WO2025130633A1 - 一种无卤阻燃abs复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种无卤阻燃abs复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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    • C08L2201/00—Properties
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Definitions

  • the invention relates to the technical field of engineering plastics, and in particular to a halogen-free flame-retardant ABS composite material.
  • Bio-based polymers have become valuable alternatives to fossil-based polymers, and can be used to prepare materials with reduced carbon footprints and not dependent on petrochemical products.
  • polylactic acid (PLA) has many advantages such as high modulus, high strength, and complete biodegradability. It has the same molding and processing methods as petroleum-based resins, making it one of the most commercially successful biodegradable plastics in the past 20 years. It is widely used in packaging materials and biomedicine.
  • PLA has a slow crystallization rate, low crystallinity, poor heat resistance, and poor toughness, which limits the application range of PLA.
  • ABS resin has good heat resistance and high toughness.
  • Existing technologies have studied the alloy material obtained by blending ABS and PLA.
  • ABS resin is a flammable material. When it is recommended for use in household appliances, electronic appliances and other fields, its flammability must comply with the relevant provisions of the US safety laboratory standard UL-94. Therefore, it is particularly important to modify the flame retardant of ABS/PLA resin.
  • phenylphosphoryl dichloride is used as the main flame retardant, which can reach the V-2 grade, but the impact resistance is poor;
  • oligomeric chain extenders are used to react with PLA and ABS to form new polymers, which can increase the heat deflection temperature, but the impact resistance is poor.
  • the present invention provides a halogen-free flame-retardant ABS composite material.
  • a halogen-free flame-retardant ABS composite material comprising the following raw material components by weight:
  • PLA resin B brand name PLA 4043D, purchased from Nature Works, USA, melt flow rate is 6.7g/10min;
  • phosphate flame retardants and nitrogen flame retardants have good flame retardant effects in ABS/PLA composite materials, and can achieve a stable V-2 flame retardant grade at a low addition amount after being used together.
  • Compatibilizers can effectively solve the compatibility of composite materials, improve mechanical toughness, and solve the shortcomings of poor mechanical properties of flame-retardant composite materials.
  • Tougheners can effectively improve the toughness of composite materials, making them have excellent comprehensive properties.
  • the vertical burning grade of the prepared material can reach V-2 grade, and the cantilever beam notched impact strength can reach 12kJ/ m2 and above, which has obvious advantages over the comparative example and can effectively meet the high standard requirements of customers and the market.
  • Comparative Examples 1-8 Compared with Example 3, in Comparative Examples 1-8, only phosphorus flame retardant was added in Comparative Example 1, and no nitrogen flame retardant was added; only nitrogen flame retardant was added in Comparative Example 2, and no phosphorus flame retardant was added, which reduced the flame retardant properties of the material; the amount of PLA resin added in Comparative Example 3 was small, resulting in the material failing to achieve a good V-2 flame retardant grade; the PLA resin added in Comparative Example 4 had a low melt flow rate and could not assist in flame retardancy; the PLA resin added in Comparative Example 5 had a high melt flow rate, which reduced the mechanical properties of the material; no compatibilizer and toughening agent were added in Comparative Examples 6 and 7, respectively, so that the mechanical properties of the material could not be significantly improved; the compatibilizer added in Comparative Example 8 was maleic anhydride grafted ABS, and the mechanical properties could not be significantly improved.

