaCO3、纳米二氧化钛、纳米黏土、高岭土、云母粉、碳纳米管、有机硅橡胶、滑石粉、镁铝水滑石中的一种或多种。上述成核剂体系能够起到协同效应，促进间规聚苯乙烯结晶及晶型结构的改变，进而赋予聚碳酸酯合金材料高的CTI值，同时保持聚碳酸酯合金材料的阻燃性能、力学性能。适用于家用电器、墙壁开关及充电桩领域。

Description

一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料及其制备方法和用途，本发明属于高分子共混、高分子成型加工领域。
背景技术
随着生活水平的提高，用户对家电的使用性能和安全性能都越来越重视，不仅要求外观美观、性能优异，也要求家电具有更高的安全性能。如对于无人看管的白色家电，除了要满足阻燃性能外，还要求具有较高的电性能，要求相对漏电起痕指数(CTI)≥300V。
聚碳酸酯(PC)材料作为电器材料使用，具有优异的拉伸强度、冲击强度、尺寸稳定性和热性能，应用十分广泛。为满足阻燃要求，电器材料中一般采用阻燃聚碳酸酯合金材料，其多为凝聚相阻燃机理，通过形成碳层来提高其阻燃特性，但碳层是电流的良导体，碳层的形成使得阻燃聚碳酸酯合金的CTI较低，一般不超过250V。因此为满足用户需求，迫切需要开发高CTI阻燃聚碳酸酯合金产品。
为了提高聚碳酸酯的阻燃性能和电性能，人们做了很多研究工作，专利CN108129825公布了一种高CTI、高耐热无卤阻燃PC/ABS组合物及其制备方法，该专利通过选用自制磷硅聚合物与多孔材料的复配体系，在电场和电解液作用下，形成不连续的网状碳层结构，使PC/ABS树脂具有高的CTI值和高的热变形温度，但该专利中磷硅聚合物的合成工艺复杂，不适宜大规模推广，另一方面多孔无机材料添加比例高，和有机基体的相容性差，对制品性能造成影响。
专利CN 103160102公布了一种高性能阻燃PC/PET合金材料及其制备方法，该专利由以下重量份的组分制成：聚碳酸酯50～90份，聚对苯二甲酸乙二醇酯2～20份，阻燃剂6～20份，增韧剂2～10份，酯交换抑制剂1～3份，光热稳定剂0.1～1份，润滑剂0.1～1份。该专利阻燃体系中不涉及三氧化二锑等协效阻燃剂，该合金材料的阻燃性能与灼热丝引燃温度和漏电起痕指数得到了均衡改善，同时具有力学性能较好，外观良好、加工成型好等特点，但该专利使用溴系阻燃剂，因此使用受限，同时由于PET的添加，使得合金材料的耐热性较低。
因此，迫切需要开发一种新的聚碳酸酯合金材料，具备高CTI、良好阻燃、高耐热及优异力学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，能够显著提高聚碳酸酯合金材料的CTI和阻燃特性，同时又具备优异的耐热性、力学性能。
本发明的另一目的在于提供该高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供该高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料在家用电器、墙壁开关及充电桩中的应用。
为了实现以上发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，基于合金材料的重量，包括以下组分：
Figure BDA0001860497670000021
本发明中，所述聚碳酸酯树脂为芳香族聚碳酸酯、脂肪族聚碳酸酯和芳香-脂肪族聚碳酸酯中的一种或多种，优选双酚A型聚碳酸酯；所述双酚A型聚碳酸酯的熔融指数优选为7-35g/10min。
本发明中，所述间规聚苯乙烯的间规度在98％以上，优选99％以上，间规聚苯乙烯的数均分子量为8-30万，优选间规聚苯乙烯的数均分子量为10-20万。例如可以使用日本出光S100，间规度≥99％。
本发明中，所述成核剂为纳米CaCO3、纳米二氧化钛、纳米黏土、高岭土、云母粉、碳纳米管、有机硅橡胶、滑石粉、镁铝水滑石中的一种或多种；优选的是，所述成核剂是纳米CaCO3与选自于纳米二氧化钛、纳米黏土、高岭土、云母粉、碳纳米管、有机硅橡胶、滑石粉、镁铝水滑石中的一种或多种物质的结合物；更优选是纳米CaCO3和有机硅橡胶的混合物。更优选纳米CaCO3和有机硅橡胶的质量比为1：1～9：1，进一步优选1：1～4：1。有机硅橡胶选自交联直链状聚二甲基硅氧烷、聚甲基硅倍半氧烷、有机硅复合粉中的一种或多种，优选交联直链状聚二甲基硅氧烷，粒度范围是5～80μm，例如日本信越X-52-875(平均粒径为30um)、日本信越KMP-597(平均粒径为5um)。纳米CaCO3、纳米二氧化钛、纳米黏土、碳纳米管的粒度范围可以是1-100nm。高岭土、云母粉、滑石粉、镁铝水滑石的优选粒度范围是100nm—10μm。
本发明中，所述增韧剂选自苯乙烯接枝马来酸酐、苯乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-有机硅-丙烯酸共聚物中的一种或几种，优选苯乙烯接枝马来酸酐，例如可以使用美国克雷威利公司的SMA 2021，MA的含量为29wt％。
本发明中，所述阻燃剂为磺酸盐阻燃剂、硅系阻燃剂、磷腈类阻燃剂、无机磷阻燃剂、有机磷阻燃剂中的一种或几种，优选为磺酸盐阻燃剂，进一步优选为全氟丁基磺酸钾。
