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满足苛刻阻燃要求的环保阻燃增强PBT的研究

文档作者：贾义军唐帅郭争光王刚文档来源： 1．北京市化学工业研究院 2．余姚市凡伟工程塑料有限公司		点击数：	更新时间： 2022年12月08日
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第4O卷，第3期
2012年3月
工程塑料应用
ENGINEERING PLASTICS APPLICATION
Vo1．40．NO．3
M aL 2012
doi：lO．3969／j．issn．1001-3539．2012．03．005
满足苛刻阻燃要求的环保阻燃增强PBT的研究
贾义军 ，唐帅 一，郭争光2 7王刚 ，
(1．北京市化学工业研究院，北京100084； 2．余姚市凡伟工程塑料有限公司，余姚315403)
摘要：采用双螺杆挤出机制备了一种可同时满足uL 94 v-0级(0．8 mm)、750~(2灼热丝接触材料30 S内不起火
且相比电痕化指数(CTI)迭350 V的环保阻燃玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)工程塑料，研究了不同类
型的阻燃剂复配用量、玻璃纤维含量及增韧剂用量对PBT性能的影响。结果表明，将三种不同类型的阻燃剂复配可
大幅度提高PBT的阻燃效率，使阻燃PBT的灼热丝引燃温度和CTI得到明显提高。当溴化环氧阻燃剂／三氧化二
锑质量比为16／5、氮系阻燃剂用量为25份、磷系阻燃剂用量为15份、增韧剂用量为5份时，阻燃增强PBT的综合
性能最佳，完全满足电子电器特别是长期无人值守电器对所使用塑料件材料的苛刻阻燃要求。所研制的环保阻燃增
强PBT已成功应用于微波炉定时器外壳和点火器等塑料件。 ．
关键词：PBT；增强；阻燃；灼热丝；工程塑料
中图分类号：TQ322．3 文献标识码：A 文章编号：1001．3539(2012)03—0021．05
Study on Environmental-Friendly Flame-Retardant Glass Fiber Reinforced Polybut3rlene Terephthalate
(PBT)Meeting the Strict Requirements of Flame-Retardant
Jia Yijan 。，Tang Shuai ，Guo Zhengguanf，Wang Gang
(1．Beijing Chemical Industry Research Institute，BeOing 100084，China； 2．Yuyao City Fan Wei Engineering Plastics Co．nd．，Yuyao 3 1 5400，China)
Abstract：Environmental·-friendly flame--retardant glass fiber reinforced PBT engineering plastics which could meet the
requirements of UL 94 V—0(0．8 1TI1TI)，non—buring with using 750~C glow wire to contact materials within 30 S and the value of
CTI upto 350 V werepreparedbytwin screw extruder：The efects ofthe contentofdiferentkindsofflame—retardant agents，glass
