CN115505243B - 一种高cti、高灼热丝起燃温度无卤阻燃增强pbt复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：将PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂混合，熔融挤出，冷却后即得到PBT复合材料。与现有技术相比，本发明可以有效提高PBT材料的力学强度和抗冲击能力，达到拉伸强度在110MPa以上，缺口冲击强度≥8kJ/m2，同时CTI协效剂与阻燃剂、聚烯烃之间的协同作用，使得材料CTI可达到600V，阻燃性具有UL‑94标准0.4mm V‑0等级，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于PBT复合材料技术领域，涉及一种高CTI、高灼热丝起燃温度无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法。
背景技术
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是一种具有优异性能而广泛应用的热塑性工程塑料。PBT具有良好的耐热、阻燃、电绝缘等综合性能及良好的加工性能。广泛用于电器、汽车、飞机制造、通讯、家电、交通运输等工业。例如PBT经玻璃纤维等改性后，可用于制造要求长期在较高温度的工况下，尺寸要求稳定性高的电子零部件。PBT的击穿电压高，适用于制作耐高电压的零部件，由于其熔融状态的流动性好，适合注射加工复杂结构的电器零件，如集成电路的插座、印刷线路板、计算机键盘、电器开关、熔断器、温控开关、保护器等。汽车保险杠、化油器、火花塞、供油系统零部件、点火器等。在通讯领域PBT广泛用于程控电话的集成模块、接线板、电动工具等。
虽然PBT分子主链上含有苯环，但其并不像聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)等聚合物燃烧时易于成碳。反之，PBT易燃，难以成碳，且燃烧时释放的烟量较大，容易出现熔融滴落的现象，因此一般需要添加阻燃剂对其进行阻燃改性。PBT在电子电器领域的应用要求其具有高电气和阻燃性能，传统的卤系阻燃剂易从材料表面析出，并产生大量导电离子以及碳沉积物，导致电流泄露，大大降低材料的相比漏电起痕指数(CTI)，并且在燃烧过程中产生大量有毒气体。鉴于卤系阻燃剂的种种弊端，无卤阻燃增强PBT已经成为其一大重点改性方向。虽然，无卤阻燃剂在一定程度上能提高复合材料的CTI，但仍然无法满足电子电器领域对于CTI日益增高的要求，并且大量的添加无卤阻燃剂将导致复合材料的各机械性能显著下降，针对这些问题，开发一款高CTI、灼热丝起燃温度，并具有优良机械性能的PBT复合材料是十分必要的。
目前市场上已经出现一些高CTI的阻燃剂的PBT复合材料：
中国发明专利200910249639.2公布了一种高CTI值无卤阻燃增强PBT复合材料及其制备方法，其的组成为：PBT 48-64％、玻璃纤维20-30％、阻燃剂16-22％、CTI协效剂0.1-0.5％、抗氧剂0.3-0.8％、润滑剂0.5-0.8％。该专利中，选用无机矿物作为CTI协效剂以提高材料的CTI等级。
中国发明专利CN202011477093.9公布了一种高CTI有卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，组分包括：PBT树脂40-60％；无碱玻璃纤维25-40％；溴系阻燃剂7-15％；阻燃协效剂2-6％；线性低密度聚乙烯1-3％；增韧剂3-6％；氧化聚乙烯蜡1-3％；其它功能加工助剂0-1％。该材料不仅具有高CTI性能，CTI≥400V，且阻燃性能满足V0级要求，同时兼顾优异的机械性能，但是由于添加卤系阻燃剂，其CTI的性能仍无法满足某些苛刻领域的要求。
中国发明专利CN201410427751.1公布了一种高灼热丝起燃温度，高CTI超韧阻燃PBT/PC合金材料及其制备方法，所述材料是由以下重量份含量的原料制备得到：PBT15-70％、PC10-25％、复配增韧剂10-25％、溴系阻燃剂5-20％、磷氮系阻燃剂3-10％、无机阻燃协效剂2-5％、酯交换抑制剂0.1-0.5％、抗滴落剂PTFE0.1-0.5％、润滑剂0.1-0.5％、抗氧剂0.1-0.5％。该专利中，合金材料灼热丝温度GWIT>850℃，耐漏电性能CTI>600V，但是添加了大量的有卤、无卤，无机阻燃剂不仅增加了制造成本，并且会影响材料的耐热性。
发明内容
本发明的目的就是提供一种高CTI、高灼热丝起燃温度的无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，包括：将PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂混合，熔融挤出，冷却后即得到PBT复合材料。
进一步地，所述的PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂的质量比为(34-59):(15-20):(15-40):(1-5):(1-5):(0.1-0.5):(0.1-0.5)。