本发明中，基于高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料的总重量和，按重量百分比计，所述材料还任选地包括：
0-10wt％，优选0.1-3wt％塑料添加剂，所述塑料添加剂包括抗滴落剂、抗氧剂和润滑剂中的一种或多种混合。
所述抗滴落剂优选为包覆型和/或纯粉型聚四氟乙烯，优选包覆型聚四氟乙烯，更优选苯乙烯-丙烯腈包覆聚四氟乙烯。所述抗滴落剂添加量占阻燃聚碳酸酯合金材料重量和的0-5wt％，优选0.1-2wt％。
所述抗氧剂可包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，主抗氧剂包括β-[3,5-二叔丁基-4-羟基苯基]丙酸正十八碳醇酯、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯等中的一种或多种，所述辅助抗氧剂包括三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯、双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯等中的一种或多种。
所述润滑剂可以选自季戊四醇硬脂酸脂(PETS)和/或硅酮粉。
所述抗氧剂及润滑剂添加量之和占阻燃聚碳酸酯合金材料重量和的0-2wt％，优选0.2-1wt％。
本发明还提供了上述高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料的制备方法，包括以下步骤：
按比例称取聚碳酸酯、间规聚苯乙烯、成核剂、增韧剂、阻燃剂、任选的塑料添加剂于混合器内混合。将混合均匀的上述物质加入双螺杆挤出机中，物料熔融挤出后造粒。
双螺杆挤出机的机筒温度为270～320℃，螺杆转速为100-800RPM。
本发明进一步提供了上述高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料用于家用电器、墙壁开关及充电桩等领域的用途。
本发明的有益效果如下：
采用无机与有机复配成核剂体系，促进间规聚苯乙烯结晶度的提高和晶型结构的改变，进而赋予聚碳酸酯合金高的CTI值及阻燃特性。
采用增韧剂提高聚碳酸酯和间规聚苯乙烯的相容性，得到高耐热、高机械性能的聚碳酸酯合金产品。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
聚碳酸酯树脂：万华化学集团股份有限公司A1105，300℃1.2kg下熔融指数为10g/10min。
间规聚苯乙烯树脂：日本出光S100，间规度≥99％。
通用级聚苯乙烯：上海赛科232，200℃/5kg下熔融指数为3.8cm3/10min。
全氟丁基磺酸钾：3M公司FR2025。
纳米碳酸钙：北京德科岛金科技有限公司粒径为20nm。
有机硅橡胶：日本信越X-52-875平均粒径为30um。
日本信越KMP-597平均粒径为5um。
增韧剂：SMA 2021美国克雷威利公司MA的含量为29wt％。
抗滴落剂：广州熵能聚合物技术有限公司SN3300B3，苯乙烯-丙烯腈包覆型聚四氟乙烯，其中苯乙烯-丙烯腈与聚四氟乙烯的质量比为1:1。
抗氧剂：β-[3,5-二叔丁基-4-羟基苯基]丙酸正十八碳醇酯(1076)与三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(168)以质量比1:1进行混合后添加。
润滑剂：季戊四醇硬脂酸酯(PETS)，美国龙沙。
实施例1
(1)称取A1105为9.5kg，S100为0.1kg，纳米碳酸钙为0.04kg，X-52-875为0.04kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.3kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、320℃、320℃、320℃、320℃、320℃、320℃、310℃、310℃。口模温度为310℃，挤出转速为100RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例2
(1)称取A1105为9kg，S100为0.5kg，纳米碳酸钙为0.072kg，X-52-875为0.008kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.4kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、290℃、290℃。口模温度为290℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例3
(1)称取A1105为9kg，S100为0.5kg，纳米碳酸钙为0.005kg，X-52-875为0.005kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.47kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、290℃、290℃。口模温度为290℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例4