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Abstract

本发明公开了一种无卤阻燃ABS复合材料，按重量份数计，包括以下原料组分：ABS树脂26-50份、PLA树脂25-35份、相容剂5-12份、增韧剂5-12份、磷系阻燃剂6-15份、氮系阻燃剂2-5份。本发明通过将ABS树脂、PLA树脂作为树脂基体进行合金化设计开发，通过相容剂解决了合金体系相容性，克服了由于树脂极性的差异所造成的性能缺陷，同时加入增韧剂，大大提升了合金材料的力学性能，同时进行了无卤阻燃性能的开发，本发明无卤阻燃ABS复合材料具有优异的综合性能及无卤阻燃性能，合金材料具有较好的产业化应用价值。

Description

一种无卤阻燃ABS复合材料及其制备方法和应用 技术领域
本发明涉及工程塑料技术领域，具体涉及一种无卤阻燃ABS复合材料。
背景技术
生物基聚合物已成为化石基聚合物的有价值的替代品，可以制备碳足迹减少且不依赖于石油化工产品的材料。其中，聚乳酸(PLA)拥有高模量、高强度且能完全生物降解，具有石油基树脂同样的成型加工方式等诸多优点，成为近20年来商业化最成功的生物可降解塑料之一。广泛应用于包装材料和生物医药领域。但同时PLA结晶速度较慢，结晶度低导致耐热性差，且韧性差限制了PLA的应用范围。ABS树脂具有较好的耐热性能和较高韧性，已有现有技术研究了将ABS与PLA共混制得合金材料。
但ABS树脂属于易燃材料，在被推荐用于家用电器、电子电器等领域，其可燃性必须要求符合美国安全实验室标准UL-94有关规定，因此，对ABS/PLA树脂进行阻燃改性就显得尤其重要。针对ABS/PLA树脂的易燃缺点，现有技术中通常进行以下改进：一是使用苯基磷酰二氯作为主阻燃剂，可达到V-2等级，但耐冲击性差，二是使用低聚增链剂与PLA和ABS反应形成新聚合物，可提高热挠曲温度，但耐冲击性差。
因此有必要开发出一种高抗冲和较佳的阻燃性能，可广泛应用于个人消费电子产品、家用电器领域的PLA/ABS合金。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足或缺陷，本发明提出了一种无卤阻燃ABS复合材料。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种无卤阻燃ABS复合材料，按重量份数计，包括以下原料组分：
ABS树脂26-50份
PLA树脂25-35份
磷系阻燃剂6-15份
氮系阻燃剂2-5份
相容剂5-12份
增韧剂5-12份；
其中，所述PLA树脂在210℃×2.16kg测试条件下的熔体流动速率为6.5-10g/10min；所述相容剂为PET、PBT、PC、PMMA中的任意一种。
所述ABS树脂的熔融指数和单体比没有特别限定，优选在210℃×2.16kg测试条件下熔体流动速率为10-15g/10min，丙烯腈单体占比为22wt％-25wt％，丁二烯单体占比为18wt％-22wt％，苯乙烯单体占比为53wt％-60wt％。
本发明的技术方案中，采用PLA树脂对ABS树脂进行改性，PLA树脂中主要是羟基和羧基反应生成的酯键且具有旋光性，有利于改善ABS的硬段的强度，促使整个ABS分子链段软化，降低材料的收缩率，提高材料的流动性，选择较高熔体流动速率的PLA可以更有利于实现阻燃等级达到V-2等级；其次，本发明通过在配方中加入磷系和氮系阻燃剂，发挥协同阻燃作用，使ABS材料具备阻燃能力。PLA分子链中的端羧基与磷系和氮系阻燃剂有很好的相亲性，因此，能够增强磷系和氮系阻燃剂对PLA改性的ABS的阻燃作用。另一方面，磷系阻燃剂发挥阻燃效果，需要酸源的存在。而PLA含有端羧基，因此也可以作为酸源，在阻燃过程中协同磷系阻燃剂发挥更高效的阻燃效果，使得减少无机阻燃剂的加入量仍能达到V-2阻燃等级，进而降低无机阻燃剂对材料韧性的影响。此外，本发明通过在配方中加入相容剂和增韧剂，使得本发明的PLA/ABS体系各组分间相容性优异，制得的PLA/ABS复合材料的阻燃、韧性优异。发明人还发现，相容剂选择聚酯类大分子PET、PBT、PC、PMMA中的任意一种时，可解决本发明合金组分极性的差异，提高相界面的分散均匀性，综合提升力学性能。