fiber and toughening agent on the properties of PBT were studied．The results showed that blending three kinds of flame．retardant
agents could greatly improve the flame—retardant efi ciency,increased glow wire ignites temperature and CTI significantly．When
the mass ratio of brominated epoxy／antimony trioxide was 1 6／5，and the content of nitrogen flame—retardant agent，phosphate
flame—retardant agent and toughening agent was 25，1 5 and 5 phr respectively,the comprehensive properties of PBT were best．
The materials met the strict requirements of flame—retardant in the feild of electronic and electrical appliances especially electrical
appliances with long term unattended entirely．The environmental-·friendly flame--retardant reinforced PBT had been successfully
used in the microwave oven timers shell and ignition etc．．
Keywords：PBT ；reinforce；flame-retardance；glow fire；engineering plastic
多年来对电子电器塑料材料或者塑料件的阻
燃安全评价都以直火燃烧的美国UL 94为标准。但
近年随着家用电器在使用过程中因内部塑料件着
火而导致的火灾事件频频发生，欧盟国际电工协会
(IEC)的另一种阻燃评价方法一灼热丝阻燃测试
标准(IEC 60695)日益备受关注，IEC组织在家用
及类似电器安全标准(IEC 60335)中要求：长期无
人值守电器所使用塑料件的阻燃性能必须满足UL
94 V_O级和750 oC灼热丝接触材料30 S内不起火
或燃烧时间≤ 5 S。
对在电子电器塑料件中使用的聚对苯二甲
酸丁二酯(PBT)要求具有阻燃性，但长期以来从
事PBT工程塑料改性的企业对阻燃增强PBT测
试的实验数据表明，能满足美国UL 94 V_0级
(0．4～3．2 mm)的绝大多数阻燃PBT材料，都无法
满足750 oC灼热丝接触材料不起火的阻燃要求，直
到无卤无红磷阻燃增强PBT的问世才改变了人们
的观点¨ j。然而无卤阻燃增强PBT高昂的价格又
让电子电器企业难以接受，因此开发可用于满足UL
94Ⅷ 级和750℃灼热丝接触材料30 S内不起火
"2010年国家中小企业创新基金项目(10C26213314214)
联系人：贾义军，工程师，主要研究方向为工程塑料改性及加工
收稿日期：2011-12—21
22 工程塑料应用 2012年，第40卷，第3期
的低成本环保阻燃PBT工程塑料，成为电子电器企
业特别是从事家用电器塑料件注塑企业的急需，开
发该类PBT工程塑料具有很好的市场前景。
笔者采用目前市售常见的溴系阻燃体系、氮系
和磷系阻燃剂复配制得环保阻燃增强PBT工程塑
料，其相比电痕化指数(CTI)≥350 V，阻燃性能同
时满足UL 94 V_J0级(O．8 nqlT1)和750℃灼热丝接
触材料30 S内不起火，且成本低于普通的溴系阻燃
增强PBT工程塑料，目前该产品已成功应用于微波