(1)称取A1105为8kg，S100为1.5kg，纳米碳酸钙为0.06kg，KMP-597为0.06kg，FR2025为0.03kg，SMA2021为0.35kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、290℃、290℃、290℃、290℃、290℃、290℃、280℃、280℃。口模温度为280℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例5
(1)称取A1105为8kg，S100为1.35kg，纳米碳酸钙为0.2kg，X-52-875为0.1kg，FR2025为0.05kg，SMA2021为0.3kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、290℃、290℃、290℃、290℃、290℃、290℃、280℃、280℃。口模温度为280℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例6
(1)称取A1105为7kg，S100为2.55kg，纳米碳酸钙为0.025kg，X-52-875为0.025kg，FR2025为0.1kg，SMA2021为0.3kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、270℃。口模温度为270℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例7
(1)称取A1105为7kg，S100为2.2kg，纳米碳酸钙为0.12kg，X-52-875为0.05kg，FR2025为0.03kg，SMA2021为0.6kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、270℃。口模温度为270℃，挤出转速为800RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例8
(1)称取A1105为6.5kg，S100为1.98kg，纳米碳酸钙为0.4kg，X-52-875为0.1kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为1kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、270℃。口模温度为270℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例9
(1)称取A1105为6.3kg，S100为3kg，纳米碳酸钙为0.1kg，X-52-875为0.07kg，FR2025为0.03kg，SMA2021为0.5kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、270℃。口模温度为270℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例10
(1)称取A1105为6kg，S100为3kg，纳米碳酸钙为0.1kg，X-52-875为0.09kg，FR2025为0.01kg，SMA2021为0.8kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、280℃、270℃、270℃。口模温度为270℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
实施例11
(1)称取A1105为5.5kg，S100为4kg，纳米碳酸钙为0.0005kg，X-52-875为0.0005kg，FR2025为0.005kg，SMA2021为0.494kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、260℃、270℃、270℃、270℃、270℃、270℃、270℃、260℃、260℃。口模温度为260℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
对比例1
(1)称取A1105为9.5kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.48kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、320℃、320℃、320℃、320℃、320℃、320℃、310℃、310℃。口模温度为310℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
对比例2
