CN115558272B - 一种高机械性能、高流动阻燃pc/abs合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高机械性能、高流动PC/ABS合金材料及其制备方法，所述PC/ABS合金材料按质量份数计，由PC树脂40‑80份、ABS树脂20‑60份、含硅增韧剂1‑15份、无卤阻燃剂5‑15份、磺酸盐0.1‑2份、增容剂1‑10份和抗氧剂0.1‑0.4份组成。使用固体磷酸酯与磺酸盐复配对PC/ABS合金进行阻燃改性，通过磷元素与硫元素的协同效果使合金具备优异的阻燃性能。磷酸酯阻燃剂具备促进分子链滑移的作用，加工流动性能有明显的提升。添加有机硅增韧剂，使制备的PC/ABS合金材料具备优异的冲击韧性，同时硅元素在燃烧时能促进基体树脂成炭，阻碍挥发物的逸出，提高碳层致密性，起到更好的隔绝作用，从而提高PC/ABS合金的阻燃性能。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体是涉及一种高机械性能、高阻燃性能、高流动合金材料及其制备方法。
背景技术
PC/ABS是聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的混合物，兼顾了ABS材料的成型性和PC的机械性、冲击强度和耐温、抗紫外线等性能，可广泛应用于汽车内外饰零部件、航空航天、通信器材、家电用品及照明设备等领域。
近年来，为了满足PC/ASB合金在电子电器等领域对防火安全的特殊要求，材料必须兼具优异的阻燃性能和力学性能。随着人们环保意识的提升，工业生产中逐渐开始使用无卤阻燃剂来对PC/ABS合金进行阻燃改性，包括磷系，硅系以及无机阻燃剂等。在文献《PC/ABS合金的阻燃改性研究》中作者通过使用阻燃剂间苯二双磷酸二苯酯(RDP)与磷酸三苯酯(TPP)，对PC/ABS合金材料进行阻燃改性。当RDP与TPP的含量达到15份时，材料的阻燃性能达到V-0级，但两种阻燃剂都对材料的冲击强度有严重的负面影响(冲击强度由41.7kJ/m2下降至5.1kJ/m2)，严重影响材料的实际使用价值。中国专利CN202011074392.8使用八苯磺酸基硅倍半硅氧烷阻燃剂对PC/ABS合金进行阻燃改性，通过硫、硅、钾等元素协同阻燃使材料具备更高的阻燃性能，但该阻燃剂制备过程繁杂，成本较高，无法大规模使用。
为了获得一种兼具高阻燃性能和机械性能的PC/ABS合金，本发明通过磷，硅和硫元素的复配使用，实现对PC/ABS合金的高效阻燃，同时保持合金拥有优异的机械性能，可以满足材料在电子电器，汽车配件等领域的应用要求。
发明内容
本发明为了克服阻燃剂对PC/ABS合金力学性能存在较大负面影响的问题，提供一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料及其制备方法。
本发明通过磷元素，硅元素和硫元素的协同作用，使PC/ABS合金在燃烧时可以产生致密的炭层，因此合金具备优异的阻燃性能。
本发明通过添加有机硅增韧剂，使PC/ABS合金材料具备优异的冲击强度。同时由于硅元素具有凝聚相阻燃效果，因此可以提高PC/ABS合金的阻燃性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种PC/ABS合金材料，所述PC/ABS合金材料按质量份数计，由PC树脂40-80份、ABS树脂20-60份、含硅增韧剂1-15份、无卤阻燃剂5-15份、磺酸盐0.1-2份、增容剂1-10份和抗氧剂0.1-0.4份组成。
该配方通过阻燃剂与含硅增韧剂的协同作用，使PC/ABS合金具备高阻燃性能和高机械强度。
进一步，所述无卤阻燃剂是阻燃剂PX-220、阻燃剂TPP、阻燃剂BDP、阻燃剂RDP中的一种或两种以上的混合物(优选阻燃剂PX-220、阻燃剂BDP中的一种或两种的混合物，最优选为PX-220)。
进一步，所述磺酸盐为全氟丁基磺酸钾、苯磺酰基苯磺酸钾、三氯苯磺酸钠中的一种或两种以上的混合物(优选全氟丁基磺酸钾)。
进一步，所述含硅增韧剂为甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸酯-有机硅结构的高硅含量弹性体，优选为(日本三菱)有机硅增韧剂S2001、S2003中的一种或两种的混合物(优选有机硅增韧剂S2001)。
进一步，所述增容剂为增容剂ABS-MAH、增容剂SMA、增容剂PE-MAH中的一种或两种以上的混合物(优选增容剂SMA)
进一步，所述抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或两种的混合物(优选抗氧剂1010)。
本发明尤其推荐所述PC/ABS合金材料按质量份数计，由PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 6份、有机硅增韧剂S2001 5～10份、增容剂SMA 2份和抗氧剂1010 0.4份组成。
最优选所述有机硅增韧剂S2001为10份。
第二方面，本发明还提供一种上述PC/ABS合金材料的制备方法，所述方法包含以下步骤：
按组方量分别称取各原料，并分别进行干燥处理；所得干燥后的各原料混合均匀(高速混合机)后通过双螺杆挤出机熔融挤出，得到所述PC/ABS合金材料。
进一步，所述干燥处理是85-110℃下干燥7-9小时。
