CN115651383B - 一种聚碳酸酯合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚碳酸酯合金材料及其制备方法和应用。该聚碳酸酯合金材料包括如下重量份数的组分：聚碳酸酯树脂10～99.9份，苯乙烯类树脂5～50份，改性金属氢氧化物0.05～2份，增韧剂1～30份，稳定剂0.01～2份，所述改性金属氢氧化物为经二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷表面处理的金属氢氧化物；所述苯乙烯类树脂为苯乙烯‑丙烯腈共聚物或苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯共聚物中的至少一种。该聚碳酸酯合金材料的燃烧速率低，同时具有良好的力学性能和外观，能广泛应用于电子电气、交通运输、家电、航空航天等领域。

Description

一种聚碳酸酯合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及工程塑料领域，更具体地，涉及一种聚碳酸酯合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济和社会的发展，各行业对安全隐患的重视度提升，尤其是电子电气、交通运输、家电、电动工具、建筑、航空航天等行业对材料的服役安全性要求越来越高。对于非阻燃体系的塑料，减缓其在有火环境下的燃烧速度可有效避免安全隐患的产生。目前在阻燃体系的技术研究较多，在非阻燃体系的技术研究仍然较少。
聚碳酸酯合金是一款经典的合金，非常通用而具有广泛应用，为了满足这种材料在应用中的技术更新变化需求，尤其在针对不同应用环境下，是否具备足够的安全性，目前得到了越来越多的重视。目前阻燃体系的PC/ABS合金在提高阻燃效率、薄壁阻燃、低烟低热等技术关注度较高，但是在实际应用中，非阻燃体系的聚碳酸酯合金占比仍较高，专利CN112375362A提供了一种PC/ABS组合物，但其并未关注非阻燃体系的PC/ABS合金的燃烧速率。非阻燃体系的聚碳酸酯合金在接触火焰时，其燃烧速度的快慢对安全隐患尤为重要，尤其是薄壁应用领域中，因此需要对非阻燃体系的聚碳酸酯合金的燃烧速率的减缓做技术攻关。
发明内容
本发明的首要目的是克服上述现有非阻燃体系的聚碳酸酯合金的研究仍较缺乏的问题，提供一种聚碳酸酯合金材料。
本发明的进一步目的是提供上述聚碳酸酯合金材料的制备方法。
本发明的进一步目的是提供上述聚碳酸酯合金材料在制备电子电气产品、通讯产品或汽车交通工具产品中的应用
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种聚碳酸酯合金材料，包括如下重量份数的组分：
所述改性金属氢氧化物为经二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷表面处理的金属氢氧化物；
所述苯乙烯类树脂为苯乙烯-丙烯腈共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。
金属氢氧化物(如：氢氧化镁等)是常用的阻燃协效剂，其常常与阻燃剂复配来使材料达到较好的阻燃效果。
本发明的发明人发现，在非阻燃体系(不加入阻燃剂)的聚碳酸酯合金中直接加入金属氢氧化物，聚碳酸酯合金的燃烧速率无法减慢，原因可能是金属氢氧化物的碱性会导致金属氢氧化物树脂降解，分子量急剧下降导致燃烧速率上升，同时还导致聚碳酸酯合金的力学性能有所下降。
本发明的发明人通过多次研究发现，采用二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷对金属氢氧化物进行处理，得到改性金属氢氧化物，将这种改性金属氢氧化物加入到聚碳酸酯合金材料(包括聚碳酸酯树脂/苯乙烯-丙烯腈共聚物合金材料、聚碳酸酯树脂/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物合金材料或聚碳酸酯树脂/苯乙烯-丙烯腈共聚物/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物合金材料)中，能有效减慢聚碳酸酯合金材料的燃烧速率，同时使聚碳酸酯合金材料保持较好的力学性能(冲击强度)和外观。