进一步地，所述的PBT通过直接酯化法制得，端羧基含量小于30mol/t。
进一步地，所述的磷氮系阻燃剂由三聚氰胺聚磷酸盐和烷基次膦酸盐以质量比3:1组成，其中，所述的烷基次膦酸盐包括甲基乙基次磷酸铝、二乙基次膦酸铝、二丙基次磷酸铝或异丁基次磷酸铝中的至少一种。
进一步地，所述的玻璃纤维为改性无碱玻璃纤维，改性方法包括：将无碱玻璃纤维与表面改性剂混合10-15min得到；
其中，表面改性剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂或单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种，加入量为1-3wt％无碱玻璃纤维。
进一步地，所述的CTI协效剂包括氢氧化铝、氢氧化镁或改性勃姆石(AlOOH)中的至少一种或至少一种的改性物，平均粒径为5-10μm，改性方法包括：将改性基体(氢氧化铝、氢氧化镁或AlOOH)与改性剂混合10-15min得到；其中改性剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂或单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种，用量为改性基体的3-6wt％。
进一步地，所述的聚烯烃包括高压低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、均聚聚丙烯(PP-H)、嵌段共聚聚丙烯(PP-B)或无规共聚聚丙烯(PP-R)中的至少一种。
进一步地，所述的抗氧化剂由受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂以质量比(0.5-2):1组成；其中，所述的亚磷酸酯类抗氧剂包括季戊四醇双亚磷酸二(2,4-二特丁基苯基)酯。
进一步地，所述的润滑剂包括硅酮粉、甲撑双硬脂酸酰胺或N,N’-乙撑双硬脂酸酰胺中的至少一种。
进一步地，熔融挤出通过螺杆挤出机完成，螺杆转速为300-500rpm，工作温度范围为200-240℃。
本发明的高CTI、高灼热丝起燃温度，无卤阻燃增强PBT复合材料包括PBT树脂、无碱玻璃纤维、无卤阻燃剂、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧剂和润滑剂，其中无碱玻璃纤维可以提高PBT材料的力学强度和抗冲击能力，达到拉伸强度在110MPa以上，缺口冲击强度≥8kJ/m2，CTI协效剂与无卤阻燃剂、聚烯烃协同作用，共同提升材料的CTI达到600V，阻燃性具有UL-94标准0.4mm V-0等级。
其中无卤阻燃增强PBT复合材料的高CTI、高灼热丝起燃温度的实现主要通过无卤阻燃剂，CTI协效剂和聚烯烃三者共同完成的。无卤阻燃剂中片状的无机物在CTI测试中起到隔离树脂的作用，从而提高材料的CTI；CTI协效剂通过测试中吸收热量释放结晶水，冲刷材料表面碳层，以实现提高CTI；非极性的聚烯烃在注塑过程中易迁移至材料表明形成一层均匀的薄膜，源自于聚烯烃本身优异的CTI性能，以及其固有的疏水性，导致液体难以在材料表面形成导电的水膜，从而显著提高CTI性能。三种材料从不同的方面协同提高复合材料的CTI性能，对于获得高CTI性能，仅从无卤阻燃剂一方面无达到CTI至600V，因此CTI协效剂与聚烯烃之间的协同作用，是获得CTI为600V的PBT复合材料的重要因素，并且二者之间的配比对于是否能达到600V，以及是否为最高效率是至关重要的。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)现有技术中，高CTI、高灼热丝起燃温度的PBT材料，普遍采用高填充含量的无机矿物作为提高PBT的CTI性能，但同时往往会显著损害PBT的其他力学性能以及耐热性，本发明中基于材料CTI失效的原因，以阻燃剂、CTI协效剂、聚烯烃三者之间的共同作用，在较低含量下显著提高PBT的CTI。
2)由于在体系中加入了一定含量的非极性聚烯烃，在不降低材料各项性能的基础上，有利于提升材料的耐化性，并对CTI的提高有一定作用。
3)本发明制备工艺简单，无需对生产过程中的温度、转速等进行精确的控制，即可制得稳定性能的PBT材料；在生产过程中，不会产生有毒有害的气体，对环境无污染，适用范围广；CTI协效剂与阻燃剂可以稳定的提高材料的CTI，对于配方中其他组分及含量包容性大，无须苛刻的限定；较少添加量的CTI协效剂，使得本发明材料的成本可以控制在较低范围内。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
一种高CTI、高灼热丝起燃温度的无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，包括：将PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂以质量比(34-59):(15-20):(15-40):(1-5):(1-5):(0.1-0.5):(0.1-0.5)加入到高速混合机中充分混合，再置于螺杆机中，控制螺杆机的转速为300-500rpm，温度为200-240℃，熔融挤出造粒，即得到PBT复合材料。
