导热阻燃聚对苯二甲酸丁二醇酯的制备与性能研究

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聚对苯二甲酸丁二醇酯(polybutylene terephalate,简称PBT)是一种综合性能优良的热塑性聚酯塑料,具有良好的耐热性、耐候性、耐药品性、电绝缘性、吸水性小、光泽良好,被广泛应用于电子电气、汽车零件、机械、家用品等领域。但PBT及其共混材料的可燃性限制了其进一步的推广应用,阻燃聚合物材料的无卤、无毒和低烟化是环保要求的发展趋势。由于高分子材料本身热导率较低,提升PBT的导热性能对于高频微电子元件器件散热、提高其精度、延长寿命等具有愈来愈重要的作用。本文以聚对苯二甲酸丁二醇酯与聚酰胺(PA)为基体,以芳烯缩合磷酸酯(PX)为主阻燃剂,以氧化镁MgO作为导热助剂,制备了导热阻燃PBT/PA复合材料,探讨了MgO及PX用量对复合材料燃烧性能、导热性能以及加工性能的影响;研究了阻燃剂与基体树脂的相容性,无机阻燃剂复配、基体树脂组份配比等对复合材料性能的影响,制备了力学性能较好的导热阻燃PBT/PA复合材料。采用极限氧气指数法(LOI)、UL-94垂直燃烧测试、热重分析(TGA)等测试手段对复合材料的燃烧性能、热稳定进行了评估,并探讨了燃烧行为。经过与当前市场上主流产品的对比,所制得的PBT复合材料在较低阻燃剂与导热中间体填充量下,达到了一定的阻燃与导热性能,并保证了较为平衡的力学性能。选用芳烯缩合磷酸酯PX作为阻燃剂,对比研究甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸甲脂和乙烯三元共聚物(AX8900)、苯乙烯马来酸酐无规共聚物(SMA)作为相容剂的增容作用。研究了PX对PBT的阻燃效果及其对PBT/PX复合材料力学性能的影响,结果表明磷酸酯阻燃剂对PBT/PX复合材料有较好的阻燃效果,选择AX8900为相容剂,PX添加量为15wt%时即可达到UL-94 V-0级别,氧指数LOI达到27.8。研究表明抗滴剂聚四氟乙烯(PTFE)可有效改善PBT/PX复合材料的阻燃性能。并进一步采用无机阻燃剂氧化镁MgO和磷酸酯阻燃剂对PBT进行协效阻燃,结果表明在磷酸酯阻燃剂的添加量为15wt%,氧化镁为10wt%时,PBT复合材料在保持一定的力学性能的基础上氧指数从20.3提高到28.8,达到V-0级,并表现出良好的消烟效果,具有优良的阻燃性能和力学性能。研究发现单一填充MgO对提升PBT导热系数的效果一般,在高比例填充时(30wt%60wt%),由于MgO填料在基体中形成团聚,对导热性能的提升效果并不显著。本文通过加入第二种聚合物PA,将MgO包覆于此相中,降低MgO对复合材料力学性能的影响。基体树脂PBT/PA的组成比例对体系力学性能和导热性能的影响较大。随着PA比例的增加,导热系数增加,在PBT/PA6比例为1:1时达到最大值0.762W/(m·K),在PA含量5075wt%之间时仍能保持较高的导热系数。MgO填料用量在30vol%和40vol%时PBT/PA/MgO复合材料热导率分别达到0.748W/(m·K)、0.787W/(m·K)。采用以PA/MgO为母料的二步法制备的PBT/PA/MgO复合材料的导热性能和力学性能较一步法更为优异。在最后制备的PBT/PA/MgO/PX复合材料中,由于单一MgO的阻燃效果并不理想,在MgO添加量为30wt%时,PBT/MgO及PBT/PA/MgO复合材料的极限氧指数分别为26.5和27.2。但是UL-94垂直燃烧1.6mm均无法达到V-0级别。随着磷酸酯阻燃剂PX用量的增加,PBT/PA/MgO/PX复合物在PX添加量为10wt%时可以达到1.6mm V-0级别,PX与MgO达到良好的协效阻燃效果。而复合材料导热系数从PX添加量0wt%时的0.758 W·m-1·K-1下降到15wt%时的0.715 W·m-1·K-1。在达到UL-94 1.6mm V-0级别的前提下,磷酸酯PX的添加量为10wt%,PBT/PA/MgO/PX复合材料导热系数可以保持在0.722 W·m-1·K-1
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