其原因是：金属氢氧化物经二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷表面处理后，一方面可以使金属氢氧化物燃烧时分解产生的碱性金属氧化物更好地促进聚碳酸酯树脂的FRIES重排，达到更高的成碳速率和成碳量，构建更高强度的燃烧骨架，从而有效降低聚碳酸酯合金材料的燃烧速率；另一方面，二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷形成致密的包覆层，可实现大幅度改善金属氢氧化物在树脂基体中分散，实现降低用量的同时可以保证更好协效阻燃效果，实现填料对聚碳酸酯树脂破坏作用最小化，使得聚碳酸酯合金材料保持较好的力学性能和外观，而且在体系中引入硅元素，可与金属氢氧化物产生协同作用，稳定燃烧状态，进一步降低燃烧速率。此外，改性金属氢氧化物分解产生的水分可以降低聚碳酸酯合金材料的热量，也可以进一步减缓燃烧速率，达到UL94标准规定的燃烧速率≤75mm/min的要求。
即本发明的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率低，同时具有良好的力学性能和外观，能广泛应用于电子电气、通讯或汽车交通工具等领域。
优选地，所述聚碳酸酯合金材料包括如下重量份数的组分：
优选地，所述所述改性金属氢氧化物为经二甲基硅氧烷表面处理的金属氢氧化物。
优选地，所述苯乙烯类树脂为苯乙烯-丙烯腈共聚物。
苯乙烯-丙烯腈共聚物(相对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)不含丁二烯橡胶，可以使聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。
更为优选地，所述苯乙烯-丙烯腈共聚物中丙烯腈的含量为28～40wt％。
该丙烯腈的含量的范围下，苯乙烯-丙烯腈共聚物与聚碳酸酯树脂的相容性更好，更有利于形成燃烧骨架，聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。
优选地，所述改性金属氢氧化物的中硅元素的含量为1～6wt％。
优选地，所述聚碳酸酯树脂为新料聚碳酸酯树脂和/或回收聚碳酸酯树脂。
应当理解的是，新料聚碳酸酯树脂是指经过聚合后直接使用未经注塑或者使用的聚碳酸酯树脂。回收聚碳酸酯树脂是指按照本领域常规的物理回收处理方式对废弃的聚碳酸酯树脂进行分类收集得到的回收料。
更为优选地，所述新料聚碳酸酯树脂的数均分子量为22000～30000。
更为优选地，所述回收聚碳酸酯的数均分子量为20000～25000，端羟基含量为72～372ppm，BPA含量为18～133ppm。
需要说明的是，回收聚碳酸酯的端羟基含量按照HG/T 2709-1995标准测得；BPA含量按照GB/T 32889-2016标准测得。
本发明的聚碳酸酯合金材料的聚碳酸酯树脂可选用回收聚碳酸酯树脂，同样能实现聚碳酸酯合金材料较低的燃烧速率。
本领域常用的增韧剂和稳定剂都可以用于本发明。
优选地，所述增韧剂为核壳结构增韧剂，核壳结构增韧剂的核包括但不限于硅橡胶、聚丁二烯等，壳包括但不限于丙烯酸酯等。
更为优选地，所述核壳结构增韧剂的核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯类树脂。
进一步优选地，所述核壳结构增韧剂的核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯类树脂，硅橡胶含量为6～60wt％。
优选地，所述金属氢氧化物为氢氧化镁、氢氧化铝或氢氧化钙中的至少一种。
优选地，所述改性金属氢氧化物的制备过程为：按照质量比为1：(0.05～0.6)的比例称取金属氧化物以及二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷，都加入到粉体包覆机中，混合时间2～30min，即得所述改性金属氢氧化物。
优选地，所述稳定剂为受阻酚类抗氧剂，包括但不限于受阻酚类抗氧剂1024、3114、1010、1076等。
优选地，所述聚碳酸酯合金材料还可包括其他助剂0.01～5份。
更为优选地，所述其他助剂为润滑剂或色粉中的至少一种。
可选地，所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸酯或硅酮中的至少一种。
可选地，所述色粉为炭黑、蒽醌或钛黄中的至少一种。
上述聚碳酸酯合金材料的制备方法，包如下步骤：将各组分混合，熔融挤出，造粒，即得所述聚碳酸酯合金材料。
优选地，所述制备方法包括如下步骤：将各组分在高混机中搅拌混合，然后在双螺杆挤出机中熔融挤出，造粒，即得聚碳酸酯合金组合物。
