周文君，陳友財(cái)，王雪芹，嚴(yán)旭青，張敬禮

（杭州師范大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州310036）

0 前言

PC具有優(yōu)良的力學(xué)性能、介電性能、尺寸穩(wěn)定性及透明性，被廣泛應(yīng)用于汽車、電子電氣、建筑建材、辦公設(shè)備、包裝、運(yùn)動(dòng)器材、醫(yī)療保健等領(lǐng)域［1－2］。隨著電子電器產(chǎn)品對(duì)材料阻燃性能要求的提高，PC的阻燃技術(shù)得到了較大發(fā)展。除傳統(tǒng)的鹵系阻燃劑外，近年來(lái)在PC中應(yīng)用的無(wú)鹵阻燃劑有磷系阻燃劑、有機(jī)硅系阻燃劑、磺酸鹽類阻燃劑等，尤其是聚硅氧烷及磷酸酯類阻燃劑應(yīng)用較多［3－6］。但由于大多數(shù)阻燃劑與PC不能很好的相容，PC的力學(xué)性能往往會(huì)隨著阻燃劑含量的增加而下降，這樣盡管能獲得高阻燃的PC材料，但材料的力學(xué)性能卻受到了很大的損害［7］。因此，在研究阻燃劑對(duì)PC阻燃性能影響的同時(shí)研究阻燃PC的力學(xué)性能是非常必要的，這也是阻燃領(lǐng)域的一大研究?jī)?nèi)容［8－9］。

在前期的研究中［10］，筆者主要分析了聚鋁硅氧烷對(duì)PC阻燃性能的影響，極限氧指數(shù)和錐形量熱的分析結(jié)果表明聚鋁硅氧烷對(duì)PC具有較好的阻燃效果。本研究系統(tǒng)研究了不同結(jié)構(gòu)聚鋁硅氧烷對(duì)PC力學(xué)性能和熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原料

PC，CALIBRE 201－10，韓國(guó)LG－DOW 聚碳酸酯有限公司；

二甲基二甲氧基硅烷，化學(xué)純，湖北恒鑫化工有限公司；

二苯基二甲氧基硅烷，化學(xué)純，湖北恒鑫化工有限公司；

甲基三甲氧基硅烷，化學(xué)純，杭州硅寶化工有限公司；

苯基三甲氧基硅烷（PTMS），化學(xué)純，仙桃市格瑞化學(xué)工業(yè)有限公司；

異丙醇鋁，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；冰醋酸，分析純，杭州化學(xué)試劑有限公司。

1．2 主要設(shè)備及儀器

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，RE－52A，上海亞榮生化儀器廠；

轉(zhuǎn)矩流變儀，XSS－300，上海橡塑成型有限公司；

塑料注射成型機(jī)，SA900／260，寧波海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司；

液晶顯示組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，XJ－50Z，承德市世鵬檢測(cè)設(shè)備有限公司；

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，UTM4204，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

熱變形、維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀，XRW－300B，承德德盛檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1．3 樣品制備

以二苯基二甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷及異丙醇鋁為原料，采用水解縮合法，通過(guò)改變烷硅摩爾比（R／Si）及有機(jī)側(cè)基中的苯基、甲基摩爾比（Ph／Me），制備了一系列聚鋁硅氧烷阻燃劑（見(jiàn)表1），具體的合成過(guò)程與課題組前文［10］報(bào)道相同。

先將PC在102℃干燥24 h，并在轉(zhuǎn)矩流變儀中與5%的聚鋁硅氧烷阻燃劑混合，溫度為250℃；然后在285℃下注射成型，對(duì)應(yīng)表1中的12種聚鋁硅氧烷A1～A12制成的PC／聚鋁硅氧烷阻燃試樣分別編號(hào)為PC1～PC12。

表1 阻燃劑聚鋁硅氧烷的構(gòu)成Tab．1 Composition of polyaluminosiloxane flame retardants

1．4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按GB／T 1040—1992測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度，拉伸速率為10 mm／min；

按GB／T 9341—2000測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度，測(cè)試速度為10 mm／min；

按GB／T 1043—1993測(cè)試試樣的缺口沖擊強(qiáng)度，擺錘能量為5 J；

按GB／T 1633—2000測(cè)試試樣的維卡軟化點(diǎn)溫度，升溫速率為50℃／h，負(fù)荷為10 N。

2 結(jié)果與討論

2．1 不同聚鋁硅氧烷對(duì)PC力學(xué)性能的影響

圖1 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的拉伸強(qiáng)度Fig．1 Tensile strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

從圖1可以看出，當(dāng)R／Si＝2．0時(shí)，阻燃劑A 1～A5都使PC的拉伸強(qiáng)度得到提高，其中PC1和PC3提高最為明顯，提高了5%左右。PC2、PC4、PC5的提高幅度相對(duì)較小。當(dāng)R／Si＝1．2時(shí)，阻燃劑也使PC的拉伸強(qiáng)度得到提高，但PC9的拉伸強(qiáng)度略低于純PC。由此說(shuō)明，聚鋁硅氧烷在提高了PC阻燃性能的同時(shí)，也能改善其拉伸強(qiáng)度，其拉伸強(qiáng)度保持在54．9～58．5 MPa之間。