进一步，所述熔融挤出的条件为：一区温度225℃，二区温度230℃，三区温度235℃，四区温度240℃，五区温度245℃，六区温度250℃，七区温度245℃，八区温度240℃，九区温度235℃，十区温度235℃，螺杆转速为70-90rpm。
作为优选，在本发明的一些实施例中，所述阻燃剂优选为多聚磷酸酯(简称PX-220)。PX-220是一种工业化生产的固体磷酸酯阻燃剂，价格低廉，阻燃效果优良，并且固体阻燃剂在生产过程中方便加料，对生产设备的要求较低。
本发明的一些实施例中，所述的增韧剂为高硅含量的核壳结构增韧剂。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：本发明的高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料及其制备方法，使用固体磷酸酯与磺酸盐复配对PC/ABS合金进行阻燃改性，通过磷元素与硫元素的协同效果使合金具备优异的阻燃性能。同时由于磷酸酯阻燃剂具备促进分子链滑移的作用，因此阻燃PC/ABS合金的加工流动性能有明显的提升。此外，通过添加有机硅增韧剂，使制备的PC/ABS合金材料具备优异的冲击韧性，同时硅元素在燃烧时能促进基体树脂成炭，阻碍挥发物的逸出，提高碳层致密性，起到更好的隔绝作用，从而提高PC/ABS合金的阻燃性能。因此，通过上述的方法可以制备具有优异冲击性能的阻燃PC/ABS合金，满足材料在实际生活中的应用要求，扩展PC/ABS合金的应用领域。
附图说明
图1(a)对比例2；(b)实施例3燃烧后残炭的拉曼光谱图
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
本发明以下各实施例及对比例中，阻燃性能按照GB/T 2408-2021进行性能检测，拉伸强度按照GB/T 1040.1-2018进行性能检测，冲击强度按照GB/T1043.2-2018进行性能检测，熔体流动速率按照GB/T 3682.1-2018进行性能检测。
以下实施例中双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度225℃，二区温度230℃，三区温度235℃，四区温度240℃，五区温度245℃，六区温度250℃，七区温度245℃，八区温度240℃，九区温度235℃，十区温度235℃，螺杆转速为70-90rpm。
实施例1(无增韧剂)
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 9份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、阻燃剂PX-220、增容剂和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例2
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 9份、有机硅增韧剂S2001 5份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例3
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 9份、有机硅增韧剂S2001 10份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例4
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 6份、有机硅增韧剂S2001 10份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例5
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 6份、有机硅增韧剂S2001 5份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例6
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂BDP 6份、有机硅增韧剂S2001 10份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
实施例7
一种高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂TPP 6份、有机硅增韧剂S2001 10份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、全氟丁基磺酸钾、有机硅增韧剂S2001、增容剂SMA、阻燃剂PX-220和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到高机械性能、高阻燃性能、高流动PC/ABS合金材料；
对比例1
一种PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、增容剂SMA抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到PC/ABS合金材料。
对比例2(非有机硅增韧剂)
一种阻燃PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、全氟丁基磺酸钾1份、阻燃剂PX-220 9份、MBS 10份、增容剂SMA 2份和抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、阻燃剂PX-220、增容剂SMA、MBS和抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到PC/ABS合金材料；
