聚碳酸酯/短切碳纤维/二苯砜磺酸钾复合材料的阻燃性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230274

摘要/Abstract

摘要：

采用熔融共混方法制备了聚碳酸酯/短切碳纤维/二苯砜磺酸钾（PC/sCF/KSS）复合材料，通过垂直燃烧（UL-94）、极限氧指数（LOI）和锥型量热测试研究了同时加入sCF和KSS对PC阻燃性能的影响。结果表明，当加入质量分数2%的sCF和质量分数0.1%的KSS时，PC/2sCF/0.1KSS复合材料的LOI较纯PC（27.2%）大幅提高，达到36.2%，UL-94等级达到V-0级。 sCF和KSS在降低PC热释放和烟释放方面表现出协同效应。与纯PC相比，PC/2sCF/0.1KSS复合材料的峰值热释放速率（pHRR）降低59%，峰值烟释放速率（pSPR）降低57%，峰值CO释放速率（pCOP）降低63%，均优于单独加入sCF或KSS的样品。在燃烧过程中，sCF和KSS的同时加入在PC复合材料中发挥了优异的凝聚相阻燃作用。此外，PC/2sCF/0.1KSS复合材料的冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率与纯PC相比变化不大，力学性能得到保持。

关键词: 聚碳酸酯, 短切碳纤维, 磺酸盐阻燃剂, 阻燃性能

Abstract:

Polycarbonate/short carbon fiber/potassium 3-（phenylsulfonyl）benzenesulfonate （PC/sCF/KSS） composites are prepared by melt blending. The effects of sCF and KSS on the flame retardancy of PC are studied by vertical combustion （UL-94）， limiting oxygen index （LOI） and cone calorimetry. The results show that when 2% （mass percent） sCF and 0.1% （mass percent） KSS are added， the LOI of PC/2sCF/0.1KSS composites is significantly higher than that of pure PC （27.2%）， reaching 36.2%. The grade of UL-94 is V-0. SCF and KSS show synergistic effect in reducing heat release and smoke release of PC. Compared with pure PC， the peak heat release rate （pHRR） of PC/2sCF/0.1KSS composites decreases by 59%， the peak smoke release rate （pSPR） decreases by 57%， and the peak CO release rate （pCOP） decreases by 63%， all of which are better than adding sCF or KSS alone. The flame retardant mechanism of the composites is studied， and it is found that the addition of sCF and KSS plays an excellent flame retardant effect of condensed phase in PC composites. In addition， the impact strength， tensile strength and elongation at break of PC/2sCF/0.1KSS composites change little compared with pure PC， and the mechanical properties are maintained.

Key words: Polycarbonate, Short carbon fiber, Sulfonate flame retardant, Flame retardancy

中图分类号:

O631

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图/表 11

表1 PC及其复合材料的组成

Table 1 Formulations of PC and its composites

Samples	w（PC）/%	w（sCF）/%	w（KSS）/%
PC	100	0	0
PC/0.1KSS	99.9	0	0.1
PC/2sCF	98	2	0
PC/2sCF/0.1KSS	97.9	2	0.1

图1 PC、PC/0.1KSS、PC/2sCF和PC/2sCF/0.1KSS在N2气气氛下的TG（A）、DTG（B）和DSC（C）曲线

Fig.1 TG （A）， DTG （B） and DSC （C） curves of PC， PC/0.1KSS， PC/2sCF and PC/2sCF/0.1KSS composites in N2 atmosphere

表2 PC及其复合材料在N2气气氛下的热稳定性数据

Table 2 Thermal stability data of PC and PC composites in N2 atmosphere

Samples	T_1%/℃	T_5%/℃	T_max/℃	w（residue）/% at 700 ℃
PC	430	471	518	21.3
PC/0.1KSS	411	454	489	17.6
PC/2sCF	432	475	514	23.7
PC/2sCF/0.1KSS	412	453	488	20.8

表3 PC及其复合材料的LOI和UL?94数据

Table 3 LOI and UL?94 data of PC and PC composites

Samples	LOI/%	UL?94
Samples	LOI/%	t₁/s	t₂/s	Dripping	Rating
PC	27.2	6.8±2.1	22.3±3.5	Y	V?2
PC/0.1KSS	34.6	3.3±1.3	3.1±2.1	Y	V?2
PC/2sCF	29.5	2.2±0.2	5.1±1.9	Y	V?2
PC/2sCF/0.1KSS	36.2	1.8±0.6	2.5±1.2	N	V?0

图2 PC及其复合材料的（A） HRR、（B） THR、（C） SPR、（D） TSP、（E） COP和（F） CO2P曲线

Fig.2 （A） HRR，（B） THR，（C） SPR，（D） TSP，（E） COP and （F） CO2P curves of PC and PC composites

表4 PC及其复合材料的锥形量热测试数据

Table 4 Cone calorimeter test data of PC and PC composites

Samples	PC	PC/0.1KSS	PC/2sCF	PC/2sCF/0.1KSS
TTI/s	126	93	127	92
pHRR/（kW·m^-2）	562	483	462	230
THR/（MJ·m^-2）	67.4	66.0	70.4	70.8
pSPR/（m²·s^-1）	0.23	0.15	0.17	0.10
TSP/m²	20.2	20.3	17.1	17.8
pCOP/（g·s^-1）	0.030	0.027	0.025	0.011
pCO₂P/（g·s^-1）	0.384	0.358	0.330	0.169
FPI	0.224	0.193	0.275	0.400
Char yield/%	19.1	10.1	18.4	19.3

图3 （A） PC、（B） PC/0.1KSS、（C） PC/2sCF和（D） PC/2sCF/0.1KSS复合材料锥形量热测试后残炭的数码照片和SEM照片

Fig.3 Digital and SEM photos of carbon residue after CCT of （A） PC，（B） PC/0.1KSS，（C） PC/2sCF and （D） PC/2sCF/0.1KSS

图4 PC、PC/0.1KSS、PC/2sCF和PC/2sCF/0.1KSS复合材料的复合粘度曲线

Fig.4 Complex viscosity curves of PC， PC/0.1KSS， PC/2sCF and PC/2sCF/0.1KSS

图5 （A） PC及其复合材料在550 ℃下裂解产物的GC谱图；（B） GC/MS测定的PC及其复合材料主要降解产物组成

Fig.5 （A） GC spectra of pyrolysis products of PC and PC composites measured by Py-GC/MS at 550 ℃；（B） Composition of main degradation products of PC and PC composites

图6 PC及其复合材料的（A）冲击强度和（B）拉伸应力-应变曲线

Fig.6 （A） Impact strength and （B） tensile stress-strain of PC and PC composites

图7 PC及其复合材料的淬断面SEM照片A.PC； B.PC/0.1KSS； C.PC/2sCF； D.PC/2sCF/0.1KSS

Fig.7 SEM photographs of quenched sections of PC and PC composites

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