环保阻燃玻纤增强PA46的研制
万竞 卢君
（杭州市萧山区公安消防大队，浙江 杭州）
摘要：采用新型绿色环保复配阻燃体系制得高灼热丝起燃温度环保型阻燃增强PA46。结果表明：环保阻燃剂/三氧化二锑阻燃体系可以使PA46/玻璃纤维（GF）的灼热丝温度大幅度提高，灼热丝起燃温度可以达到800℃，阻燃性能达到UL94，V-0级，热变形温度（1.82MPa）为270℃。所研制的阻燃PA46/GF已成功应用于接触器、断路器外壳、电机碳刷等的制备。
关键词：PA46；灼热丝温度；环保；阻燃；增强
1 引言
PA46具有良好的耐热性、力学性能、电性能以及良好的橡胶黏着性，在工业上具有广泛的应用前景。但由于其易燃的缺点限制了其应用范围，特别是在耐温性、阻燃性能和机械性能要求十分严格的电子电气元件领域。而且目前许多国家对塑料的阻燃性能均有严格规定［1］。因此，在接触器、断路器外壳、电机碳刷等电器设备方面，开展玻纤增强PA46的阻燃研究工作是十分必要的。
随着电子电气等设备向高性能、微型化方向发展，对阻燃PA46的性能也提出了越来越高的要求。同时，随着人类防火意识的增强，环保阻燃产品受到普通关注。因此，阻燃高性能、功能化及防火环保成为发展方向。目前，国内阻燃增强PA46的体系较为成熟，常用的改性体系为GF/十溴二苯乙烷/三氧化二锑复配体系，GF/溴化聚苯乙烯/三氧化二锑复配体系等［2］。但这些体系存在阻燃剂粉体用量大，难加工的问题，同时还对材料力学性能、电性能等有一定程度降低，上述问题直接影响了材料在电子电气行业的应用。
本文采用绿色环保阻燃复合体系制得阻燃增强PA46，使材料的灼热丝温度达到860℃，同时复合欧盟ROHS指令，所制得上的阻燃增强PA46已经成功应用于开关断路器行业。
2 实验部分
2.1 原材料
PA46，荷兰DSM；阻燃剂：溴化聚苯乙烯，美国雅宝公司；有机次膦酸盐（OP1320），德国克莱恩公司；三氧化二锑，湖南益阳锑业；GF，巨石集团有限公司；增韧剂，自制；其他助剂（润滑剂、热稳定剂），均为工业级，市售。
2.2 主要仪器、设备
双螺杆挤出机：CTE-35，科倍隆（南京）机械有限公司；
注塑机：HTB80X/1，海天机械有限公司；
冲击试验机：XNR-400，承德实验机有限责任公司；
万能电子拉力试验机：CMT6104，深圳新思集团有限公司；
垂直燃烧测定仪：CZF-3型，南京江宁分析仪器厂；
灼热丝试验仪：5100型，无锡伯乐达试验设备有限公司；
热变形维卡温度测定仪：XWB-300B，承德试验厂。
2.3 试样制备
将烘干的PA46、润滑剂及其他助剂等在高速搅拌桶中搅拌混合后，加入到双螺杆挤出机的下料桶中，阻燃剂通过侧喂料输送双螺杆挤出机中，玻璃纤维从双螺杆挤出机的排气口出加入，然后在双螺杆挤出机内。通过加热、熔融、共混进行挤出造粒，得到阻燃玻纤增强PA46粒料。然后用注塑机注塑成标准试样。
2.4 双螺杆挤出工艺条件
各区加工温度
螺杆转速：500～600r/min；真空度：≥0.06MPa。
2.5 注塑工艺条件
温度：300～310℃；压力：70～90MPa；模温：80～100℃；原料烘干温度：120℃；烘干时间：4h。
2.6 性能测试
材料的性能测试按下述的标准。
拉伸性能：GB/T 1010—2006
弯曲性能：GB/T 9341—2000
冲击性能：GB/T 1043—1993
玻纤含量：GB/T 1635—79
热变形温度：GB/T 1634—2004
阻燃性能：ANSL/Ul-94-1979
灼热丝起燃温度：GB/T 5169.13—2006
3 结果讨论
3.1 不同阻燃剂对材料的性能影响
首先比较了在相同GF含量下，不同阻燃体系对PA46/GF性能的影响，材料配方组成见表1，结果见表2。从表2中3种阻燃体系均对PA46/GF起到很好的阻燃效果，阻燃等级达到UL94 V-0级。3种阻燃剂体系均能满足欧盟ROHS指令要求，但是溴化聚苯乙烯/三氧化二锑体系的灼热丝起燃温度达不到750℃，不能满足电子电气对材料高灼热起燃温度要求。OP1230的灼热丝起燃温度能达到850℃，但是存在添加量很大、难加工、成本高等问题。采用溴化聚苯乙烯/OP1230/三氧化二锑复配的体系不仅灼热丝起燃温度能满足电子电气行业的要求，而且材料成本大幅度降低。同时，材料力学性能和热性也有大幅度改善。
表1 不同阻燃剂PA46/GF组成配方
注：配方1#使用的阻燃剂为溴化聚苯乙烯/三氧化二锑，配方2#使用的阻燃剂为OP1230，配方3#使用的阻燃剂为溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230。
