高光泽阻燃增强PET-PBT合金材料的研究与开发

马元好， 郑夏莲

（宜春学院物理科学与工程技术学院， 江西 宜春 336000）

引言

塑料已被当代社会广泛运用，种类也是日新月异。最近几年来，由于研制新的合成高聚物非常困难，而塑料合金化可以让材料品种更加多样化，并可以改进各种原有塑料的不同性能，因此，塑料合金化已然变为高分子材料研究领域的一个重要发展趋势。其中，聚酯合金的可调试性很高，已然成为塑料合金中的一个重要组成部分。能够合金化的聚酯种类很多，包括聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸1，3丙二醇酯（PTT），以及聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）等[1-4]。

PET是当前工业比较常用的一种工程塑料，它综合性能良好，成本较低；在纤维、薄膜和中空容器中应用广泛[5-6]。但PET结晶慢，不完整并且结晶不均匀，从而使其成型周期较长、易翘曲且抗冲击性差，在工程塑料应用中受到较大限制。目前，利用混合剂制备高分子合金材料的办法是改善PET性能的一种趋势，其中PBT就是一种很好的相容材料[7]，PBT材料能很好地与PET相容提高其韧性及结晶速率[8-9]，但PET-PBT合金材料也具有光泽不好和阻燃性较差的缺点。通过研究不同阻燃剂的复配，将复配后阻燃剂用于PET-PBT合金材料中，研究了不同比例的阻燃剂对PET-PBT合金力学性能、阻燃性能和光泽度的影响；同时研究了不同类型的阻燃剂对PET-PBT合金的影响，从而可以用来生产汽车装饰件，应用于工程领域的导电复合材料和阻燃材料生产中。

1 实验部分

1.1 原材料

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）：中国石油辽阳石油化纤公司；聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）：S3120，江苏仪征化纤工程塑料厂；十溴二苯乙烷：广州市川聚化工科技有限公司；Mg（OH）2：杭州吉康新材料有限公司；Al（OH）3：江阴市广源超微细有限公司；Sb2O3:丽水泰森防水科技有限公司；纳米SiO2：江苏天行新材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

高速搅拌混合机：无锡诺亚机械有限公司SXJ-50L；

双螺杆挤出机：南京科亚化工成套设备有限公司TE35；塑料成型注塑机：海天塑机集团有限公司HTJ86；电子万能试验机：深圳市新三思材料检测有限公司CMT5504；

全自动落锤冲击试验机：深圳市新三思材料检测有限公司ZCJ1000；

水平垂直燃烧测试仪：东莞市崇圣仪器设备有限公司CS-UL94。

1.3 试样制备

本文通过在PET-PBT合金材料中添加一些填充剂及化学物的配比，从而改善其表面的光泽度和阻燃性。将PET加入高速搅拌混合机中进行搅拌，搅拌速度为500 rad/min，加入偶联剂后搅拌约3～5 min后继续加入成核剂纳米SiO2，继续搅拌至二氧化硅分散均匀，加入PBT和阻燃剂搅拌至均匀。然后将复合料放入高速挤出双螺杆进行熔融挤塑、冷却、风干、切粒、筛选、干燥。其中PET与PBT质量比为1:2，（PET+PBT）与阻燃剂质量比为 7:1～5:1。图 1为PET-PBT合金制备工艺流程图。

图1 PBT-PET合金制备工艺流程图

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃剂的复配对PBT-PET合金的影响（详见表1）

传统的阻燃方法是添加溴系阻燃剂，但使用溴系阻燃剂的PET-PBT合金材料的力学性能较差、颜色较黄且不环保；而溴系阻燃剂较贵，产品性价比不高。卤系阻燃剂与Sb化物的配比是十溴二苯乙烷与Sb2O3质量比为15:4，然而这种传统的卤系阻燃剂的原料及配比制备的产物力学性能较差；因为反应中有Cl基，产物会带黄色影响产物色泽，而Sb化物略贵，不易被社会广泛使用[10-11]。