更为优选地，所述搅拌混合的转速为20～100转/min；所述双螺杆挤出机的长径比为32～60:1，螺筒温度为220～260℃，螺杆转速为200～900转/mim。
上述聚碳酸酯合金材料在制备电子电气产品、通讯产品或汽车交通工具产品中的应用也在本发明的保护范围内。
优选地，所述电子电气产品为电子支架、电子插座或充电器外。
优选地，所述通讯产品为手机外壳、平板设备或便捷式计算机。
优选地，所述汽车交通工具产品为内饰件或外饰件、电池周边。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率低(燃烧速率≤75mm/min)，同时具有良好的力学性能(冲击强度＞30KJ/m2，低温冲击强度＞13KJ/m2)和外观(等级为B级以上)，能广泛应用于电子电气、交通运输、家电、航空航天等领域。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
本发明各实施例及对比例选用的部分试剂说明如下：
聚碳酸酯树脂(新料)1#：LX1603，鲁西化学数均分子量为30000；
聚碳酸酯树脂(新料)2#：LX1609，鲁西化学，数均分子量为27100；
聚碳酸酯树脂(新料)3#：LX1920，鲁西化学，数均分子量22000；
聚碳酸酯树脂(新料)4#：FN1500，日本出光，数均分子量为16000；
聚碳酸酯树脂(回收)1#：PC TJ-20A，天炬，板材PCR来源，数均分子量20000，端羟基含量为372ppm，BPA含量为133ppm；
聚碳酸酯树脂(回收)2#：PC ASL-06，奥赛尔，水桶PCR来源，数均分子量25000，端羟基含量为72ppm，BPA含量为18ppm；
苯乙烯类树脂1#：苯乙烯-丙烯腈共聚物，SAN 310，韩国锦湖，丙烯腈的含量18wt％；
苯乙烯类树脂2#：苯乙烯-丙烯腈共聚物，SAN2200，台湾化纤，丙烯腈的含量28wt％；
苯乙烯类树脂3#：苯乙烯-丙烯腈共聚物，SAN 3400，台湾化纤维，丙烯腈的含量32wt％；
苯乙烯类树脂4#：苯乙烯-丙烯腈共聚物，SAN CN40，苯领化学，丙烯腈的含量40wt％；
苯乙烯类树脂5#：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，PA 757，丙烯腈的含量28wt％；
增韧剂1#：核壳增韧剂，核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯，S-2001，三菱化学，硅橡胶含量为6wt％；
增韧剂2#：核壳增韧剂，核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯，S-2030；三菱化学，硅橡胶含量30wt％；
增韧剂3#：核壳增韧剂，核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯，SX-005；三菱化学；硅橡胶含量为60wt％；
增韧剂4#：核壳增韧剂，核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯，LP8825；硅橡胶含量为82wt％；
增韧剂5#：核壳增韧剂，核为聚丁二烯，壳为丙烯酸酯，M521，日本钟渊；
增韧剂6#：非核壳增韧剂，MR-01，日本钟渊；
稳定剂：抗氧剂1076，市售；
其他助剂：润滑剂PETS，市售；
金属氢氧化物1#：氢氧化镁，市售；
金属氢氧化物2#：氢氧化铝，市售；
二甲基硅氧烷：360MED FLUID，12500cst，美国陶氏；
甲基苯基硅氧烷：IOTA252，7800cst，安徽艾约；
改性金属氢氧化物，自制，制备过程如下：按照一定配方比例称取金属氧化物和二甲基硅氧烷或甲基苯基硅氧烷，都加入到粉体包覆机中，并通过设定粉体包覆机混合时间，混合时间2～30min，可得到不同二甲基硅氧烷含量的改性金属氢氧化物。具体如下：
改性金属氢氧化物1#：金属氢氧化物为氢氧化镁，二甲基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间为23min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为3wt％；
改性金属氢氧化物2#：金属氢氧化物为氢氧化镁，二甲基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间为30min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为6wt％；