作为优选方案，所述氮系阻燃剂的结构如下式I所示：
其中，R1、R2、R3相同，彼此独立，其结构为-NCH、-NO3、-NH2、-N(CH3)或-N2Cl。
作为优选方案，所述磷系阻燃剂与所述氮系阻燃剂的质量比为(3-7):1。
本发明经过大量试验后确定特定比例的磷系阻燃剂与氮系阻燃剂复配，能使本发明的ABS复合材料具有最佳的阻燃、韧性和耐冲击性能。
作为优选方案，所述相容剂为PMMA或PC，更优选为含有丙烯酸酯结构的大分子PMMA，熔体流动速率在9-12g/10min(230℃，3.8kg条件测试)，力学性能最佳。
作为优选方案，所述增韧剂为MBS、SBS、SEBS、ASA中的一种，所述增韧剂优选为具有核壳结构的丁二烯-苯乙烯共聚物MBS，采用MBS增韧剂与聚酯类相容剂协同使用有助于降低ABS的难燃性，提高阻燃效率。
以具有核壳结构的丁二烯-苯乙烯共聚物为增韧剂，对聚乳酸进行增韧，可以更加有效提高聚乳酸的断裂伸长率、抗冲击强度以及拉伸强度，获得综合性能良好的聚乳酸。
本发明所述聚苯乙烯组合物中，ABS和PLA的含量不低于45wt％；
本发明所述组合物，在不损害本发明的效果的情况下，还可以含有润滑剂，抗氧剂，所述润滑剂可选自酰胺类的EBS B50，所述抗氧剂可选自受阻酚类的SONOX 1010。
本发明所述的无卤阻燃ABS复合材料的制备工艺，具体包括如下步骤：
(1)按配比将ABS树脂、PLA树脂、相容剂、增韧剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂在混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)所得混合物经双螺杆挤出机熔化、混合和挤出后，造粒，干燥得到所述无卤阻燃ABS复合材料。
优选地，步骤(1)所述混合机为高速混合机，转速为1000-1200r/min，混合时间为2-5分钟。
优选地，步骤(2)所述双螺杆挤出机螺筒的温度控制在170-185℃之间，双螺杆挤出机的长径比是(38-41):1，螺杆转速为300-500转/分钟。
本发明所述的无卤阻燃ABS复合材料在制备电子电器或办公用品中的应用，特别是用于电子电器领域的充电器，UPS或办公用品领域中的打印机，投影仪等产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种无卤阻燃ABS复合材料，通过将ABS树脂、PLA树脂作为树脂基体进行合金化设计开发，通过相容剂解决了合金体系相容性，克服了由于树脂极性的差异所造成的性能缺陷，同时加入增韧剂，大大提升了合金材料的力学性能，同时进行了无卤阻燃性能的开发，本发明所述无卤阻燃ABS复合材料具有优异的综合性能及无卤阻燃性能，合金材料具有较好的产业化应用价值。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
<实施例和对比例的制备>
本发明实施例和对比例所用的原材料均来源于市购，但不限于这些材料：
ABS树脂：牌号ABS8391，购自中石化上海高桥公司；
PLA树脂A：牌号PLA 4032D，购自美国Nature Works，熔体流动速率为7.0g/10min；
PLA树脂B：牌号为PLA 4043D，购自美国Nature Works，熔体流动速率为6.7g/10min；
PLA树脂C：牌号为PLA 4060D，购自美国Nature Works，熔体流动速率为5.6g/10min；
PLA树脂D：牌号PLA 3052D，购自美国Nature Works，熔体流动速率为14g/10min；
磷系阻燃剂：对苯二酚双(二苯基磷酸酯)，牌号WSFR-PX-220，购自浙江万盛公司；
氮系阻燃剂：三聚氰胺氰尿酸盐，牌号MCA，购自四川省精细化工研究设计院；
相容剂A：聚甲基丙烯酸甲酯，牌号PMMA 20HR，购自沙比克中国公司；
相容剂B：聚碳酸酯，牌号PC1300 10NP，购自LG化学公司；
相容剂C：马来酸酐接枝ABS相容剂，牌号KT-2，购自沈阳科通塑胶有限公司；
增韧剂A：甲基丙烯酸-丁二烯-苯乙烯共聚物，牌号EM500，购自LG化学公司；
增韧剂B：苯乙烯-丁二烯共聚物，牌号为YH-792E，购自中石化巴陵石化公司；
