无卤阻燃PBT的研究进展及其在汽车部件中的应用

刘 伟，曹 冰

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460）

在生产制造中，因为塑料具有强度大、质量轻以及耐化学药品腐蚀性强等优点［1-3］，正逐渐代替金属及金属合金材料。聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）是由对苯二甲酸与1,4-丁二醇缩聚而成，属于热塑性塑料，具有较高的耐热性、韧性、耐疲劳性，但不耐强酸、强碱，能耐有机溶剂，可燃，高温条件下分解等特点。普通PBT容易燃烧，并且释放出大量有毒气体，污染环境。因此，对PBT进行阻燃改性非常必要。传统PBT阻燃改性主要采用卤系阻燃剂（如十溴二苯醚、溴化环氧树脂等），但使用卤系阻燃剂会释放卤化氢，严重影响人体的免疫系统［4-6］，欧盟已禁止使用卤系阻燃剂［7］。采用清洁、有效、无毒的阻燃剂（如磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、硅系阻燃剂等）改性PBT已经成为必然。随着合成技术及加工技术的不断发展，推动了PBT在汽车部件中的实际应用。本文综述了无卤阻燃PBT的研究进展及在汽车部件中的应用。

1 无卤阻燃PBT的研究进展

1.1 PBT的制备工艺及其注塑工艺优化

PBT的制备方法主要有酯交换法、直接酯化缩聚法以及固相缩聚法。其中，酯交换法和直接酯化缩聚法可生产聚合度在100左右，相对分子质量20 000～35 000的PBT，采用这两种制备方法的优点是设备简单，反应条件温和，易进行酯交换和缩聚反应的分步控制，但分批生产，效率低。固相缩聚法可生产一些工程塑料制品，如需要聚合度为150～200，相对分子质量在40 000以上的PBT。固相缩聚制备方法比较复杂，需要在固相缩聚反应器中进行，主要包括预结晶，退火，反应和冷却四个主要过程，设备比较复杂。

PBT在注塑成型时收缩率较大，尺寸稳定性较差，容易导致制品翘曲变形量过大，无法满足实际生产要求。需要优化注塑成型工艺，改善PBT的收缩均匀性，解决PBT制品的性能和尺寸稳定性。目前，国内外针对高性能PBT的研究主要集中在PBT注塑工艺优化。通过对材料收缩均匀性的研究，从塑件的生产工艺、模具设计等方面进行改进，从而改善塑件的收缩均匀性，提高塑件的尺寸精度。尹兴昌等［8］研究了熔体温度、模具温度、螺杆转速、注射速率、背压、保压压力、保压时间、滞留时间等对PBT结晶形态和力学性能的影响，发现熔体温度对PBT的结晶和降解均有很大影响，当熔体温度由240 ℃上升到280 ℃，结晶度提高了10.4%，相对分子质量降低了26%，试样变脆，断裂伸长率由250%降到30%；在熔融温度为280 ℃的加工条件下，当注射周期由36 s增长到56 s时，PBT的黏均分子量从25 500降到18 800，因此，随着熔体温度的升高和滞留时间的增长，PBT降解明显加剧。

1.2 PBT的改性方法

为了提高PBT的缺口冲击强度，改善成型加工收缩造成的翘曲变形，提高耐热性能，可采用熔融共混法和填充改性法对PBT进行改性。2003年，欧盟发布相关指令，限制卤系阻燃剂的使用。目前，PBT的阻燃改性研究主要集中在无卤阻燃剂的选择以及制备工艺方面。

1.2.1 熔融共混法

熔融共混法是将聚合物各组分进行充分混合，在挤出端加上挤出模具对共混料进行成型操作，让模具的温度达到聚合物的熔融温度，然后经过冷却得到制件。由于物料处于熔融状态，各类聚合物分子间的对流和扩散十分剧烈，加上挤出设备强的剪切力作用在物料上，促进聚合物分子间的相容。左铖等［9］采用导电炭黑（CB）和多壁碳纳米管（MWCNTs）为导电组分，以PBT为基体，用熔融共混法分别制备了两相复合材料PBT/CB，PBT/MWNTs和三相复合材料PBT/CB/MWNTs，提升了材料的力学性能和储能模量。莫文杰等［10］利用双螺杆挤出机采用熔融共混法制备了增韧PBT，研究了树脂黏度、增韧剂用量和挤出工艺对材料性能的影响。发现当树脂为高黏PBT，增韧剂用量为2.0%（w）时，最佳挤出工艺为转速300 r/min，喂料量100 kg/h，此时材料的断裂伸长率达15.0%，无缺口冲击次数为3次。