其中，PBT通过直接酯化法制得，端羧基含量小于30mol/t，优选的端羧基含量小于20mol/t，更优选的羧基含量小于15mol/t。
磷氮系阻燃剂由三聚氰胺聚磷酸盐和烷基次膦酸盐以质量比3:1复配制得，其中烷基次膦酸盐包括甲基乙基次磷酸铝、二乙基次膦酸铝、二丙基次磷酸铝或异丁基次磷酸铝中的至少一种；优选为二丙基次磷酸铝或二乙基次膦酸铝，更优选为二乙基次膦酸铝；
玻璃纤维为改性无碱玻璃纤维，直径优选为13μm，其制备方法包括：将无碱玻璃纤维与表面改性剂在高速混合机中处理10-15min得到；
其中，表面改性剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂或单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种，加入量为1-3wt％无碱玻璃纤维。
CTI协效剂为一类在受热高温释放出水的无机物，优选地包括氢氧化铝、氢氧化镁或AlOOH及其改性物中的至少一种。改性方法包括：将改性基体与改性剂在高速混合机中处理10-15min得到；其中改性剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂或单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种，用量为改性基体的3-6wt％。CTI协效剂中无机物的形貌和表面处理对于复合材料的CTI和力学性能的影响至关重要。CTI协效剂应满足PBT的加工温度需求，具有较高的失重温度，优选地使用氢氧化铝，更优选地使用氢氧化镁，最优选地使用勃姆石。此外，粒径会影响其在基体中提升CTI的效果，优选的平均粒径为5-10μm，更优选的为3-5μm，最优选的为2-3μm。金属离子的存在会显著降低材料的CTI性能，对于CTI协效剂中，优选的钠离子含量<50ppm，更优选的<20ppm，最优选的<10ppm。
优选的，CTI协效剂表面经过氨基硅烷、环氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷、单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种处理。对于所述CTI协效剂，考虑综合各项指标性能要求，需要对CTI协效剂进行表面处理，以改善其与基体材料之间的浸润性，且在一定的配比下以获得效果的最优化。
聚烯烃为以烯烃为原料合成的一类聚合物，包括LDPE、LLDPE、MDPE、HDPE、UHMWPE、PP-H、PP-B或PP-R中的至少一种。
抗氧化剂为由受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂以质量比(0.5-2):1组成的混合抗氧剂；其中，受阻酚类抗氧剂优选地包括(3,5-二叔丁基-4羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯，亚磷酸酯类抗氧剂优选地包括季戊四醇双亚磷酸二(2,4-二特丁基苯基)酯。
润滑剂包括硅酮粉、甲撑双硬脂酸酰胺或N,N’-乙撑双硬脂酸酰胺中的至少一种。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
以下实施例中，各原料来源如下：
PBT：长春化工(漳州)有限公司，牌号为1100-211L，特性粘度为0.94±0.02端羧基含量小于25mol/t；
磷氮系阻燃剂：江苏利思德新材料有限公司，牌号为LFR-5005，以磷、氮为阻燃元素的无卤阻燃剂；
玻璃纤维：泰山玻璃纤维有限公司，牌号为ECS10-03-T436H，直径为10μm；
CTI协效剂：河南天马新材，勃姆石，牌号为TM-BMS-2，D50为2.5-3μm；
聚烯烃：中国石油化工集团有限公司，牌号为LDPE-B700；
抗氧化剂：亚磷酸酯类抗氧剂168与受阻酚IRGANOX 1076按重量比为2:1组成的混合物；
润滑剂：为高分子量季戊四醇硬脂酸酯(PETS)，支链结构，马来西亚KLK公司，牌号为PETS3976。
测试方法如下：
Charpy缺口冲击强度：按照ISO 179-1:2010标准测试；
拉伸强度：按照ISO 527-1:2019标准测试；
MI：按照ISO 1133-1:2011标准测试；
阻燃测试：按照UL-94标准测试；
CTI：按照GB/T 4207-2012标准测试；
GWIT：按照GB/T 5169.10-2006标准测试。
实施例：
一种高CTI、高灼热丝起燃温度的无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，包括：依照表1与表2中的配比，将PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂加入到高速混合机中充分混合，再置于螺杆机中，控制螺杆机的转速为400rpm，螺杆区间温度为200-210-230-240-230-220-220-230-230-240℃，熔融挤出造粒，即得到PBT复合材料。