对比例3(无磺酸盐)
一种PC/ABS合金材料，其制备方法包含以下步骤：
(1)按以下组分及重量份备料：PC树脂80份、ABS树脂20份、阻燃剂PX-220 9份、有机硅增韧剂S2001 10份、增容剂SMA 2份、抗氧剂1010 0.4份；
(2)将PC树脂、ABS树脂、增容剂SMA抗氧剂在烘箱中烘干，将烘干后的原料在高速混合机中混合5-10分钟；
(3)将步骤(2)的混合物通过双螺杆挤出机熔融挤出，制备得到PC/ABS合金材料。
对上述各实施例和对比例的阻燃性能、机械性能和熔体流动速率进行测试，结果如表1所示。
表1各实施例和对比例的机械性能和阻燃性能测试结果
由上表可知，比较实施1与对比例1发现，加入9份PX-220和1份全氟丁基磺酸钾后，实施例1的垂直燃烧等级由对比例1的无等级提升至V-0级。但合金的冲击强度发生明显下降，实施例1的缺口冲击强度为4.6kJ/m2，较对比例1的缺口冲击强度(52.6kJ/m2)下降了91.3％。
为了提高阻燃PC/ABS合金的冲击强度，本发明在阻燃配方中加入有机硅增韧剂，起到增韧并协效阻燃的作用。当加入10份含硅增韧剂时，实施例3中阻燃PC/ABS合金的冲击强度达到60.9kJ/m2，表明增韧剂可以大幅度提升阻燃PC/ABS合金的冲击强度，同时样品的阻燃性能并未受到影响，垂直燃烧等级仍然为V-0级。
为了证明有机硅增韧剂具有协同阻燃作用，比较对比例2和实施例3发现(图1)：在对比例2中加入普通增韧剂后，虽然可以提高PC/ABS合金的冲击强度，但对合金的阻燃性能产生负面影响，无法兼顾冲击强度和阻燃性能。而实施例3中加入有机硅增韧剂后，不仅可以大幅度提升合金冲击强度，而且保持材料的阻燃性能不下降，这是因为硅元素可以在材料时燃烧与基体产生反应，形成Si-C键，促使基体产生致密的保护层，隔绝氧气和热量，提高材料的阻燃性能。
同时通过调整配方发现，在实施列4中，加入10份有机硅增韧剂后，只需要添加6份阻燃剂PX-220，即可使PC/ABS合金的垂直燃烧等级达到V-0级，证明有机硅增韧剂可以增强合金的阻燃性能，具有协同阻燃作用。此外，对比例4中合金中不添加磺酸盐，合计的阻燃性能只能达到V-1，证明磺酸盐与阻燃剂存在协同阻燃作用。
为了验证上述的阻燃机理，本发明通过拉曼光谱对PC/ABS合金燃烧后残炭的石墨化程度进行表征，结果如图1所示。对拉曼曲线进行分峰得到D波峰和G波峰，D波段的积分面积和G波段的积分面积的比值(ID/IG)可以计算出残炭的石墨化程度，ID/IG的值越小，残炭的石墨化程度越高，表明炭层越稳定，材料的阻燃性能越好。从结果可以看出，对比例2的ID/IG为2.53，实施例3的ID/IG为2.13，这说明加入含硅增韧剂后残炭的石墨化程度更高，炭层更为致密，表明加入含硅增韧剂后合金的阻燃性能更高。
对增韧阻燃PC/ABS合金的残炭进行元素分析，结果如表1所示。当加入10份的含硅增韧剂后，残炭中硅元素由原来的0.12％提高到2.51％，这表明硅元素在燃烧时被保留在残炭中，可以辅助证明硅元素在燃烧时与基体反应生成了Si-C键，增强了炭层的致密程度，提高了材料的阻燃性能。
表2残炭元素分析结果
比较对比例1和实施例1发现，本文制备的阻燃PC/ABS合金具有较高的熔体流动速率，这是因为阻燃剂作为小分子磷酸酯，在合金体系中具有润滑效果，可以大幅度提升材料的加工流动性，便于实际生产。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种PC/ABS合金材料，其特征在于：所述PC/ABS合金材料按质量份数计，由PC树脂40-80份、ABS树脂20-60份、含硅增韧剂1-15份、无卤阻燃剂5-15份、磺酸盐0.1-2份、增容剂1-10份和抗氧剂0.1-0.4份组成；所述磺酸盐为全氟丁基磺酸钾；所述含硅增韧剂为有机硅增韧剂S2001。
2.如权利要求1所述的PC/ABS合金材料，其特征在于：所述无卤阻燃剂是PX-220、TPP、BDP、RDP中的一种或两种以上的混合物。
3.如权利要求1所述的PC/ABS合金材料，其特征在于：所述增容剂为增容剂ABS-MAH、增容剂SMA、增容剂PE-MAH中的一种或两种以上的混合物。
4.如权利要求1所述的PC/ABS合金材料，其特征在于：所述抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168中的一种或两种的混合物。
5.如权利要求1所述的PC/ABS合金材料的制备方法，其特征在于所述方法包含以下步骤：
按组方量分别称取各原料，并分别进行干燥处理；所得干燥后的各原料混合均匀后通过双螺杆挤出机熔融挤出，得到所述PC/ABS合金材料。
6.如权利要求5所述的PC/ABS合金材料的制备方法，其特征在于：所述干燥处理是85-110℃下干燥7-9小时。
7.如权利要求5所述的PC/ABS合金材料的制备方法，其特征在于所述熔融挤出的条件为：一区温度225℃，二区温度230℃，三区温度235℃，四区温度240℃，五区温度245℃，六区温度250℃，
七区温度245℃，八区温度240℃，九区温度235℃，十区温度235℃，
螺杆转速为70-90rpm。
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