無鹵阻燃增強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)的過載或短路情況，會大量放熱導(dǎo)致塑料燃燒，進而引發(fā)火災(zāi)。因此，國際電工委員會（IEC）制定了針對無人照管器具的灼熱絲阻燃測試標準，我國的家用電器3C認證也將無人照管電器載流絕緣材料部件的灼熱絲性能作為強制性要求。

當(dāng)前，國內(nèi)滿足UL 94 V-0阻燃標準的增強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，這種體系難以達到GWIT（灼熱絲起燃溫度）要求，即在灼熱絲施加作用的30秒內(nèi)全程無火燃燒。為了深入研究如何提升無鹵阻燃增強PBT的灼熱絲性能，本文將對BPS-Sb、無鹵阻燃劑以及復(fù)配阻燃劑對增強PBT力學(xué)性能及灼熱絲性能的影響展開細致分析。

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一.?BPS-Sb含量對增強PBT性能的作用

表1展示了不同BPS-Sb含量的增強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阻燃劑含量對增強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垂直燃燒等級均呈現(xiàn)出上升趨勢。這表明BPS-Sb阻燃體系對于應(yīng)對GWFI和UL 94這類直接燃燒測試的阻燃效果相當(dāng)高效。究其原因，GWFI與UL 94的測試原理相同，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，在進行灼熱絲起燃溫度GWIT測試時，情況卻有所不同。隨著BPS-Sb阻燃劑添加量的提升，材料的GWIT并沒有相應(yīng)地提高。對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GWIT產(chǎn)生了負面作用。這是因為GWIT測試主要是記錄外部熱源施加過程中的情況，而溴化聚苯乙烯作為該體系中的一個成分，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，加快了整個體系的分解速度，分解產(chǎn)生的多為小分子、低燃點物質(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.?無鹵阻燃劑對增強PBT性能的影響

表3列舉了不同無鹵阻燃體系的增強PBT配方，表4則對比了在玻璃纖維含量為30%的條件下，不同無鹵阻燃劑對增強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等無鹵阻燃劑對材料體系的力學(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的阻燃測試結(jié)果來看，單獨使用無鹵阻燃體系時，其阻燃效果并不理想。在灼熱絲起燃溫度GWIT方面，僅當(dāng)ADP含量達到20%時，材料的GWIT達到了775℃，但此時其灼熱絲燃燒指數(shù)僅為800℃。而根據(jù)IEC60335-1無人照管電器載流部件的標準要求，GWIT需大于850℃。在這種情況下，材料的UL垂直燃燒等級也僅為V-1。對于添加了20份MCA、KCP或者MPP的GF增強PBT而言，其GWIT和GWFI分別僅為725℃和750℃。

經(jīng)過綜合分析可以確定，無論是溴銻阻燃體系單獨使用，還是無鹵阻燃體系單獨使用，都無法滿足IEC60335-1無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)配對增強PBT性能的作用

表5提供了不同類型阻燃劑復(fù)配的增強PBT配方方案，該方案是在表1中配方4的基礎(chǔ)上，額外加入等量的無鹵阻燃劑進行設(shè)計。如表6所示，在純BPS-Sb阻燃體系中引入磷/氮類無鹵阻燃劑后，材料的阻燃性能得到了顯著提升。當(dāng)所有無鹵阻燃劑的添加量均為5kg時，材料的GWIT都超過了775℃，GWFI超過了850℃。其中，KCP的表現(xiàn)尤為突出，其GWIT更是超過了825℃，比IEC60335-1無人照管電器載流部件的灼熱絲要求值775℃高出50℃。這說明在體系中，溴與氮、溴與磷、溴與氮磷之間產(chǎn)生了協(xié)同阻燃效應(yīng)，在灼熱絲測試中，對阻燃性能的提升效果較為明顯。特別是成碳型無鹵阻燃劑KCP，由于經(jīng)過表面活化處理，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。

為了進一步研究不同類型阻燃劑比例的變化對體系力學(xué)性能及灼熱絲性能的影響，本文設(shè)計了表6中的方案，并進行了相應(yīng)的實驗。從表8的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固定KCP的比例為5%時，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，材料的UL 94阻燃性能降低為V-1等級，同時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，材料的GWIT達到775℃，GWFI為960℃，UL 94等級恢復(fù)為V-0，成功滿足了IEC60335-1無人照管電器載流部件的灼熱絲要求。此時，材料中鹵素阻燃劑的添加比例相對較低，使得整體材料具有較高的性價比，產(chǎn)品在市場上也更具競爭優(yōu)勢。

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四.?結(jié)論

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

2.?通過利用溴、氮、磷之間的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)配鹵素和無鹵阻燃體系可以有效提升增強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無人照管電器載流部件相關(guān)灼熱絲和阻燃要求的增強PBT材料。

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

4.?KCP在滿足UL 94 V-0等級，同時提高GWIT和GWFI的情況下，可以顯著降低溴銻阻燃劑的添加量，進而得到更具性價比，且在市場上更具競爭力的增強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)秀的無鹵阻燃劑，可用于無鹵增強型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)嚴格的安全標準方面發(fā)揮著重要作用，為無鹵阻燃應(yīng)用提供了可靠的解決方案。