CN111171548B - 一种高cti、低温超韧阻燃pc材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料及其制备方法。一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，按照重量百分比计算，包括以下组分：PC树脂44～66％、含硅PC树脂20～30％、磷系阻燃剂5～8％、高CTI添加剂8～15％、抗氧剂0.1～1％、润滑剂0.1～1％和抗滴落剂0.2～1％；其中，所述高CTI添加剂为低分子量的PTFE，所述抗滴落剂为高分子量的PTFE。本发明的目的在于提出一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料及其制备方法，制备得到的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，阻燃性能达到UL94的1.6mmV‑0级，CTI提高到500V，同时低温韧性使其能够满足低温环境的使用需求。

Description

一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料及其制备方法。
背景技术
阻燃聚碳酸酯(PC)是一种综合性能优异的阻燃材料，满足国家要求的防火等级，目前已广泛用于室内电器等领域，如监控外壳，液晶显示器，家用电器等产品。但是，随着新能源汽车的发展，新能源汽车充电桩对材料有了新的要求，国家标准对充电用材料的物性性能，耐候性能，加工性能和电气性能等方面提出了要求，其中外饰材料首先要满足环境要求，因此对材料的低温性能有了较高的要求，普通的阻燃PC材料在低温下满足不了需求。其次，家用电器，充电桩，电子连接器等要求材料要具有良好的绝缘性能从而满足安全使用的要求，而普通的阻燃PC材料CTI为175V，其绝缘性能已满足不了现在行业对材料的要求。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，阻燃性能达到UL94的1.6mmV-0级，CTI提高到500V，同时低温韧性使其能够满足低温环境的使用需求,IZOD缺口冲击1/8在-40℃下符合400J/m。
本发明的另一目的在于提出一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的制备方法，使用该方法制备一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，方法简单，生产稳定，材料具有较高的CTI，且具有低温超韧阻燃的特点，能够在电子电器等领域中应用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，按照重量百分比计算，包括以下组分：
Figure BDA0002395159690000021
其中，所述高CTI添加剂为低分子量的PTFE，所述抗滴落剂为高分子量的PTFE。
优选的，所述高CTI添加剂为中等粒径的PTFE，所述高CTI添加剂的相对分子量为80000～150000g/mol，粒径为5～10μm。
优选的，所述抗滴落剂的相对分子量为2500000～4000000g/mol。
优选的，所述PC树脂为双酚A型聚碳酸酯，所述PC树脂的相对分子量为20000～28000g/mol。
优选的，所述含硅PC树脂为硅氧烷PC树脂，所述含硅PC树脂中硅的质量含量为15～25％。
优选的，所述磷系阻燃剂中磷的质量含量为10～25％。
优选的，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的混合物，所述主抗氧剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基-苯基)丙酸十八酯中的一种或两种的混合物，所述辅抗氧剂为硫代二丙酸二月桂酯、硫代二丙酸二硬脂酸酯、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、双(2，4-二叔丁基)季四醇二亚磷酸酯和季戊四醇双亚磷酸酯二(十八醇)酯中的一种或几种的混合物。
优选的，所述润滑剂为硅烷聚合物、脂肪酸盐、脂肪酸酰胺、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺和聚烯烃蜡中的一种或几种的混合物。
所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将PC树脂、含硅PC树脂、磷系阻燃剂、高CTI添加剂、抗氧剂、润滑剂和抗滴落剂按重量百分比称取备用；
B、将步骤A中称取的各组分混合均匀；
C、将步骤B中得到的混合物经双螺杆挤出造粒后，得到高CTI、低温超韧阻燃PC材料。