增韧剂C：ASA物质，牌号为A600N，购自广州润锋化工公司；
本发明各实施例及对比例的复合材料通过如下过程制备得到：
按配比称取各组分，加入混合机中混合均匀，得到预混物；将预混物送入双螺杆挤出机中混炼、挤出、加工制得无卤阻燃ABS复合材料。双螺杆挤出机转速为300-500rpm，170-185℃，双螺杆挤出机的长径比是40:1。
实施例和对比例经过以下测试方法或测试标准：
悬臂梁缺口冲击强度：ISO 180-2000(A型缺口)，测试条件：23℃，4mm；
阻燃等级：UL 94-2018，测试样品厚度为2.0mm；
表1各实施例复合材料的配方(重量份)
表2各对比例复合材料的配方(重量份)
表3实施例的性能测试结果
表4对比例的性能测试结果
从表3和表4实施例和对比例的比较可以看出，磷酸酯阻燃剂和氮系阻燃剂在ABS/PLA复合材料中具有较好阻燃作用，共同使用后在低添加量下可以达到稳定V-2阻燃等级。相容剂能够有效解决复合材料的相容性，提升力学韧性，解决阻燃复合材料力学性能差的缺点。增韧剂能够有效提高复合材料的韧性，使其具有优异的综合性能，制得的材料垂直燃烧等级可以达到V-2等级，悬臂梁缺口冲击强度可以达到12kJ/m2及以上，相比于对比例具有明显优势，可有效满足客户与市场高标准需求。
对比例1-8与实施例3相比，对比例1只加入磷系阻燃剂，未加入氮系阻燃剂，对比例2只加入氮系阻燃剂，未加入磷系阻燃剂，使得材料阻燃性能下降，对比例3的PLA树脂加入量较少，导致材料不能实现较好V-2阻燃等级，对比例4加入的PLA树脂熔体流动速率较低，无法起到协助阻燃的作用，对比例5加入的PLA树脂熔体流动速率较高，使得材料力学性能下降，对比例6和对比例7分别未添加相容剂与增韧剂，使得材料的力学性能无法得到明显改善，对比例8加入的相容剂为马来酸酐接枝ABS，力学性能无法得到明显改善。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

  1. 一种无卤阻燃ABS复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
    ABS树脂26-50份
    PLA树脂25-35份
    磷系阻燃剂6-15份
    氮系阻燃剂2-5份
    相容剂5-12份
    增韧剂5-12份；
    其中，所述PLA树脂的熔体流动速率为6.5-10g/10min，所述相容剂为PET、PBT、PC、PMMA中的任意一种。
  2. 根据权利要求1所述的无卤阻燃ABS复合材料，其特征在于，所述氮系阻燃剂的结构如下式I所示：
    其中，R1、R2、R3相同，彼此独立，其结构为-NCH、-NO3、-NH2、-N(CH3)或-N2Cl。
  3. 根据权利要求1所述的无卤阻燃ABS复合材料，其特征在于，所述磷系阻燃剂与所述氮系阻燃剂的质量比为(3-7)：1。
  4. 根据权利要求1所述的无卤阻燃ABS复合材料，其特征在于，所述增韧剂为MBS、SBS、SEBS、ASA中的任意一种。
  5. 一种如权利要求1-4任一项所述的无卤阻燃ABS复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
    (1)按配比将ABS树脂、PLA树脂、相容剂、增韧剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂在混合机中混合均匀；
    (2)将步骤(1)所得混合物经双螺杆挤出机熔化、混合和挤出后，造粒，干燥得到所述无卤阻燃ABS复合材料。
  6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
    步骤(1)所述混合机为高速混合机，转速为1000-1200r/min，混合时间为2-5分钟；和/或
    步骤(2)所述双螺杆挤出机螺筒的温度控制在170-185℃之间，双螺杆挤出机的长径比是(38-41):1，螺杆转速为300-500转/分钟。
  7. 如权利要求1-4任一项所述的无卤阻燃ABS复合材料在制备电子电器或办公用品中的应用。
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