炉定时器、点火器、电容和接线插头等塑料件。
1 实验部分
1．1 主要原料
PBT：1100-211M，台湾长春化学工业集团公
司；
溴化环氧阻燃剂：KBE-2025K，南通开美化学
有限公司；
三氧化二锑：辰州矿业有限公司；
氮系阻燃剂、磷系阻燃剂：市售；
增韧剂：AX-8900，阿科玛化学有限公司；
抗氧剂AT-1010，Ar_168：宁波金海雅宝化工
公司；
玻璃纤维(GF)：988 A-1000，巨石集团有限公
司。
1．2 主要设备及仪器
同向双螺杆挤出机：HT-35型，南京橡塑机械
厂有限公司；
注塑机：CJ-150M2型，震雄塑料机械有限公
司；
高速混合机：SHR．5A型，5 L，南京橡塑机械厂
有限公司；
万能试验机：WDT-D型，承德精密试验机有限
公司；
电子组合式冲击试验机：XJ-C型，承德精密试
验机有限公司；
热变形仪：XWB一300E型，承德试验机有限公
司；
燃烧仪：CZF-2型，南京市江宁区分析仪器厂；
CTI仪：LDQLJT型，上海竞田试验机有限公司；
灼热丝试验机：ZRS-JT型，上海竟田试验机有
限公司。
1．3 试样制备
试样制备的工艺流程见图1。其详细步骤如下
所述：
PBT
阻燃剂
增韧剂
其它助剂
图1 环保阻燃增强PBT工程塑料的制备工艺流程
(1)物料准备
将PBT切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度
120℃，干燥时间4 h，然后按照一定的配比，将PBT
和阻燃剂、增韧剂、抗氧剂及GF等称量后在高速混
合机中混合均匀。
(2)挤出造粒
将混合好的物料送人双螺杆挤出机进行造
粒，挤出温度设定为一区240℃ 、二区240℃ 、三区
240 o(=、四区235℃、五区235℃ 、六区235 oC、机头
245℃，主机螺杆转速380 r／min，喂料螺杆转速
85 r|min o
(3)注塑试样
将制得的环保阻燃增强PBT粒料在120℃下
干燥4 h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑
机各段温度分别设为一区230℃、二区240。I=、三
区245qC、喷嘴250~2，注射速度5 mm／s，注塑压力
70 MPa，注塑时间3 S，保压压力45 MPa，保压时
间2 S 冷却时间6 S，熔胶速度40 mm／s，熔胶压力
55 M Pa。
1．4 性能测试
拉伸强度按ISO 527-2—1996测试，拉伸速度
5 mm／min；
弯曲强度按ISO 178-2003测试，测试速率
2 mm／min；
简支梁冲击强度按ISO 1 79—1—2006测试；
热变形温度按ISO 75_2_2004测试；
阻燃性能按UL 94垂直燃烧法测试；
灼热丝阻燃性能按IEC 60695—2—12-2000测
试；
CTI按IEC 60112-2009测试：
树脂灰分含量按GB／T 9345—1988测试。
2 结果与讨论
2．1 溴系和氮系阻燃剂复配对阻燃增强PBT性能
的影响
固定PBT的用量为100份、抗氧剂1010／抗
氧剂168质量比为0．2／0．4、增韧剂用量为3份、溴
化环氧阻燃剂／三氧化二锑质量比为l6／5、GF质
贾义军，等：满足苛刻阻燃要求的环保阻燃增强PBT的研究 23
量分数为30％，考察氮系阻燃剂的用量对阻燃增强
PBT性能的影响，所得结果如表1所示。从表1可
以看出，单独采用溴系阻燃体系可使PBT达到UL
94 v一0级(0．8 mm)，但其在750~C灼热丝接触材料
30 S时间段内持续着火，且CTI值低。在溴系阻燃
体系基础上引入氮系阻燃剂，随着氮系阻燃剂用量
的增加，阻燃增强PBT的力学性能(拉伸强度、弯曲
强度和冲击性能)呈下降趋势，这是由于氮系阻燃
剂在该体系中属于添加型阻燃剂，其与PBT树脂的
相容性较差，因此其用量的增加导致材料的力学性