改性金属氢氧化物3#：金属氢氧化物为氢氧化镁，二甲基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间12min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为1wt％；
改性金属氢氧化物4#：金属氢氧化物为氢氧化镁，二甲基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间2min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为0.5wt％；
改性金属氢氧化物5#：金属氢氧化物为氢氧化铝，二甲基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间23min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为3wt％；
改性金属氢氧化物6#：金属氢氧化物为氢氧化镁，甲基苯基硅氧烷添加量为金属氢氧化物质量的10％，混合时间23min，得到的改性金属氢氧化物的硅元素含量为2.8wt％。
如未特别说明，各平行实施例和对比例中选用的各组分(例如稳定剂、其他助剂)均为相同的市售产品。
本发明各实施例和对比例提供的聚碳酸酯合金材料按如下测试方法进行性能测定：
燃烧速率：按照“塑料材料的可燃性测试，UL94-2018”的规程进行可燃性测试。基于燃烧速率、熄灭时间、抵抗低落的能力、以及低落是否正燃烧，来得出阻燃等级。用于测试的样品：125mm长度13mm宽度，本发明在进行测试时厚度选为0.8mm，根据UL94规程，可以将材料阻燃等级分类为(UL94-HB)：通过计算可以得到该厚度下的燃烧速率(mm/min)，其中燃烧速率数值越大，燃烧传播速度越快，反之，燃烧传播速度越慢。
冲击强度：根据ASTM D256-2010标准下测试3.0mm IZOD冲击强度，放在室温为25℃湿度为50％的环境下进行调节48h以上，然后进行测试并记录结果，记录为常温冲击强度。
低温冲击强度：根据ASTM D256-2010标准下测试3.0mm IZOD冲击强度，放在预设温度为-30℃的环境调节箱中调节8h以上，然后进行测试并记录结果，记录为低温冲击强度；测试结果数值越高，韧性越好。
外观：固定注塑温度为280℃注塑速度为85％，注塑压力为85％成型1.0mm厚度100mm边长的方板，通过目测连续注塑10块样板的表面进行外观评级，若10片均无任何缺陷为A级，若有1～3片出现轻微的水花或银丝等缺陷为B级，若有＞3片出现轻微的水花或银丝等缺陷为C级，若至少1片出现了严重的水花银丝则为D级。
本发明各实施例的聚碳酸酯合金材料和各对比例提供的聚碳酸酯合金材料的制备工艺如下：按照配比称取各组分后，加入高混机中搅拌共混，得到预混料，然后在双螺杆挤出机中进行挤出，熔融造粒工序后即得聚碳酸酯合金材料。其中，搅拌的转速为65转/min，双螺杆挤出机的长径比为40:1，螺筒温度为220～260℃，螺杆转速为250-650转/min。
实施例1～25
实施例1～25提供一系列聚碳酸酯合金材料，其配方如表1、表2和表3所示。
表1实施例1～6的配方(重量份)
表2实施例7～15的配方(重量份)
表3实施例16～25的配方(重量份)
对比例1
本对比例提供一种聚碳酸酯合金材料，其配方与实施例1的不同之处在于：不加入改性金属氢氧化物1#。
对比例2
本对比例提供一种聚碳酸酯合金材料，其配方与实施例1的不同之处在于：将改性金属氢氧化物1#替换成金属氢氧化物1#。
对比例3
本对比例提供一种聚碳酸酯合金材料，其配方与实施例1的不同之处在于：将改性金属氢氧化物1#替换成二甲基硅氧烷。
按上述提及的测试方法对各实施例和对比例的聚碳酸酯合金材料的性能进行测定，测试结果如表4。
表4各实施例和对比例的聚碳酸酯合金材料的性能测试结果
从表4可知，实施例1～25的聚碳酸酯合金材料燃烧速率低，达到UL94标准规定的燃烧速率≤75mm/min的要求，同时具有良好的力学性能和外观。
从实施例1～5对比可知，各组分的用量对燃烧速率、冲击强度、低温冲击强度和外观都有一定的影响。具体地，由于聚碳酸酯对燃烧速率的影响较大，故在一定范围内聚碳酸酯的用量较大时，缓燃聚碳酸酯复合材料的燃烧速率较低，故实施例2的燃烧速率低于实施例4，实施例5的燃烧速率低于实施例3；冲击强度和低温冲击强度除受到聚碳酸酯和改性金属氢氧化物的影响外，其他组分用量的影响也有一定影响，在各组分的综合调控下，实施例1的冲击强度和低温冲击强度最好，实施例4的冲击强度和低温冲击强度分别优于实施例2的冲击强度和低温冲击强度，实施例5的冲击强度和低温冲击强度分别优于实施例3的冲击强度和低温冲击强度。