表2 不同阻燃剂对PA46/GF性能的影响
3.2 不同配比溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230对PA46/GF性能的影响
由表3、表4可知，随着OP1230的用量增加，材料的灼热丝起燃温度明显提高。当溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230的比例为12:7:4时，综合性能最佳，灼热丝起燃温度可以达到820℃。该材料采用卤磷锑复合体系，材料燃烧过程中，发生卤系-锑系、卤系-磷系、磷系-锑系三种复杂的化学反应。首先溴化聚苯乙烯和三氧化二锑发生反应，阻燃剂分解的卤素与三氧化二锑发生反应，生成SbX3和SbOX3，由于SbX3和SbOX3密度大，具有明显的隔氧效果。其次，卤磷复合体系中，磷系阻燃剂在燃烧时会形成偏磷酸，产生固相阻燃效果，溴化聚苯乙烯主要产生气相阻燃效果，两者形成完整的气-固相阻燃体系。同时，卤、磷之间反应还生成PX3、PX2、PX气体，这类气体密度较大，不易扩散，包围在火焰表面，起到阻氧作用。再次，磷系-锑系在燃烧过程中也起到气相阻燃效果［3］。
表3 不同配比溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230的配方体系
表4 不同配比溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230的配方体系对PA46/GF性能的影响
3.3 增韧剂用量对阻燃增强PA46/GF性能的影响
3.3.1 增韧剂用量对材料缺口冲击强度的影响
大量阻燃剂的加入使PA46/GF的缺口冲击性能大幅度降低，因此需要加入增韧剂进行增韧。阻燃剂比例参照配方3#的比例，调整增韧剂的用量对阻燃增强PA46/GF缺口冲击强度的影响。结果见图1。由图1可知，随着增韧剂用量的增加，材料的缺口冲击强度明显提高。
图1 增韧剂用量缺口冲击强度的影响
3.3.2 增韧剂用量对材料灼热丝起燃温度的影响
通过确定阻燃剂的用量，具体比例参照配方3#，研究增韧剂对阻燃增强PA46/GF材料的灼热丝起燃温度的影响，具体结果图2。由图2可知，材料的灼热丝起燃温度随着增韧剂用量的增加而下降，当增韧剂用量为6％时，材料的灼热丝起燃温度为750℃，考虑材料的综合性能以及产品应用要求（即灼热丝起燃温度），增韧剂的用量3％较为理想。
图2 增韧剂用量对材料灼热丝起燃温度的影响
3.3.3 增韧剂的用量对材料阻燃性能的影响
通过确定阻燃剂的用量，具体比例参照配方3#，研究增韧剂用量对阻燃增强PA46/GF材料阻燃性能的影响，具体结果表5。由表5可知，当增韧剂的用量小于5％时，阻燃增强PA46/GF的阻燃等级都能到UL94，V-0级（厚度1.6mm）。
表5 增韧剂对阻燃增强PA46/GF阻燃性能的影响
注：样条的厚度为1.6mm。
3.3.4 增韧剂用量对材料热变形温度的影响
通过确定阻燃剂的用量，具体比例参照配方3#，研究增韧剂用量对阻燃增强PA46/GF材料阻燃性能的影响，具体结果图3。由图3可知，随着增韧剂用量的增加，热变形温度逐渐降低。当增韧剂用量为6％时，热变形温度下降250℃。考虑材料的综合性能以及产品应用要求，增韧剂的用量为3％较为理想。
图3 增韧剂用量对材料热变形温度的影响
4 结论
（1）PA46/GF复合材料采用溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230复合阻燃体系能满足电子电气行业产品的要求。
（2）当溴化聚苯乙烯/三氧化二锑/OP1230的比例为12:7:4，阻燃增强PA46/GF复合材料的阻燃性能达到UL94 V-0级9（厚度1.6mm）和灼热丝起燃温度达到820℃。
（3）增韧剂用量会影响阻燃增强PA46/GF复合材料的缺口冲击强度、阻燃性能、灼热丝起燃温度及热变形，考虑材料的综合性能后确定增韧剂的用量为3％。
参考文献
［1］ ANSI/UL94-1979 Test for flammability of plastic materials for parts indevices and appliances.
［2］ 张伟，别群梅，袁锦瑶，等.高CTI、无卤阻燃玻纤增强尼龙66的研究及应用.工程塑料应用，2006，34（8）：50-53.
［3］ 朱建民.聚酰胺树脂及其应用.北京：中国石化出版社，2011.