(1)称取A1105为8kg，上海赛科232为1.68kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.3kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、290℃、290℃。口模温度为290℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
对比例3
(1)称取A1105为8kg，S100为1.68kg，FR2025为0.02kg，SMA2021为0.3kg，SN3300B3为0.03g，抗氧剂为0.02kg，PETS为0.03kg；
(2)将称取的物料在高混机内混合5min后出料；
(3)将物料加入到双螺杆挤出机中，挤出机各段温度设定如下所示(从喂料口到机头):80℃、270℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、300℃、290℃、290℃。口模温度为290℃，挤出转速为300RPM,改性料从口模挤出后经水冷造粒。
将实施例1-11和对比例1-3制备的聚碳酸酯合金按ISO 1133、ISO 180-A、ISO306标准测试产品的熔融指数、冲击性能、维卡软化点，按美国电工协会UL94标准测试其阻燃性能，按国际电工委员会IEC60112标准测试其CTI，结果如表1、2所示。
表1性能测试结果
Figure BDA0001860497670000071
表2性能测试结果
Figure BDA0001860497670000072
从以上对比例及实施例看，通过添加间规聚苯乙烯、成核剂及增韧剂，实施例中产品CTI较对比例有了明显提高，同时也具有优异的阻燃性能、耐热性、力学性能和加工性能。

Claims (10)

1.一种高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，基于合金材料的重量，包括以下组分：
Figure FDA0001860497660000011
2.根据权利要求1所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述聚碳酸酯树脂为芳香族聚碳酸酯、脂肪族聚碳酸酯和芳香-脂肪族聚碳酸酯中的一种或多种，优选双酚A型聚碳酸酯；所述双酚A型聚碳酸酯的熔融指数优选为7-35g/10min。
3.根据权利要求1或2所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述间规聚苯乙烯的间规度在98％以上，优选99％以上，间规聚苯乙烯的数均分子量为8-30万，优选间规聚苯乙烯的数均分子量为10-20万。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述成核剂为纳米CaCO3、纳米二氧化钛、纳米黏土、高岭土、云母粉、碳纳米管、有机硅橡胶、滑石粉、镁铝水滑石中的一种或多种；优选的是，所述成核剂是纳米CaCO3与选自于纳米二氧化钛、纳米黏土、高岭土、云母粉、碳纳米管、有机硅橡胶、滑石粉、镁铝水滑石中的一种或多种物质的组合；更优选是纳米CaCO3和有机硅橡胶的混合物，更优选纳米CaCO3和有机硅橡胶的质量比为1：1～9：1。
5.根据权利要求4所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述有机硅橡胶选自交联直链状聚二甲基硅氧烷、聚甲基硅倍半氧烷、有机硅复合粉中的一种或多种，优选交联直链状聚二甲基硅氧烷，粒度范围是5～80μm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述增韧剂选自苯乙烯接枝马来酸酐、苯乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-有机硅-丙烯酸共聚物中的一种或几种，优选苯乙烯接枝马来酸酐。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述阻燃剂为磺酸盐阻燃剂、硅系阻燃剂、磷腈类阻燃剂、无机磷阻燃剂、有机磷阻燃剂中的一种或几种，优选为磺酸盐阻燃剂，进一步优选为全氟丁基磺酸钾。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料，其特征在于，基于聚碳酸酯合金材料的总重量和，按重量百分比计，所述材料还任选地包括：
0-10％，优选0.1-3％塑料添加剂，所述塑料添加剂包括抗滴落剂、抗氧剂、润滑剂中的一种或多种混合。
9.制备权利要求1-8所述的高CTI阻燃聚碳酸酯合金材料的方法，其包括以下步骤：
按比例称取聚碳酸酯、间规聚苯乙烯、成核剂、增韧剂、阻燃剂、任选的塑料添加剂于混合器内混合，将混合均匀的上述物质加入双螺杆挤出机中，物料熔融挤出后造粒；
优选地，双螺杆挤出机的机筒温度为270～320℃，螺杆转速为100-800RPM。
10.权利要求1-8中任一项所述的或由权利要求9所述的方法制备的高CTI阻燃聚碳酸酯合金用于家用电器、墙壁开关或充电桩中的应用。
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