能下降，但对材料的灼热丝阻燃性能和CTI有明显
改善。这可能是由于引入的氮系阻燃剂在受热时
分解产生CO 、N：等不燃性气体，冲淡和隔绝了阻
燃增强PBT周围的0，浓度，延缓了材料的燃烧起
火时间，同时这种不燃性气体的生成和阻燃剂的分
解吸热带走了大部分热量，极大地降低了阻燃增强
PBT的表面温度，且生成的N 能够捕捉高能自由
基，抑制了基体树脂的燃烧 。
表1 氮系阻燃剂用量对阻燃增强PBT性能的影响
2．2 三种阻燃剂复配对阻燃增强PBT性能的影响
在溴化环氧阻燃剂／三氧化二锑阻燃PBT体
系中引入氮系阻燃剂，虽然能够对材料的灼热丝阻
燃性能和CTI等方面均有一定的改善，但仍不能满
足长期无人值守电器的苛刻阻燃要求。通过对灼热
丝阻燃机理的分析，笔者在溴系和氮系阻燃剂复配
的体系中引入磷系阻燃剂。固定氮系阻燃剂的用量
为25份，其余配比均同2．1，考察了磷系阻燃剂用量
对材料性能的影响，所得结果如表2所示。
从表2可知，随着磷系阻燃剂用量的增加，阻燃
增强PBT的灼热丝阻燃性能和CTI都有明显改善。
当磷系阻燃剂用量在15份以上时，制得了可完全满
足长期无人看管电器使用要求的阻燃增强PBT工
程塑料。这主要是由于在燃烧过程中，存在着溴系
阻燃体系中的锑与有机溴化物之间的作用，同时又
有溴一磷和磷一氮的协同作用及分解形成的溴衍生
表2 磷系阻燃剂对阻燃增强PBT性能的影响
物及磷衍生物间的阻燃协效作用，从而使PBT树脂
快速膨胀形成多孔泡沫炭层，阻止了燃烧火焰的形
成。同时氮系阻燃剂分解产生的惰性气体也稀释了
材料周围的O，浓度，抑制材料着火起燃。溴一氮一
磷阻燃体系用于阻燃增强PBT工程塑料不仅具有
在气相中捕获自由基的功能，而且具有快速膨胀成
炭的能力 。但磷系阻燃剂用量也不宜太多，其用
量超过15份后，材料的拉伸强度、弯曲强度和热变
形温度下降明显，但冲击性能逐渐增大。这可能是
由于磷系阻燃剂具有增塑性，因此其用量的增加导
致材料强度的下降和韧性的提高。
2．3 GF含量对阻燃增强PBT性能的影响
从上述研究可知，在溴系阻燃体系用量一定的
情况下，通过引入氮系和磷系阻燃剂有效地实现了
PBT在阻燃方面的高性能化。但在实际电子电器
使用过程中，常常会根据不同塑料件的应用要求，
需要选择具有不同GF含量的阻燃增强PBT材料。
为此，固定氮系和磷系阻燃剂的用量各为25，15份，
其余配比均同2．1，通过改变GF的含量，来考察其
对阻燃增强PBT性能的影响，具体结果如表3所示。
表3 玻璃纤维的用量对阻燃增强PBT性能的影响
从表3可知，随GF含量的增强，材料的拉伸强
度、弯曲强度、冲击性能和热变形温度逐步提高，但
GF的含量对材料的阻燃性能和CTI基本没有影响。
2．4 增韧剂用量对阻燃增强PBT性能的影响
由于家用电器内部塑料件多为壳体和骨架，这
24 工程塑料应用 2012年，第4O卷，第3期
些塑料件在装配过程中受金属件冲击而导致开裂的
现象比较明显，因此需进行增韧，提高材料的韧性。
固定氮系和磷系阻燃剂的用量各为25、15份，GF
的质量分数为30％，其余配比均同2．1，通过改变增
韧剂用量来考察其对阻燃增强PBT韧性和750℃
灼热丝阻燃性能的影响，具体结果如表4所示。
表4 增韧剂用量对阻燃增强PBT缺口冲击强度的影响
从表4可知，随着增韧剂用量的增加，阻燃增强
PBT的缺口冲击强度提高明显，但当增韧剂用量超
过5份时，阻燃增强PBT的uL 94和灼热丝阻燃性
越来越差，在750℃灼热丝接触材料30 S内，材料
的燃烧时问逐渐延长。考虑到阻燃的要求，增韧剂
的用量应在5份左右为宜。
2．5 不同试样厚度对阻燃增强PBT灼热丝测试结
果的影响
按照UL 94的阻燃测试标准，通常材料的阻燃
测试有三个厚度0．8 mm，1．6 mm和3．2 mm，而从
电子电器上实际使用的塑料件厚度来看，其厚度也
基本在这个范围。因此在满足实际材料使用要求的