优选的，所述步骤C中，所述双螺杆挤出造粒的挤出温度为210～280℃，螺杆转速为400～600rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在体系中添加低分子量和中等粒径的高绝缘PTFE聚合物作为高CTI添加剂，能够破坏材料表面形成的导电通路从而提高材料的CTI。同时，在体系中加入磷系阻燃剂提高材料阻燃性能，同时添加高分子量的PTFE作为抗滴落剂，能够在体系中纤维化从而形成网状结构，起到防滴落及稳定阻燃的作用，加入含硅PC树脂，材料低温性能可以得到很大的提升，使得该材料具有较高的CTI，且具有低温超韧阻燃的特点，阻燃性能达到UL94的1.6mmV-0级，CTI提高到500V，同时低温韧性使其能够满足低温环境的使用需求，能广泛应用于电子连接器，充电枪等领域。
具体实施方式
一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，按照重量百分比计算，包括以下组分：
Figure BDA0002395159690000041
其中，所述高CTI添加剂为低分子量的PTFE，所述抗滴落剂为高分子量的PTFE。
聚合物漏电起痕(CTI)决定于材料表面游离碳的生成与堆积，绝缘塑料的CTI值越高，则其耐漏电性越好。含有芳香基团的PC基材由于含有活性电子结构，电痕化后易形成类似石墨结构的导电黑色残留物，成炭性较高，其CTI较低，一般为175V，本发明在体系中添加低分子量和中等粒径的PTFE作为高CTI添加剂，能够破坏材料表面形成的导电通路从而提高材料的CTI，限定其添加量，如果添加量过少，则对材料的CTI提高作用小，如果添加量过多，则容易使材料的冲击性能下降。同时，在体系中加入磷系阻燃剂提高材料阻燃性能，添加高分子量的PTFE作为抗滴落剂,能够在体系中纤维化从而形成网状结构，起到防滴落及稳定阻燃的作用。此外，加入含硅PC树脂，材料低温性能可以得到很大的提升，使得该材料具有较高的CTI，且具有低温超韧阻燃的特点，阻燃性能达到UL94的1.6mmV-0级，CTI提高到500V，同时低温韧性使其能够满足低温环境的使用需求，能广泛应用于电子连接器，充电枪等领域。
需要说明的是，所述PTFE为聚四氟乙烯。
优选的，一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，由PC树脂、含硅PC树脂、磷系阻燃剂、高CTI添加剂、抗氧剂、润滑剂和抗滴落剂组成，各组分的重量百分比之和为100％。
优选的，所述高CTI添加剂为中等粒径的PTFE，所述高CTI添加剂的相对分子量为80000～150000g/mol，粒径为5～10μm。
限定所述高CTI添加剂的相对分子量和粒径范围，选用低分子量和中等粒径的PTFE，相对分子量和粒径在该范围内的所述高CTI添加剂具有良好流动性和分散性，使材料易于加工及性能稳定，如果所述高CTI添加剂的相对分子量过大，粒径过大，则容易在材料中分布不均匀，对CTI的提高效果差。
优选的，所述抗滴落剂的相对分子量为2500000～4000000g/mol。
所述抗滴落剂为高分子量的PTFE，能够起到抗滴落剂的作用，稳定阻燃，增强熔体强度，起到阻燃抗滴落作用，使材料的阻燃性能达到更高标准，限定所述抗滴落剂的相对分子量，如果相对分子量过小，阻燃抗滴落效果差。
优选的，所述PC树脂为双酚A型聚碳酸酯，所述PC树脂的相对分子量为20000～28000g/mol。
使用双酚A聚碳酸酯，具有优良的力学性能和抗冲击性能，限定所述PC树脂的相对分子量，如果相对分子量过高，则所述PC树脂的流动性差，影响其加工性能，加工困难；如果相对分子量过低，则其力学性能降低，冲击性能下降，无法满足室外充电桩对材料物理性能的要求。
优选的，所述含硅PC树脂为硅氧烷PC树脂，所述含硅PC树脂中硅的质量含量为15～25％。
体系中使用较高硅含量的含硅PC树脂，可以提高材料的低温韧性，此外还有阻燃协效作用，能够进一步提高材料的阻燃性能，限定所述含硅PC树脂中硅的质量含量，如果所述含硅PC树脂中硅的质量含量过低，对低温韧性的提高效果不明显。
优选的，所述磷系阻燃剂中磷的质量含量为10～25％。
在体系中添加所述磷系阻燃剂，能够提高材料的CTI，使用较高磷含量的磷系阻燃剂，热稳定性好，如果所述磷系阻燃剂中磷的质量含量过小，对材料的CTI影响小，如果所述磷系阻燃剂中磷的质量含量过大，则容易影响材料的力学性能。
优选的，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的混合物，所述主抗氧剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基-苯基)丙酸十八酯中的一种或两种的混合物，所述辅抗氧剂为硫代二丙酸二月桂酯、硫代二丙酸二硬脂酸酯、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、双(2，4-二叔丁基)季四醇二亚磷酸酯和季戊四醇双亚磷酸酯二(十八醇)酯中的一种或几种的混合物。
通过添加所述抗氧剂，能够提高所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的抗氧效果，延缓材料的老化降解，采用主抗氧剂和辅抗氧剂协同能够有效提高抗氧效果。
