磷硅阻燃剂的合成及其在聚碳酸酯和聚碳酸酯合金中的应用

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聚碳酸酯(PC)是一种具有较佳综合性能的热塑性工程塑料,以其优异的力学性能、电气绝缘性能、耐热性和抗蠕变性而广泛应用于国民经济的多个领域中。PC和苯乙烯/丁二烯/丙烯腈共聚物(ABS)的共混合金PC/ABS很好地实现了两者性能上的互补,不仅合金的耐热性能、拉伸强度和冲击强度优于ABS,而且其熔体粘度比PC低,加工性能好,制件内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性都大大降低。优异的综合性能使PC/ABS广泛地应用于电子、家电和汽车等多个行业中。中级粘度的PC极限氧指数值(LOI)可以达到26%,具有一定的自熄性,但阻燃测试只能达到UL94V-2@3.2mm等级;ABS属于易燃材料, LOI在18%左右,且残炭量几乎为零。鉴于PC和PC/ABS的应用领域对其有较高的阻燃要求,不达标的阻燃性能给人们的生命和财产安全带来很大的潜在威胁,针对其进行阻燃改性就显得迫切重要。本论文以三氯氧磷、季戊四醇和苯基三氯硅烷为原料合成磷硅系阻燃剂PPSi,并通过FTIR、1HNMR、31PNMR和TGA等测试方法对其结构和性能进行表征。PPSi的起始分解温度为380℃,在700℃时的残炭量为48.6%,且具有较好的水解稳定性。分别将PPSi与KSS复配和单独应用于PC的阻燃改性中,研究其阻燃效果和机理。实验表明添加0.2wt%的PPSi、0.2wt%的KSS和0.3wt%的PTFE可以使PC的阻燃性能从UL94V-2@3.2mm等级提升至UL94V-0@1.6mm等级,LOI从26%提升至37%。同时锥形量热测试表明,PPSi和KSS的加入能降低PC材料的热释放速率和烟雾释放量,具有良好的阻燃效果,而且添加阻燃剂后能保持基材良好的力学性能。将PPSi单独应用于PC阻燃时,添加4wt%的PPSi能够使PC阻燃性能达到UL94V-0@1.6mm等级,而且能够更有效地改善PC材料的热释放情况和烟雾释放情况。锥形量热测试结果表明,添加了4wt%的阻燃剂PPSi后,试样的热释放速率峰值从纯PC的298kW/m2降为198kW/m2,下降幅度高达33.5%;热释放总量也从165.8MJ/m2降为131.4MJ/m2,下降幅度达20.7%;烟雾释放总量从4617m2/m2下降至2390m2/m2,下降幅度高达48%,具有明显的抑烟效果。TGA表明PPSi的分解产物会影响PC的热降解过程,从而改善PC燃烧时的成炭结构。锥形量热测试后的残炭形貌分析也表明PPSi阻燃PC时的炭层结构发生改变,阻隔性能增强,可以有效降低材料的热释放和烟雾释放。将PPSi应用于PC/ABS的阻燃中,实验结果表明添加8wt%的PPSi可以使PC/ABS由UL94V-2@3.2mm等级提升至UL94V-0@1.6mm等级,LOI从22%提升至32%,在氮气氛围下的热重测试分析表明PPSi可以有效增加试样在无氧热降解过程中的成炭量。综上所述,PPSi可以提升PC和PC/ABS合金的阻燃性能,改善材料燃烧时的残炭结构,提升阻隔性能,赋予材料良好阻燃性能,同时还能够保持材料优异的力学性能。
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