情况下，按照IEC 60695测试标准，考察了3个不同
厚度(0．8 mm，1．6 mm和3．2 mm)的试样在不同
灼热丝温度条件下与灼热丝接触30 S内的燃烧测
试结果，如图2所示。
；
20
蓦15
霪
0
，50 ，75 800 825 850 875 900925 950 975
灼热丝温度／℃
o—_o培m m； 口一1．6 mm ： △- 3．2 mm
图2 不同试样厚度下的灼热丝测试结果
从图2可知，在750，775 oC两个灼热丝温度下，
试样的厚度对材料在灼热丝接触材料3O S内的燃
烧结果无影响，厚度在0．8～3．2 mm范围内的材料
都能满足家用电器塑料件的苛刻阻燃要求。但当
外部热源温度在775 cI二以上时，厚度对材料的灼热
丝燃烧时间有一定的影响，厚度越小燃烧时间越短。
在900℃以上时，试样厚度与材料的燃烧时间无关。
2．6 与国外同类产品的性能对比
笔者将开发的满足苛刻阻燃要求的30％GF增
强PBT工程塑料[型号为PBT 301一G30F本(J)]
与同类进口的日本宝理公司阻燃增强PBT工程塑
料(牌号为330GW)的产品做了对比，具体对比结
果如表5所示。从表5可以看出，笔者开发的产品
性能指标基本与进口的日本宝理公司产品持平。
表5 开发的30％GF增强PBT产品与同类进口的日本宝理公司产
品性能对比
删项目而 丽鲁丧
3 应用情况
笔者开发研制的满足苛刻要求的环保阻燃增
强PBT工程塑料由于具有较高的灼热丝阻燃性能
(750~C灼热丝接触材料30 S内不起火)和高的CTI
值(≥ 350 V)，已成功应用于微波炉定时器塑料件
外壳、内部变压器骨架、微动开关外壳及强电部分的
连接器等电子电器部件，且材料韧性好，对塑料件成
型后的装配无任何影响。
4 结论
(1)通过在溴系阻燃PBT中引入氮系和磷系
阻燃剂，成功开发了可满足国际电工协会关于长期
无人值守电器用塑料件要求的阻燃增强PBT工程
塑料，即满足UL 94V一0级(0．8 mil1)和750'：E灼热
丝接触材料30 S内燃烧时问≤ 5 S的要求。且在
灼热丝引燃温度(GWIT)高达775℃下，该PBT材
料30 S内不起火，这种高GWIT特性使得由该材料
制备的电子电器产品具有更长期的安全性。
(2)与传统的溴系阻燃PBT相比，将溴系、氮
系和磷系阻燃剂复配用于PBT，可大幅度提高PBT
的CTI值。
(3)采用三种阻燃体系复配制得的阻燃增强
PBT工程塑料在GWIT≤ 775 cc条件下，其厚度对
灼热丝阻燃性能无影响。
参考文献
[1]杨海洋，胡炳环，肖鹏．玻纤增强阻燃PBT复合材料的制备[J]．
翅料工 ．2006．34(8)：19-21．
贾义军，等：满足苛刻阻燃要求的环保阻燃增强PBT的研究 25
东大聚氨酯四项科技成果达国际先进水平
日前，东大聚氨酯4项科技成果通过山东省科技厅鉴
定，分别为：耐老化低蠕变管中管型组合聚醚、硅烷改性单组
分湿固化环保型聚氨酯球场浆料、仿木用全水型组合聚醚、
低硬度聚氨酯弹性体组合物。由7名国内知名专家组成的
专家鉴定委员会一致认为：这4项科技成果性能均达国际同
类产品先进水平，具有良好的经济效益和社会效益。
耐老化低蠕变管中管型组合聚醚填补了国内技术空白，
打破了国内高端管中管市场长期由国外公司产品垄断的市
场格局，在142℃高温条件下使用30 a；硅烷改性单组分湿
固化环保型聚氨酯球场浆料无需调配，对基础要求低，大大
降低了施工时间和施工成本，使用寿命可达10 a；仿木用全
水型组合聚醚解决了制品表面气泡多、易出现湿度线、制品
表面硬度低等重大技术难题；低硬度聚氨酯弹性体组合物填
补了国内技术空白，开辟了聚氨酯弹性体的新用途。主要用
于生产制作鞋材减震垫、汽车防滑垫、自行车坐垫和残疾人
轮椅坐垫的保健防护用品。 (色母粒网)
英将推出能辨认食品过期的智能型塑料袋
一款智能型食品塑料包装袋有望在两年内上市。其外