表1-配方
对表1编制的说明：
实施例1～4用于证明：添加CTI协效剂可以提高材料的CTI，确定添加量上下限，添加5份最优。
实施例5～7用于证明：添加聚烯烃可以提高材料的CTI，确定添加量上下限，添加5份最优。
表2-配方
对表2编制的说明：
实施例8～10用于证明：CTI协效剂与聚烯烃之间存在协同作用，共同提高材料的CTI，确定CTI协效剂与聚烯烃之间的配比，在分别添加3份和3份时综合效果最优。
实施例11～14用于证明：CTI协效剂与聚烯烃复配体系可以用于15-40份的玻纤增强PBT复合材料体系中，并能稳定获得高CTI和GWIT的性能。
测试结果如表3、表4所示。
表3实施例1～7测试结果
表4实施例8～14测试结果
由测试结果分析可知，实施例1在不添加其他助剂情况下CTI和GWIT为525V和700℃，实施例2-4中随着CTI协效剂含量的增加，在添加5份CTI协效剂时，CTI和GWIT提高到550V和725℃，这说明CTI具有一定效果；实施例5-7中随着聚烯烃含量的增加，在添加5份时，CTI和GWIT提高到550V和725℃，这说明聚烯烃的疏水作用有助于提高CTI性能。但是单独添加CTI和聚烯烃无法达到更高的结果。
实施例8-10验证了CTI协效剂与聚烯烃只见那存在协效作用共同提高材料的CTI等性能，在各添加3份的CTI和聚烯烃后，复合材料的CTI和GWIT显著提高到600V和750℃，这种优秀的综合性能来自于CTI协效剂和聚烯烃之间的共同作用，实施例10同样达到了优异的CTI和GWIT性能，但综合成本、加工和性能方面的因素考虑，实施例9综合效果最优。
实施例11-14验证了在不同玻纤含量的PBT阻燃体系中，CTI协效剂/聚烯烃复配同样能有效的提高材料的CTI和GWIT水平，在玻纤含量在15-40份的范围内同时能稳定的赋予材料600V和750℃的CTI和GWIT性能，表现出稳定的增强效果。
通过实施例1、实施例4、实施例7和实施例9对比可以确定，CTI协效剂和聚烯烃可以有效的提高材料的CTI和GWIT水平，在控制CTI协效剂和聚烯烃的含量在3份下，到600V和750℃的CTI和GWIT水平，以及其他优秀的综合性能。表现出一种可以简单有效的制备高CTI、高灼热丝起燃温度，无卤阻燃增强PBT复合材料的方法。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：将PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂混合，熔融挤出，冷却后即得到PBT复合材料；
所述的PBT、磷氮系阻燃剂、玻璃纤维、CTI协效剂、聚烯烃、抗氧化剂、润滑剂的质量比为(34-59):(15-20):(15-40):(1-5):(1-5):(0.1-0.5):(0.1-0.5)；
所述的CTI协效剂为勃姆石，所述聚烯烃为低密度聚乙烯。
2.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，所述的PBT通过直接酯化法制得，端羧基含量小于30 mol/t。
3.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，所述的磷氮系阻燃剂由三聚氰胺聚磷酸盐和烷基次膦酸盐以质量比3:1组成，
其中，所述的烷基次膦酸盐包括甲基乙基次磷酸铝、二乙基次膦酸铝、二丙基次磷酸铝或异丁基次磷酸铝中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，所述的玻璃纤维为改性无碱玻璃纤维，其改性剂为氨基硅烷偶联剂、环氧基硅烷偶联剂、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂或单烷氧基钛酸酯偶联剂中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，所述的抗氧化剂由受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂以质量比(0.5-2):1组成；其中，所述的亚磷酸酯类抗氧剂包括季戊四醇双亚磷酸二（2,4-二特丁基苯基）酯。
6.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，所述的润滑剂包括硅酮粉、甲撑双硬脂酸酰胺或N,N’-乙撑双硬脂酸酰胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种无卤阻燃增强PBT复合材料的制备方法，其特征在于，熔融挤出通过螺杆挤出机完成，螺杆转速为300-500rpm，工作温度范围为200-240℃。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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