从实施例1、实施例12～14可知，苯乙烯-丙烯腈共聚物丙烯腈的含量越高，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率越低。而从实施例12和15可知，选用苯乙烯-丙烯腈共聚物(实施例12)，比选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(实施例15)，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。
从实施例1、16、17、18可知，当增韧剂的硅含量在合适范围内(6～60wt％)时，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。而选用硅橡胶作为核的核壳增韧剂，相比选用聚丁二烯作为核的核壳增韧剂(如实施例19)，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。而选用核壳增韧剂，相比选用非核壳增韧剂(如实施例20)，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。
从实施例1、21～23可知，改性金属氢氧化物的硅元素含量较高时(实施例1、21、22)，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低；从实施例1和实施例24可知，金属氢氧化物选用氢氧化镁(实施例1)相比选用氢氧化铝(实施例24)，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率更低。
对比例1不加入改性金属氢氧化物，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率较高。对比例2直接加入金属氢氧化物，得到的聚碳酸酯合金材料的燃烧速率较高、外观等级较差，冲击强度和低温冲击强度较低；对比例3加入直接加二甲基硅氧烷，得到的聚碳酸酯合金材料燃烧速率较高、外观等级较差，冲击强度和低温冲击强度较低。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚碳酸酯合金材料，其特征在于，包括如下重量份数的组分：
聚碳酸酯树脂 10～99.9份，
苯乙烯类树脂 5～50份，
改性金属氢氧化物 0.05～2份，
增韧剂 1～30份，
稳定剂 0.01～2份，
所述改性金属氢氧化物为经二甲基硅氧烷和/或甲基苯基硅氧烷表面处理的金属氢氧化物；
所述苯乙烯类树脂为苯乙烯-丙烯腈共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种；
所述增韧剂为核壳结构增韧剂，所述核壳结构增韧剂的核为硅橡胶，壳为丙烯酸酯类树脂，硅橡胶含量为6～60wt％。
2.根据权利要求1所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述苯乙烯类树脂为苯乙烯-丙烯腈共聚物。
3.根据权利要求2所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述苯乙烯-丙烯腈共聚物中丙烯腈的含量为28～40wt％。
4.根据权利要求1所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述改性金属氢氧化物的硅元素的含量为1～6wt％。
5.根据权利要求1所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述聚碳酸酯树脂为新料聚碳酸酯树脂和/或回收聚碳酸酯树脂。
6.根据权利要求5所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述新料聚碳酸酯树脂的数均分子量为22000～30000。
7.根据权利要求1所述聚碳酸酯合金材料，其特征在于，所述金属氢氧化物为氢氧化镁、氢氧化铝或氢氧化钙中的至少一种。
8.权利要求1～7任一所述聚碳酸酯合金材料的制备方法，其特征在于，包如下步骤：将各组分混合，熔融挤出，造粒，即得所述聚碳酸酯合金材料。
9.权利要求1～7任一所述聚碳酸酯合金材料在制备电子电气产品、通讯产品或汽车交通工具产品中的应用。
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