观颜色在食品过期时会发生变化，以提醒人们食物即将变
质。英国斯特拉思克莱德大学教授米尔斯正在带领研究人
员开发这款智能包装袋。如果肉、鱼和蔬菜等食物超过保质
期或放置冰箱外过长时间，新鲜度就会受到破坏。依照米尔
斯团队的构想，当新鲜程度降至某一界限，这种智能塑料包
装袋就会改变颜色，它还能帮助人们区分“最佳食用期”和
“质量保质期”。 (色母粒网)
汽车未来市场需求有望助力塑料产业
随着低碳经济的发展，节能、降耗已成为汽车工业发展
所面临的巨大挑战，人们对汽车轻量化、低油耗、安全性能等
要求不断提高，质轻、耐腐蚀、减振、成型加工方便的塑料正
越来越多地应用于汽车工业中。
塑料在汽车的应用部件已由以往普通装饰件发展到结
构件、功能件，而使用的塑料种类也由通用塑料扩展到强度
高、冲击性能好的高性能增强工程塑料。
在过去的几十年中，汽车的塑料用量不断增加。在未来
的几年里，我国汽车用塑料的用量还将大幅上升。据预测，
到2015年，我国汽车工业的塑料需求量将达350多万t，到
2020年，这一数字有望接近600万t。目前，国内外都非常
重视汽车用塑料的研发，现已推出多种综合性能优良的塑料
品种供汽车工业使用。但我国的汽车用塑料还存在许多问
题，如汽车专用塑料牌号少、产品性能不能满足选材要求等。
(慧聪网)
我国首部新材料产业发展规划出台
日前，我国首部新材料产业发展规划—— 《新材料产业
“十二五”发展规划》由工业和信息化部正式发布。《规划》
提出将着力推动先进高分子材料、新型无机非金属材料、高
性能复合材料、前沿新材料等六大新材料升级换代和自主创
新，到“十二五”末，新材料产业规模总产值达到2万亿元人
民币，年均增长率超过25％，实现我国由材料大国向材料强
国的战略转变。
根据《规划》，“十二五”期间我国新材料综合保障能力
将提高到70％，关键新材料保障能力达到50％，实现碳纤维、
膜材料、丁基橡胶、聚碳酸酯等关键品种产业化、规模化；推
广30个重点新材料品种，实施若干示范推广应用工程。
《规划》不仅明确了新材料发展的六大领域，还将其进一
步细分为2O个重点方向。其中，在先进高分子材料方面，工
程塑料加强改性及加工应用技术研发，增强高端品种供应能
力；特种橡胶加快开发丙烯酸酯橡胶及弹性体、卤化丁基橡
胶、氢化丁腈橡胶等品种。
《规划》同时提出，将有序建设包括稀土功能材料基地、
特种橡胶基地、工程塑料基地、高性能氟硅材料基地、高性能
复合材料基地在内的十大重点新材料产业基地；大力推进
新材料发展的十大工程，即稀土及稀有金属功能材料专项工
程、碳纤维低成本化与高端创新示范工程、高强轻型合金材
料专项工程、高性能钢铁材料专项工程、高性能膜材料专项
工程、先进电池材料专项工程、新型节能环保建材示范应用
专项工程、电子信息功能材料专项工程、生物医用材料专项
工程、新材料创新能力建设专项工程。其中绝大部分工程涉
及化工行业。 (中国塑料橡胶网)
拜耳推出新型聚氨酯树脂灌注处理系统
过去树脂灌注过程一直使用乙烯基酯、不饱和聚酯和环
氧树脂材料来制造大型的高性能零部件，但有限的原料供给
也给该方法带来了诸多不便。
拜耳材料科技已经开发出定制聚氨酯系统，使其能够替
代传统的树脂灌注材料。这种系统能够更成熟灵活的应用
在风力涡轮机根环和叶片、运输行业结构组件上。
拜耳材料科技首席科学家Usama Younes博士表示，聚
氨酯材料具有质轻、能快速处理、快速成型等特点。新的
Baydur聚氨酯系统具有低黏度和凝胶时间长的优势，与环氧
树脂相比脱模时间更快，有效提高流程效率；与聚酯相比，在
保证材料强度的情况下，所用材料的质量更少。
案例证明，该创新可以利用复合聚氨酯材料耐腐蚀、性
能更好、质轻等优点，利用聚氨酯树脂灌注能够有效减少风
阻力，减少运输工具的耗油比。 (环球聚氨酯网)

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