优选的，所述润滑剂为硅烷聚合物、脂肪酸盐、脂肪酸酰胺、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺和聚烯烃蜡中的一种或几种的混合物。
通过添加润滑剂，可以提高材料的加工流动性，从而在加工的过程中降低粘度及降低热损耗，提高材料的加工性能。
所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的制备方法，包括以下步骤：
A、将PC树脂、含硅PC树脂、磷系阻燃剂、高CTI添加剂、抗氧剂、润滑剂和抗滴落剂按重量百分比称取备用；
B、将步骤A中称取的各组分混合均匀；
C、将步骤B中得到的混合物经双螺杆挤出造粒后，得到高CTI、低温超韧阻燃PC材料。
通过在体系中加入添加低分子量和中等粒径的高绝缘PTFE聚合物作为高CTI添加剂，提高材料的CTI，同时添加磷系阻燃剂提高材料的阻燃性能，高分子量的PTFE作为抗滴落剂能够起到防滴落及稳定阻燃的作用，此外，加入含硅PC树脂提升材料的低温韧性，通过所述制备方法制备所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，制备方法简单，生产稳定，材料具有较高的CTI，且具有低温超韧阻燃的特点，能够在电子电器等领域中广泛应用。
优选的，所述步骤C中，所述双螺杆挤出造粒的挤出温度为210～280℃，螺杆转速为400～600rpm。
限定所述双螺杆挤出造粒的挤出温度和螺杆转速，如挤出温度过高，则过高的温度容易导致PC材料降解，如挤出温度过低，材料难以塑化，挤出加工困难；如螺杆转速过高，剪切作用太大，挤出时产生热量多，材料容易发黄变色，如螺杆转速过低，则原料混合分散性差，制品使用性能差。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
性能测试：
(1)塑料材料防火测试：采用可燃性UL-94防火等级测试标准测试；
(2)缺口冲击强度测试：采用STM D256-10(2018)塑料的悬臂梁冲击性能检测的标准试验方法；
(3)相比电痕化指数：采用EC 60112:2009固体绝缘材料在潮湿条件下相对泄痕指数和耐泄痕指数的推荐测定方法。
以下实施例及对比例中采用的原料为：
PC树脂：双酚A型聚碳酸酯，相对分子量为23000g/mol；
含硅PC树脂：硅氧烷PC树脂，硅的质量含量为20％；
磷系阻燃剂：固体磷阻燃剂，磷的质量含量为12％；
高CTI添加剂：相对分子量为100000g/mol，粒径为5～10μm的PTFE；
抗氧剂：2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和硫代二丙酸二硬脂酸酯的混合物，混合质量比为1:1；
润滑剂：硬脂酸丁酯；
抗滴落剂：相对分子量为3000000g/mol的PTFE。
实施例1-12和对比例1-3：
一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，按以下步骤制备：
(1)按照重量百分比计算，各原料按表1原料组分含量称取备用；
(2)将步骤(1)中称取的各组分加入混料桶中混合均匀，得到混合物；
(3)将步骤(2)中得到的混合物加入双螺杆挤出机，进行双螺杆挤出造粒，挤出温度为250℃，螺杆转速为500rpm，得到一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，然后经注塑成型后制得测试样条，进行性能测试。
表1-原料组分含量
Figure BDA0002395159690000081
Figure BDA0002395159690000091
注：“/”表示不含有该成分。
对比例1
选择实施例5进行比较。
在本对比例中，原料组分中的含硅PC树脂，替换为硅的质量含量为10％的硅氧烷PC树脂，其余原料组分、原料用量和制备方法与实施例5一致。
对比例2
选择实施例5进行比较。
在本对比例中，原料组分中的高CTI添加剂，替换为相对分子量为250000g/mol，粒径为15～20μm的PTFE，其余原料组分、原料用量和制备方法与实施例5一致。
对比例3
选择实施例5进行比较。
在本对比例中，原料组分中的抗滴落剂，替换为相对分子量为2000000g/mol的PTFE，其余原料组分、原料用量和制备方法与实施例5一致。
表2-实施例和对比例性能测试
Figure BDA0002395159690000101
Figure BDA0002395159690000111
由上述测试结果可知，当原料组分的含量均在限定范围时，实施例1～6制得的高CTI、低温超韧阻燃PC材料阻燃性能可以达到UL94的1.6mmV-0级，且CTI可以提高到500V，IZOD缺口冲击1/8，在-40℃下均符合400J/m，由于在体系中添加高绝缘PTFE聚合物作为高CTI添加剂，能够破坏材料表面形成的导电通路从而提高材料的CTI，加入磷系阻燃剂有效提高材料阻燃性能，高分子量的PTFE作为抗滴落剂，能够起到防滴落及稳定阻燃的作用，加入含硅PC树脂提高材料低温性能，使得制备得到的材料具有较高的CTI，且具有低温超韧阻燃的特点。
