ABS无卤阻燃复合材料的制备与性能研究

Abstract : T he ha lo gen free flam e retardant system on ABS w as stu died by using in tum escent ammonium po ly phosphate ( APP ) as the acid source, PA6 and m od ified PA6 ( MPA6) as the carbon sources , zeo lite 4A as the charring agen. t LOI values , ther m al grav i m e tric analysis and charcoa l la yer surface of the com pound w ere investigated . M eanw hile M PA6 and e lastom er ( E MA GMA ) w ere applied to th e toughen ing m od ifica t io n of th e ABS com posites . T he results show ed that the add ition o f APP /PA6 and zeo lite 4A i m proved the fla m e ratardanded properties of ABS resin, th e LOI va lu e w as 32 % up to UL94V 0 rate . W hen MPA6 and elastom er ( E MA GMA ) were added , th e flam e retardance o f com posite kept high , the tensile streng th w as 2 2 descended slightly , wh ile i m pact strength w as in creased from 3 11 kJ /m to 4 kJ/m . K eyw ord s : ABS ; H alogen free F lam e Re tardance ; T oughening ; C omposite ; M echanical P roperty 丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯 ( ABS) 作为一种热塑 性工程塑料以其优异的力学性能, 化学惰性和易加工 性被广泛应用于各行业 , 但易燃却是 ABS 与生俱来 的缺陷
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末 , 材料燃烧后 , 表面形成了较均匀致密的炭层, 但 炭层表面存在明显的裂痕 , 不能很好地起到隔热、隔 # 氧的作用, 阻燃性能比 1 试样有所提高。图 2c 、 d分 别是加 入 PA6、改性 PA6 成炭剂 的阻 燃复 合材 料。 可以看出 , 由于 PA6 的成炭 作用, 试 样炭 层发 泡, 膨胀显著改善, 而且炭层表面均匀致密蜂窝状结构清 晰可见 , 表明炭层厚实, 从而有效阻止了氧气和热量 的传递 , 复合材料的阻燃性能显著提高。
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阻燃剂 , 聚酰胺 6 ( PA6) 为炭源, 4A 分子筛粉末为Байду номын сангаас成炭协效 剂, 对 ABS 进行 阻燃改 性。在 此基础 上, 采用改性 PA 6 (M PA6) 和添加乙烯 - 丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物 ( E MA GMA ) 弹 性体对阻燃 ABS 进行力学改性, 以获得具有较高韧 性的无卤阻燃 ABS 复合材料。
P reparation and Properties S tudy of H alogen free F lam e R etarded ABS Com posites
WANG L ei m ing , WE I Gang, Zhang Jia n qun , YAN Jing
( Co llege o fM ater ia l Sc . i & Eng . , X ihua U n iversity , Chengdu 610039, Ch ina)
合材料的拉伸强度有较大幅度的降低, 从纯 ABS 的 52 M Pa 下降到 40M Pa 左右。添加成炭剂 PA6 及协效 剂 4A 分子筛后, 阻燃复合材料的拉伸强度又略有下 降。增韧改性后的 4 、 5 试样的拉伸强度又进一步减 小 , 这是由于 弹性体 E MA GMA 的拉 伸强 度较 低, 导致复合材料拉伸强度继续下降。此外, 加入阻燃剂 后 , ABS 复合材料 的冲击强 度损失更 为明显 , 从纯 ABS 的 16 kJ/m 下降到 4 34 kJ/m 左右, 且随着成炭 剂 PA6 及协效剂 4A 分子筛的加入, 复合材料冲击强 2 2 度从 4 34 kJ/m 下降到 3 11 kJ /m 。采用 M PA6 及 E MA GMA 改性后的 4 、 5 阻燃材料 , 其缺口冲击强 度有所增加 , 达到 4 kJ /m 左右。 增韧改性前后 ABS 阻燃复合材料 ( 3 、 5 试样 ) 的缺口冲击断面照片如图 4 。从图中可以看出, 增韧 改性前复合材料冲击断面比较平整, 有阻燃剂粒子脱
