無(wú)鹵阻燃增強(qiáng)PBT灼熱絲性能提升探究

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在電子電器產(chǎn)品領(lǐng)域，PBT（聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）因具備卓越的力學(xué)性能、耐熱性、耐化學(xué)性以及出色的電絕緣性而被廣泛應(yīng)用于汽車連接件、電腦部件、AC/DC插頭、變壓器骨架等眾多場(chǎng)景。然而，在電子電器行業(yè)，材料的阻燃安全性至關(guān)重要，尤其是針對(duì)與電線等金屬直接接觸的塑料部件，因金屬線可能出現(xiàn)的過(guò)載或短路情況，會(huì)大量放熱導(dǎo)致塑料燃燒，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。因此，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制定了針對(duì)無(wú)人照管器具的灼熱絲阻燃測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)的家用電器3C認(rèn)證也將無(wú)人照管電器載流絕緣材料部件的灼熱絲性能作為強(qiáng)制性要求。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)滿足UL 94 V-0阻燃標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)PBT材料已較為成熟，傳統(tǒng)制備方式主要采用玻璃纖維（GF）配合鹵素阻燃劑及三氧化二銻的復(fù)配體系。不過(guò)，這種體系難以達(dá)到GWIT（灼熱絲起燃溫度）要求，即在灼熱絲施加作用的30秒內(nèi)全程無(wú)火燃燒。為了深入研究如何提升無(wú)鹵阻燃增強(qiáng)PBT的灼熱絲性能，本文將對(duì)BPS-Sb、無(wú)鹵阻燃劑以及復(fù)配阻燃劑對(duì)增強(qiáng)PBT力學(xué)性能及灼熱絲性能的影響展開細(xì)致分析。

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一.?BPS-Sb含量對(duì)增強(qiáng)PBT性能的作用

表1展示了不同BPS-Sb含量的增強(qiáng)PBT配方，而表2則呈現(xiàn)了在玻璃纖維含量固定為30%的條件下，不同BPS-Sb阻燃劑含量對(duì)增強(qiáng)PBT力學(xué)性能和阻燃性能的具體影響。從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，隨著阻燃劑添加量的逐步增加，體系的灼熱絲燃燒指數(shù)GWFI以及UL 94垂直燃燒等級(jí)均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這表明BPS-Sb阻燃體系對(duì)于應(yīng)對(duì)GWFI和UL 94這類直接燃燒測(cè)試的阻燃效果相當(dāng)高效。究其原因，GWFI與UL 94的測(cè)試原理相同，都是記錄在撤去外部熱源后，材料體系自主熄滅的過(guò)程，BPS-Sb阻燃體系在其中發(fā)揮了關(guān)鍵的阻燃作用。

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然而，在進(jìn)行灼熱絲起燃溫度GWIT測(cè)試時(shí)，情況卻有所不同。隨著BPS-Sb阻燃劑添加量的提升，材料的GWIT并沒(méi)有相應(yīng)地提高。對(duì)比未添加阻燃劑的配方1可以發(fā)現(xiàn)，單純的鹵素阻燃體系反而對(duì)GWIT產(chǎn)生了負(fù)面作用。這是因?yàn)镚WIT測(cè)試主要是記錄外部熱源施加過(guò)程中的情況，而溴化聚苯乙烯作為該體系中的一個(gè)成分，其熱穩(wěn)定性較差。PBT基材的起始分解溫度大致在380℃左右，而溴化聚苯乙烯的起始分解溫度僅為310℃到330℃。阻燃劑的加入，加快了整個(gè)體系的分解速度，分解產(chǎn)生的多為小分子、低燃點(diǎn)物質(zhì)，使得體系能夠在更低的溫度下被灼熱絲引燃。

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二.?無(wú)鹵阻燃劑對(duì)增強(qiáng)PBT性能的影響

表3列舉了不同無(wú)鹵阻燃體系的增強(qiáng)PBT配方，表4則對(duì)比了在玻璃纖維含量為30%的條件下，不同無(wú)鹵阻燃劑對(duì)增強(qiáng)PBT力學(xué)性能和阻燃性能的作用。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，可以看出ADP、MCA、MPP等無(wú)鹵阻燃劑對(duì)材料體系的力學(xué)性能劣化程度明顯高于BPS-Sb阻燃劑。原因在于無(wú)鹵阻燃劑多為小分子齊聚物，與基體樹脂的相容性較差，在材料體系中類似于填充物，從而導(dǎo)致力學(xué)性能出現(xiàn)較大損失。相比之下，溴化聚苯乙烯是一種高分子樹脂，與整個(gè)體系的相容性良好，因此整體力學(xué)性能能夠保持在較高水平。