本论文在传统阻燃方法中加入适量的Mg（OH）2和 Al（OH）3来替代部分 Sb2O3；加入 Mg（OH）2和Al（OH）3有以下几个优点：Mg（OH）2和Al（OH）3原料便宜，性价比高；Mg（OH）2和Al（OH）3中的羟基易与十溴二苯乙烷反应生成水，增强其阻燃性；生成产物中的颜色也会明显变淡。

表1 不同比例的阻燃剂对PET-PBT合金性能的影响

从表 1可以看出，加入适量的 Mg（OH）2和Al（OH）3来替代部分Sb2O3有利于改善合金的性能，其中以添加组合阻燃剂配比是十溴二苯乙烷、Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的质量比为8:4:2:2的合金性能最优，最终制备的合金的配方是PET、PBT、十溴二苯乙烷：Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的质量比为28：56：8:4:2:2，其拉伸强度最高，阻燃性能最优异，颜色较浅。

2.2 螺杆的组配

本文对制备的PET-PBT合金材料采用玻纤增强技术，而玻纤增强技术用双螺杆进行增强。一般同向双螺杆挤压过程是由输送、熔融、计量均化等功能区组成，如图2所示。不同的功能区需要不同的局部螺杆构型与之相适应，以完成不同的功能，从而得到不同的产物。螺杆配置的目标就是根据挤压工艺与产品特性的要求，合理安排螺杆元件组合，实现整根螺杆构型的最优化。

图2 螺杆构型的功能分区

本文把输送区及计量均化区稍微缩短，加长熔融区；在熔融区的剪切部分加长并使用90°的剪切，这样可以使玻纤最大化地熔入PET-PBT合金材料中，从而使玻纤增强达到最大化。

2.3 成核剂的添加

PBT结晶温度比PET的要高，结晶速率更快，结晶后二者性能不稳定。为了减小PET-PBT合金材料结晶性能上的差距，本文采用了添加成核剂的方法来改善材料的性能。成核剂一般都有滑石粉、Ca-CO3、纳米 SiO2、纳米 TiO2、苯甲酸钠、Surlyn 这几种物质[12-14]，本文选用的成核剂为1‰纳米SiO2促进成核。

2.4 阻燃剂对PET-PBT合金性能的影响（详见表2）

虽然PBT分子主链上含有苯环，但其并不像聚碳酸酷（PC）、尼龙（PA）、聚苯醚（PPO）等聚合物一样燃烧时易于成炭；相反，PBT非常容易燃烧，并且非常难以成炭，且燃烧时释放的烟量较大，容易出现融滴落的现象，因此一般需要釆用添加某些阻燃剂对PBT进行阻燃改性。

表2 不同阻燃剂对PET-PBT合金性能的影响

从表2可以看出，十溴二苯乙烷阻燃剂对合金材料的阻燃性能有影响，由于它的成本较高，影响它的实际运用价值；另一方面，十溴二苯乙烷在塑料中容易导致塑料变脆和向表面迁移影响外观。加入同质量的无机阻燃剂，在阻燃性能和力学性能上都远远达不到要求，如果要把阻燃等级提升到V-0加入量要达到40份，这样会严重恶化力学性能，表面比较粗糙。而添加复合阻燃剂的合金材料达到了V-0级，综合性能较好，表面性能较好，可以满足使用要求。

3 结论

1）本文制备了PET-PBT合金材料，PET与PBT共混可以降低成本，对于PET而言，则解决了结晶速率慢、不易成型的问题，两者共混可取长补短。

2）研究PET-PBT合金材料的光泽度问题：光泽好能更好地被市场所接受。

3）双螺杆的设计：不同组配的双螺杆可以得出不同性能的合金。

4）使用低成本的原料及填充料，使制备物性价比提高；工艺简单化。最终制备的合金的配方是PET、PBT、十溴二苯乙烷、Mg（OH）2、Al（OH）3、Sb2O3的质量比为28∶56∶8∶4∶2∶2,其拉伸强度最高，阻燃性能最优异，颜色较浅。

5）相比十溴二苯乙烷阻燃剂和无机阻燃剂，添加复合阻燃剂的合金材料达到了V-0级，综合性能较好，表面性能较好，可以满足使用要求。