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图 1 ABS 阻燃材料的 TG 曲线 F ig 1 TG curves for different syste ms
2 3 残炭形貌 通常认为膨胀性阻燃作用的关键在于 : 材料燃烧 时能在其表面形成致密的焦化炭层, 阻止热量、氧气 的传递和进入, 抑制材料燃烧过程中产生的可燃性物 质的渗透 , 从而起 到终止燃烧的 作用 。从图 2a 可以看出, 由于 ABS 自成炭性极弱 , 单独加入高聚 合度聚磷酸铵时 , 复合材料燃烧后形成的炭层较薄且 存在较大孔洞, 不能有效阻止空气中的氧气和燃烧过 程中的热 量进入材 料 内 部, 阻燃效果 不 明 显。 图 2b 给出 了在 ABS / APP 基 础 上加 入 4A
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2 结果与讨论
2 1 燃烧性能 为考察不同阻燃体系和增韧剂的加入对 ABS 阻 燃性能的影响, 本文设计了五组不同的试样, 其燃烧 性能测试结 果如表 1 。从 表 1 可 以看出 , 单独 加入 APP时阻燃 ABS 复合材料 的氧指数 提高 幅度不 大, 从纯 ABS 的 18 3 % 提高到 22 % 。保 持阻 燃剂总 量 25% 不变, 用 3 % 的 4A 分子筛代替等量的 APP 加入 到 ABS 中 (试样 2 ) , 复合材料的氧指数略有提高。 由于 1 , 2 试 样均缺少有效的成 炭剂, 复合 材料的 # UL 94测试均不能达到 V 0 级。加入 PA6 的试样 ( 3 试样 ) 的氧指数明显高于未加 PA 6的 ABS 阻燃试样, 由于 PA6 在燃烧过程中能与 APP 反应形成膨胀性炭 层 , 有效阻止氧气和热量的传递, 提高了材料的阻燃 性能, 氧指数 从 24 5 % 提高到 32 % , UL 94 测定达 到 V 0 级。加入改性 PA6 的 4 试样和进一步添加 E MA GMA 弹性体的 5 试样, 两者依然 保持了较高的 阻燃性能, 氧 指数达到 31 5 % , UL 94 测 试也 达到 V 0 级。
。随着欧盟
WEEE 和
RoH S 的发布,
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研究开发符合国际阻燃和环保要求的无 卤阻燃 ABS 已成为塑料改性领域的一个 研究热点 。 ABS 的自 成炭能力非常差 , 通常加入多元醇化合物 ( PER) 作 为成炭剂, 但由于 PER 与 ABS 相容性差, 严重影响 阻燃 ABS 的力学性能。而添加具有成炭作用的聚合 物作为炭源是目前比较常用的一种手段
第 39 卷第 1 期 2011 年 1 月
塑料工业 CH I NA PLA ST ICS I NDU STRY
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合成工艺 与 工 程
ABS无卤阻燃复合材料的制备与性能研究
王磊明 , 魏 刚 , 张建群 , 严
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静
( 西华大学材料科学与工程学院 , 四川 成都 610039) 摘要 : 以高聚合度聚磷酸铵 ( A PP) 为酸源 , 聚酰胺 6 ( PA 6) 和改 性 PA 6 ( M PA 6) 为炭 源 , 4A 分子筛 为协效 剂 , 对 A BS 进行无卤阻燃研究 , 考察了各试样的 氧指数、热失重行为和炭层形貌 , 同时选用 M PA 6 和乙烯 - 丙烯酸乙 酯 - 甲基丙烯酸缩水甘 油酯三嵌段 共聚物 ( E M A GMA ) 弹性体 对阻燃 材料进 行增韧 改性。结果 表明 : A PP /成炭剂 PA 6 及其协效剂 4A 分子筛组成的无卤阻燃体系能显著改 善了 A BS 树脂的 阻燃性 能 , 氧指 数达到 32 % , U L94 测试达 到 V 0 级。在此基础上 , 采用 M PA 6 和 E M A GM A 弹性体改性 A BS, 复合材料仍然保持较高的阻燃性能 , 拉伸强度略 有下降 , 缺口冲击强度从 3 11 kJ/m 2 提高到 4 kJ/m 2 。 关键词 : A BS; 无卤阻燃 ; 增韧 ; 复合材料 ; 力学性能 中图分类号 : TQ 325 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1005- 5770 ( 2011) 01- 0019- 03
2 2 TG 分析 热失重 ( TG ) 技术被广泛用于聚合物的热稳定 性研究。图 1 为 ABS 阻燃材料的 TG 实验曲线图。从 图 1 可以看出, 1 试样在 370 ∀ 左右便开始分解, 温
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度达到 400 ∀ 时 , 阻燃材料出现剧烈分解 , 最终的残 炭量仅为 9 7 % 。在 1 试样的基础上, 加入 3 % 的 4A 分子筛粉末作为成炭协效剂时 , 复合材料的起始热分 解温度 变 化 不 大 , 残 炭 量 由 原 来 的 9 7 % 增加到 14 1 % 。加入 PA6 或改性 PA6 时 , 两 体系的热失重 行为较为一致, 起始热分解温度出现在 320 ∀ 左右, 成炭剂的加入使得阻燃材料的起始热分解温度提前了 30 ∀ 左右 , 残炭量明显增加 , 达到 18 % 以上。由此 可见, 高聚 合度聚 磷酸铵 ( APP ) 、成炭剂 ( PA6 ) 及其协 效剂 ( 4A 分子筛 ) 对 ABS 有 较好的阻 燃作 用 , 复合材料的起始热分解温度明显提前 , 残炭量也 显著增加。