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倍半硅氧烷及蛭石阻燃PC/ABS材料

聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金是一種常用的工程塑料,廣泛應用于家電、玩具、電子電器、建筑及汽車工業等領域,這些領域對材料的阻燃性有一定的要求,而ABS的添加使PC/ABS阻燃性降低,為提高其應用量,需對其進行阻燃改性。

應用在PC/ABS的無鹵阻燃劑主要有:有機磷系、硅系、硼系等,聚硅氧烷是有機硅系阻燃劑的典型代表,燃燒時生成Si-C阻隔層,發揮阻燃效果,而倍半硅氧烷是聚硅氧烷阻燃劑的后起之秀,具有極好的耐候性、耐水解性和持久阻燃性。蛭石(VMT)是一種次生礦物,不同產地的蛭石都具有相似的層狀結構,有無毒、尺寸穩定性好、耐高溫及比表面積大等特點,在特定的體系中,其與相應阻燃劑有協同阻燃效果。

湖南化工職業技術學院通過熔融擠出制備PC/ABS復合材料,研究倍半硅氧烷阻燃劑(Si-9501)和VMT對PC/ABS阻燃性能的影響,發現倍半硅氧烷對PC/ABS有一定的阻燃效果,VMT可以提高倍半硅氧烷/PC/ABS的阻燃性能。
PC/ABS阻燃材料配方


對LOI的影響


倍半硅氧烷

從上表可以看出,未添加阻燃劑的PC/ABS(1#)的LOI為23.4%,是可燃材料,按UL94標準檢測直接燃燒至夾具,在PC/ABS中加入0.6%的倍半硅氧烷阻燃劑(2#),其LOI上升到28.7%,阻燃達到UL94 V–0級(3.2 mm),這是因為倍半硅氧烷阻燃劑在燃燒時可以加速催化聚合物表面成碳,同時形成硅氧烷特有的Si—O鍵和Si—C鍵的無機隔氧絕熱保護層,隔離部分氧氣、熱量和可燃性氣體,提高材料的阻燃性。

VMT

在阻燃PC/ABS中添加VMT,隨著VMT添加量的增加,復合材料的阻燃性先上升后下降,這可能是因為VMT是層狀結構,在聚合物中有一定的阻隔作用,材料燃燒時,其覆蓋在材料表面,可以提高無機隔氧絕熱保護層的密實度,而在VMT添加量較小時,其在PC/ABS中的分散性好,覆蓋面大,提高無機保護層密實度的效果好,當添加量過大時,其在PC/ABS中團聚,覆蓋面變小,對應效果變差。VMT的添加量為2%時,阻燃PC/ABS (4#試樣)的LOI為31.8%,相對未添加的2#試樣提高10.8%,阻燃達到UL 94 V-0級(2.0 mm)。
對熱失重的影響


倍半硅氧烷

由上表可知,PC/ABS (1#)的起始失重溫度(T5%)為414℃,最大失重溫度(Tmax%)為455℃,添加0.6%的倍半硅氧烷阻燃劑后(即2#試樣),材料的T5%和Tmax%沒有明顯變化,700℃的殘炭率從17.2%上升到19.8%,提高了15.1%,這主要是因為倍半硅氧烷在高溫下形成Si—O鍵和Si—C鍵的無機保護層,覆蓋在PC/ABS表面,隔絕部分氧氣和熱量,增加了成炭量。

VMT

隨著VMT添加量的增加,阻燃PC/ABS的T5%和Tmax%先上升后下降,這是因為填加量較小時,VMT可以很好分散在PC/ABS中,隔絕熱量的效果好,材料的分解速度降低,熱穩定性提高,添加量過高時,其在PC/ABS中團聚,隔熱效果變差,材料熱穩定性相對下降。添加2%的VMT (4#試樣),阻燃PC/ABS的T5%,Tmax%及700℃的殘炭率分別從412,451℃和19.8%上升到424,468℃和22.4%。
對燃燒行為的影響


倍半硅氧烷

從上表可看出,在1#中添加0.6%的倍半硅氧烷阻燃劑后(即2#試樣),復合材料的點燃時間(TTI)和火災性能指數(FPI)增加,熱釋放速率峰值(PHRR),總熱釋放量(THR),平均有效燃燒熱(AEHC),總生煙量(TSR)和平均質量損失速率(AMLR)對應減少,這是因為倍半硅氧烷阻燃劑可以加速催化聚合物表面成碳,同時形成Si—O鍵和Si—C鍵的無機保護層覆蓋在材料表面,隔離部分熱量和可燃性氣體,使材料的點燃時間延長,燃燒激烈強度、燃燒蔓延及燃燒放煙量降低,提高了阻燃性。


VMT

隨著VMT添加量的增大,阻燃PC/ABS的TTI和FPI先增大后減小,PHRR,THR,AEHC,TSR和AMLR先減少后增大。

在阻燃PC/ABS中添加2%的VMT(4#試樣),其TTI和FPI相對未添加的2#試樣分別提高12.7%和28.6%,PHRR,THR,AEHC,TSR和AMLR分別降低16.4%,24.9%,11.9%,20.9%,23.3%。

節選自李湘,殷潔,方松剛,等. PC/ABS/VMT/倍半硅氧烷/阻燃性能的研究[J].工程塑料應用,2021,49(9):135–138.

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