從圖2可以看出，當(dāng)R／Si＝2．0時(shí)，不同阻燃劑對(duì)PC彎曲強(qiáng)度的影響有較大的差異，阻燃劑A1和A3添加到PC中，使其彎曲強(qiáng)度有所下降；而A2和A5對(duì)PC的彎曲強(qiáng)度影響不大，基本與純PC的相同，只有PC4的彎曲強(qiáng)度大約提高了8%左右，由純PC的86．0 MPa提高到93．0 MPa。當(dāng)R／Si＝1．2時(shí)，不同阻燃劑對(duì)PC彎曲強(qiáng)度的影響也有較大的差異，A6、A10和A11使PC的彎曲強(qiáng)度略有下降，其余阻燃劑均使PC的彎曲強(qiáng)度提高。由于不同聚鋁硅氧烷的結(jié)構(gòu)不同，致使其與PC的相容性及分子間化學(xué)鍵的作用效果不同，導(dǎo)致了其對(duì)PC力學(xué)性能的影響產(chǎn)生較大差異。

圖2 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的彎曲強(qiáng)度Fig．2 Flexural strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

由圖3可知，除PC6的沖擊強(qiáng)度略有降低，其余試樣的沖擊強(qiáng)度均提高，并且當(dāng)R／Si一定時(shí)，阻燃PC的沖擊強(qiáng)度基本隨聚鋁硅氧烷側(cè)鏈上Ph含量的增加先增后降，當(dāng)Ph／Me達(dá)到某一適中值時(shí)，阻燃PC的沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，如 R／Si＝2．0時(shí)，Ph／Me＝6／4的PC4的沖擊強(qiáng)度最高，為21．0 kJ／m2，比純 PC 的16．0 kJ／m2提高了31%。R／Si＝2．0的聚鋁硅氧烷比R／Si＝1．2的聚鋁硅氧烷對(duì)PC沖擊強(qiáng)度的提高更為明顯，各樣品均提高了15%以上。由此可見(jiàn)，聚鋁硅氧烷克服了一般阻燃劑在提高PC阻燃性能的同時(shí)損害其力學(xué)性能，尤其使沖擊強(qiáng)度嚴(yán)重下降的缺陷，拓寬了PC的應(yīng)用范圍。

圖3 PC／聚鋁硅氧烷阻燃材料的缺口沖擊強(qiáng)度Fig．3 Notch impact strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

2．2 聚鋁硅氧烷含量對(duì)PC力學(xué)性能的影響

將A4阻燃劑按照不同的含量添加到PC中，考察聚鋁硅氧烷阻燃劑含量對(duì)PC力學(xué)性能的影響。從圖4可以看出，阻燃PC的拉伸強(qiáng)度隨A4含量的變化趨勢(shì)不明顯，除0．5%的A4外，其他含量的A4均使PC的拉伸強(qiáng)度較純PC有所提高。

由圖5可知，A4可使PC的彎曲強(qiáng)度提高，并隨其含量的增加先增后降，當(dāng)含量為5%時(shí)，PC的彎曲強(qiáng)度最大為93．0 MPa，比純PC提高了8．1%。當(dāng)A4的含量達(dá)到1%以上，各阻燃PC的彎曲強(qiáng)度均提高2 MPa以上。

圖4 A4含量對(duì)PC拉伸強(qiáng)度的影響Fig．4 Effect of A4 content on tensile strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

圖5 A4含量對(duì)PC彎曲強(qiáng)度的影響Fig．5 Effect of A4 content on flexural strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

從圖6可以看出，A4使PC的缺口沖擊強(qiáng)度有較大的提高，其含量從0增加到5%時(shí)，阻燃PC的沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，從16．0 kJ／m2增加到21．0 kJ／m2，但當(dāng)繼續(xù)增加A4含量時(shí)，材料的沖擊強(qiáng)度又開(kāi)始下降。

2．3 聚鋁硅氧烷含量對(duì)PC維卡軟化點(diǎn)的影響

從圖7可知，PC／聚鋁硅氧烷的維卡軟化點(diǎn)隨著A4含量增加有一個(gè)逐漸增加而后減小的變化過(guò)程。這是因?yàn)樽枞紕〢4的相對(duì)分子質(zhì)量較大且本身的熔化溫度較高，其大分子結(jié)構(gòu)增加了PC分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)力，使得PC分子的鏈段運(yùn)動(dòng)受阻，熱性能提高。但A4含量過(guò)高，在PC中發(fā)生團(tuán)聚，影響了其與PC的相容性，致使PC的熱性能下降。A4含量低于8%時(shí)，均使PC的維卡軟化點(diǎn)得到提高，含量為5%時(shí)，維卡軟化點(diǎn)最高為149．0℃。

圖6 A4含量對(duì)PC缺口沖擊強(qiáng)度的影響Fig．6 Effect of A4 content on notch impact strength of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

圖7 A4含量對(duì)PC維卡軟化點(diǎn)的影響Fig．7 Effect of A4 content on Vicat s oftening temperature of flame retarded PC／polyaluminosiloxane composites

3 結(jié)論

（1）5%的聚鋁硅氧烷阻燃PC材料的拉伸強(qiáng)度在54．9～58．5 MPa之間，與純PC的拉伸強(qiáng)度55．0 MPa相比有明顯提高；

（2）5%的聚鋁硅氧烷對(duì)PC彎曲強(qiáng)度的影響較??；

（3）5%的聚鋁硅氧烷可明顯提高PC的沖擊強(qiáng)度，R／Si＝2．0、Ph／Me＝6／4的聚鋁硅氧烷阻燃PC的沖擊強(qiáng)度最高，為21．0 kJ／m2，比純PC提高了31%；

（4）PC／聚鋁硅氧烷的維卡軟化點(diǎn)溫度隨著聚鋁硅氧烷含量增加先增后降，聚鋁硅氧烷含量低于8%時(shí)，均使PC的維卡軟化點(diǎn)得到提高。

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