由测试结果可知，实施例7的缺口冲击强度(IZOD缺口冲击1/8，-40℃，400J/m)无法达到要求，由于实施例7没有添加含硅PC树脂，无法提高材料的低温韧性，在低温下冲击强度差，无法满足低温使用的力学要求。实施例8和实施例9的CTI无法达到500V，实施例10的缺口冲击强度(IZOD缺口冲击1/8，-40℃，400J/m)无法达到要求，由于实施例8没有添加高CTI添加剂，而实施例9的高CTI添加剂加入量过小，因此无法对材料的CTI值起到较好的提高效果，CTI无法达到500V，而实施例10的高CTI添加剂的加入量过大，容易使材料的冲击性能下降，材料无法满足缺口冲击强度(IZOD缺口冲击1/8，-40℃，400J/m)的要求。实施例11和实施例12的防火测试失败，由于实施例11的没有加入抗滴落剂，无法起到抗滴落及稳定阻燃的作用，而实施例12没有加入磷系阻燃剂，无法提高材料的阻燃性能。
由实施例5和对比例1可知，当原料组分中的含硅PC树脂，替换为硅的质量含量为10％的硅氧烷PC树脂时，对比例1的缺口冲击强度无法满足IZOD缺口冲击1/8，-40℃，400J/m的要求，由于使用的含硅PC树脂的硅含量降低，对低温韧性的提高效果不明显，无法满足低温环境下高韧性的需求；由实施例5和对比例2可知，当原料组分中的高CTI添加剂替换为相对分子量为250000g/mol，粒径为15～20μm的PTFE时，对比例2的CTI无法达到500V，由于对比例2的高CTI添加剂相对分子量过大，粒径过大，则使得体系的流动性变差，在材料中分布不均匀，对CTI的提高效果较差，CTI无法达到500V；由实施例5和对比例3可知，当原料组分中的抗滴落剂，替换为相对分子量为2000000g/mol的PTFE时，对比例3的阻燃性能变差，无法达到UL94的1.6mmV-0级，由于对比例3使用的抗滴落剂的相对分子量过小，阻燃抗滴落效果差。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，其特征在于，按照重量百分比计算，包括以下组分：
PC树脂 44～66%
含硅PC树脂 20～30%
磷系阻燃剂 5～8%
高CTI添加剂 8～15%
抗氧剂 0.1～1%
润滑剂 0.1～1%
抗滴落剂 0.2～1%；
其中，所述高CTI添加剂为低分子量的PTFE，所述抗滴落剂为高分子量的PTFE；
所述高CTI添加剂为中等粒径的PTFE，所述高CTI添加剂的相对分子量为80000～150000g/mol，粒径为5～10μm；
所述抗滴落剂的相对分子量为2500000～4000000g/mol；
所述含硅PC树脂为硅氧烷PC树脂，所述含硅PC树脂中硅的质量含量为15～25%。
2.根据权利要求1所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，其特征在于，所述PC树脂为双酚A型聚碳酸酯，所述PC树脂的相对分子量为20000～28000g/mol。
3.根据权利要求1所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，其特征在于，所述磷系阻燃剂中磷的质量含量为10～25%。
4.根据权利要求1所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，其特征在于，所述抗氧剂为主抗氧剂和辅抗氧剂的混合物，所述主抗氧剂为2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基-苯基)丙酸十八酯中的一种或两种的混合物，所述辅抗氧剂为硫代二丙酸二月桂酯、硫代二丙酸二硬脂酸酯、三(2，4−二叔丁基苯基)亚磷酸酯、双（2，4-二叔丁基）季四醇二亚磷酸酯和季戊四醇双亚磷酸酯二（十八醇）酯中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料，其特征在于，所述润滑剂为硅烷聚合物、脂肪酸盐、脂肪酸酰胺、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙撑双硬脂酰胺和聚烯烃蜡中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将PC树脂、含硅PC树脂、磷系阻燃剂、高CTI添加剂、抗氧剂、润滑剂和抗滴落剂按重量百分比称取备用；
B、将步骤A中称取的各组分混合均匀；
C、将步骤B中得到的混合物经双螺杆挤出造粒后，得到高CTI、低温超韧阻燃PC材料。
7.根据权利要求6所述的一种高CTI、低温超韧阻燃PC材料的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，所述双螺杆挤出造粒的挤出温度为210～280℃，螺杆转速为400～600rpm。
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