1.2.2 填充改性法

填充改性法是将一些与基体物理化学性质不同的固体添加物添加到聚合物基体中，使聚合物具有一定的特殊性能。添加物一般是有一定几何形态的固态物质，不与聚合物基体发生化学反应。蔡挺松等［11］采用纳米氢氧化铝（CG-ATH）对PBT进行填充改性，结果表明，在CG-ATH填充量达到15%（w）时，拉伸强度最大，为58.2 MPa。栾宝勇等［12］采用纳米SiO2粒子对PBT表面进行改性，发现改性后的树脂流动性得到改善，拉伸强度、断裂伸长率均提高。

通过添加玻璃纤维，使PBT的弯曲强度和拉伸强度提高，同时制品的收缩均匀性、缺口敏感性、耐蠕变性、耐疲劳性和耐热性得到显著改善。宋功品等［13］研究了生产工艺、玻璃纤维含量及分布等对PBT性能的影响，结果表明，复合材料的综合性能随着玻璃纤维平均长度及含量的增加而提高，同时试样表面的粗糙度变大。

成核剂对PBT结晶行为的影响。通过加入成核剂，提高体系的结晶行为，并且细化晶粒，提高体系尺寸稳定性。瞿东蕙等［14］采用复合成核剂HCA-1对PBT进行结晶行为影响的研究，按照PBT与成核剂HCA-1的质量比为1∶1进行注塑，添加复合成核剂HCA-1后，PBT的结晶温度提高20 ℃以上，促进了PBT的结晶。

1.2.3 阻燃改性

张超等［15］采用有机磷阻燃剂CJ1002对PBT进行阻燃改性，结果表明，当有机磷阻燃剂质量分数为18%时，复合材料的拉伸强度与弯曲强度变化不大，冲击强度下降33%，极限氧指数达到30.1%，阻燃级别为UL 94 V-0级。张友强等［16］采用氮-磷系HT-202A作为无卤阻燃剂，研究了阻燃剂对PBT阻燃性能以及力学性能的影响。结果表明，当玻璃纤维含量为30%（w），阻燃剂HT-202A含量为16%（w），增韧剂SWR-6B添加量为5%（w）时，复合材料的阻燃等级达UL 94 V-0级，拉伸强度为101 MPa，弯曲强度为145 MPa，其阻燃效果及力学性能与采用卤系阻燃剂的PBT一致。陈秀宇等［17］采用硅烷偶联剂对玻璃纤维进行改性，并探讨螺杆转速和螺杆组合对阻燃增强PBT力学性能的影响。结果表明:在满足阻燃等级为UL 94 V-0级的基础上，改性玻璃纤维与基体界面的相互作用提高，复合材料的拉伸强度提高了10.6%，弯曲强度提高了13%，缺口冲击强度提高了19.6%。

2 无卤阻燃PBT在汽车部件中的应用

无卤阻燃PBT由于其优异的性能，在汽车部件中得到广泛应用。采用无卤阻燃玻璃纤维增强PBT制备的汽车门把手，可以承受不同气候环境，耐化学药品腐蚀以及具有高的刚度；制备的汽车门锁系统具有良好的刚性和尺寸稳定性以及耐高温性［18］；车灯框架具备耐高热变形性能，且与玻璃金属具有良好的黏结性；汽车保险杠具备超高冲击性、优秀耐寒性、良好防震性等［19］。为了节约塑料注塑模具的成本，一般将无卤阻燃PBT注塑成简单的结构，然后通过焊接的方式组装连接成结构复杂的部件。激光塑料焊接的焊缝强度大、密封性好、寿命长［20-21］，已经在汽车部件（如汽车车灯、摄像头模组等）中得到应用。

3 结语

PBT的改性主要有熔融共混法、填充改性法以及无卤阻燃改性，通过改性，提高了材料的力学性能及阻燃性能，满足功能性要求。随着汽车轻量化的要求越来越高，更多的汽车部件需要采用塑料，无卤阻燃PBT的使用量将越来越多，这将成为未来汽车部件制造的发展趋势。