KCP經(jīng)過(guò)特殊的表面活化處理后，其與基體樹脂的相容性相比常規(guī)無(wú)鹵阻燃劑得到了顯著提升，使得材料的力學(xué)性能能夠與溴化聚苯乙烯體系相媲美。從表4的阻燃測(cè)試結(jié)果來(lái)看，單獨(dú)使用無(wú)鹵阻燃體系時(shí)，其阻燃效果并不理想。在灼熱絲起燃溫度GWIT方面，僅當(dāng)ADP含量達(dá)到20%時(shí)，材料的GWIT達(dá)到了775℃，但此時(shí)其灼熱絲燃燒指數(shù)僅為800℃。而根據(jù)IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件的標(biāo)準(zhǔn)要求，GWIT需大于850℃。在這種情況下，材料的UL垂直燃燒等級(jí)也僅為V-1。對(duì)于添加了20份MCA、KCP或者M(jìn)PP的GF增強(qiáng)PBT而言，其GWIT和GWFI分別僅為725℃和750℃。

經(jīng)過(guò)綜合分析可以確定，無(wú)論是溴銻阻燃體系單獨(dú)使用，還是無(wú)鹵阻燃體系單獨(dú)使用，都無(wú)法滿足IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件的灼熱絲要求。

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三.?不同類型阻燃劑復(fù)配對(duì)增強(qiáng)PBT性能的作用

表5提供了不同類型阻燃劑復(fù)配的增強(qiáng)PBT配方方案，該方案是在表1中配方4的基礎(chǔ)上，額外加入等量的無(wú)鹵阻燃劑進(jìn)行設(shè)計(jì)。如表6所示，在純BPS-Sb阻燃體系中引入磷/氮類無(wú)鹵阻燃劑后，材料的阻燃性能得到了顯著提升。當(dāng)所有無(wú)鹵阻燃劑的添加量均為5kg時(shí)，材料的GWIT都超過(guò)了775℃，GWFI超過(guò)了850℃。其中，KCP的表現(xiàn)尤為突出，其GWIT更是超過(guò)了825℃，比IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件的灼熱絲要求值775℃高出50℃。這說(shuō)明在體系中，溴與氮、溴與磷、溴與氮磷之間產(chǎn)生了協(xié)同阻燃效應(yīng)，在灼熱絲測(cè)試中，對(duì)阻燃性能的提升效果較為明顯。特別是成碳型無(wú)鹵阻燃劑KCP，由于經(jīng)過(guò)表面活化處理，與基材的相容性更好，其所含的成碳成分反應(yīng)活化能更低，啟動(dòng)速度更快，在燃燒初期就能快速形成碳層，且碳層更為致密。這層碳覆蓋在被燃燒物表面，起到了更顯著的隔氧作用。

為了進(jìn)一步研究不同類型阻燃劑比例的變化對(duì)體系力學(xué)性能及灼熱絲性能的影響，本文設(shè)計(jì)了表6中的方案，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。從表8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定KCP的比例為5%時(shí)，隨著BPS-Sb阻燃劑比例的逐步降低，材料的阻燃性能以及灼熱絲溫度都有所下降。當(dāng)溴化聚苯乙烯、三氧化二銻、KCP的比例為10：2：5時(shí)，材料的UL 94阻燃性能降低為V-1等級(jí)，同時(shí)GWIT和GWFI均僅為750℃。在該基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高KCP的比例，當(dāng)溴化聚苯乙烯、三氧化二銻、KCP的比例調(diào)整為10：2：10時(shí)，材料的GWIT達(dá)到775℃，GWFI為960℃，UL 94等級(jí)恢復(fù)為V-0，成功滿足了IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件的灼熱絲要求。此時(shí)，材料中鹵素阻燃劑的添加比例相對(duì)較低，使得整體材料具有較高的性價(jià)比，產(chǎn)品在市場(chǎng)上也更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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四.?結(jié)論

1.?單一的溴銻阻燃體系以及無(wú)鹵阻燃體系的增強(qiáng)PBT材料，都無(wú)法滿足IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件對(duì)灼熱絲性能的相關(guān)要求。

2.?通過(guò)利用溴、氮、磷之間的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)配鹵素和無(wú)鹵阻燃體系可以有效提升增強(qiáng)PBT的灼熱絲起燃溫度和灼熱絲燃燒指數(shù)，從而研制出符合IEC60335-1無(wú)人照管電器載流部件相關(guān)灼熱絲和阻燃要求的增強(qiáng)PBT材料。

3.?無(wú)鹵阻燃劑的添加對(duì)材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，但對(duì)無(wú)鹵阻燃劑進(jìn)行表面活化處理能夠改善其與基材的相容性，從而降低對(duì)材料力學(xué)性能的劣化程度。

4.?KCP在滿足UL 94 V-0等級(jí)，同時(shí)提高GWIT和GWFI的情況下，可以顯著降低溴銻阻燃劑的添加量，進(jìn)而得到更具性價(jià)比，且在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)PBT材料。

銀塑阻燃劑公司致力于阻燃劑的研究與開發(fā)。我們的ADP產(chǎn)品是一種優(yōu)秀的無(wú)鹵阻燃劑，可用于無(wú)鹵增強(qiáng)型PBT材料，以提升其燒穿性能。憑借其高效的阻燃性能和與基體樹脂的良好相容性，ADP有助于提升材料的力學(xué)性能和阻燃性能。它在滿足電氣和電子行業(yè)嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮著重要作用，為無(wú)鹵阻燃應(yīng)用提供了可靠的解決方案。