雙螺桿組合對增強無鹵阻燃改性PBT性能的影響

鄭夏蓮，馬元好

(宜春學院物理科學與技術工程學院，江西宜春 336000)

聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)材料是五大工程塑料之一，具有良好的電性能、力學性能，以及具有強度較高、耐老化、耐熱和耐腐蝕等優點，被廣泛地應用在汽車、電子電器和工業機械等領域[1-3]。

隨著汽車、電子電器和工業機械領域的不斷發展，PBT的需求量也不斷上升，因此加強開發和生產改性PBT具有重要的意義[4]。如今我國的PBT出口量逐年攀升，年產能較大，國產化率較高，PBT改性研究已經得到了一定的進展，改性PBT性能方面得到很大的提升，但是相比于國外，仍有一定差距[5]。在改性研究中，增強PBT的阻燃性是一個重要課題，常通過添加阻燃劑來提高PBT的阻燃性能，如采用核-殼高聚物型阻燃劑、防滴劑與三氧化二銻并用以達到阻燃、防滴等多重阻燃效果[6-7]。以前常用的阻燃劑為含鹵素阻燃劑，市場上所銷售的阻燃PBT材料主要是以十溴聯苯醚和三氧化二銻復配使用的阻燃改性PBT，但是含鹵素阻燃劑在生產應用時會對環境造成一定的危害，因此開發生產無鹵阻燃PBT更加適應現在的發展狀況[8]。

在研究如何提升無鹵阻燃PBT的性能時，研究者更多的是通過添加不同的不含鹵素的配料來改變PBT的性能[9]。但是在改性過程中擠出工藝對PBT的性能也會有很大的影響[10]，對于使用同樣的配料，在采用不同的螺桿組合、喂料速度、擠出溫度等條件時生產的PBT的性能會有所差別。

筆者設計了3種螺桿組合，研究了在不同擠出溫度和主機螺桿轉速下由這3種螺桿組合生產的增強無鹵阻燃改性PBT的性能，對比得出了制得的改性PBT性能最佳時所采用的螺桿組合、溫度和主機螺桿轉速，從而為高性能增強無鹵阻燃改性PBT材料的實際生產提供一定的借鑒。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PBT：1100-211M，中國臺灣長春化工集團；

聚磷酸銨(APP)：99.8%，濟南豪邦化工有限公司；

三聚氰胺聚磷酸鹽(MPP)：98%，湖北隆信化工實業有限公司；

γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH-570)：東莞市康錦新材料有限公司；

聚丙烯(PP)：V-30，廣東茂名石化公司；

玻璃纖維：988A，中國巨石股份有限公司；

聚乙烯(PE)：FM5220，北歐化工有限公司；

乙烯-辛烯共聚物彈性體(POE)：8150，美國陶氏化學公司；

四[β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯(C73H108O12，抗氧劑1010)：山東優索化工科技有限公司；

三[2，4-二叔丁基苯基]亞磷酸酯(C42H63O3P，抗氧劑168)：安徽友豐新材料科技有限公司。

1.2 主要儀器與設備

立式混合干燥機：ST202101312236型，河北勝拓機械有限公司；

高速攪拌混合機：ZGH-350型，常州君諾干燥設備實力工廠；

雙螺桿擠出機：TSH-52P型，螺桿的長徑比為44∶1，南京滕達機械設備有限公司；

切粒機：LQ-400懸臂式型，泰州永楊機械制造有限公司；

注塑機：TZHME-1200型，蘇州天正機械廠；

電子萬能試驗機：TFW型，上海拓豐儀器科技有限公司；

擺錘式沖擊試驗機：SMT-3002C型，揚州市賽思檢測設備有限公司；

水平垂直燃燒試驗儀：HD-R807型，東莞市海達儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將PBT，APP，MPP，玻璃纖維，PP，PE，POE，抗氧劑的質量比定為45/15/6/30/3/1/2/0.5(抗氧劑1010和168的質量比為1/1)。按上述配方取適量的PBT原料，放入已經加熱到95℃的立式混合干燥機中，干燥2～4 h。將所需的阻燃劑(APP，MPP)，偶聯劑(KH-570)、增容增韌劑(PP，PE，POE)、抗氧劑1010及抗氧劑168分別按照上述比例稱量好，待PBT原料干燥完成后，先將PBT原料放入高速攪拌混合機中攪拌，攪拌速度為500 r/min，而后依次加入稱量好的阻燃劑、偶聯劑、增容增韌劑、抗氧劑，攪拌至均勻，放入雙螺桿擠出機進料倉中，GF從螺桿第6節纖維專用加料口加入，熔融擠塑，而后經過水冷、風干、切粒、篩選、干燥，得到改性后的PBT。將改性后的PBT粒料加入到注塑機中，制成標準試樣。注塑機的溫度依次為245，255，260℃，注塑壓力為75 MPa。

1.4 實驗方案

為了研究螺桿組合、溫度及螺桿轉速對該種改性PBT性能的影響并獲得改性PBT性能最佳的一組，設置了如下方案。

(1)溫度和轉速設置。

共設置3組溫度。第1組：170，230，230，200，200，170，170，160，190，210℃；第2組：180，240，240，210，210，180，180，170，200，220℃；第3組：190，250，250，220，220，190，190，180，220，220℃。3種主機螺桿轉速設為275，325，375 r/min。

(2)螺桿組合設置。

設置了3種螺桿組合，其特性分別為高輸送高剪切組合、低輸送高剪切組合、大導程中剪切組合，分別記為1#，2#，3#，螺紋元件的設置見表1和表2，總共有51個螺紋元件。1#，2#，3#螺桿組合相同部分是序號為1～4，20～21和23的螺紋元件，分別是SE32/32A，SE96/96SK，SE96/48SK，SE96/48SK，SE72/72，SE72/72，SE96/96(A表示該元件為起始元件、SK代表該元件為深槽螺紋式輸送元件)。3種螺桿的螺紋組合總長度均為2 030 mm。

表1 序號為5～19，22，24～29的螺紋元件組合

表2 序號為30～51的螺紋元件組合

(3)實驗順序設置。

首先，固定主機螺桿轉速為400 r/min，分別在設置的3組溫度下擠出得到改性PBT粒料，然后注塑得到試樣并測試其在3種螺桿組合下的性能，通過分析數據，可以得出性能最佳的溫度組合；然后，選用該溫度組合，改變主機螺桿轉速，測試試樣在3種螺桿組合下的性能。

1.5 性能表征

拉伸強度按GB/T 1040.1-2006測試，拉伸速度為50 mm/min，共測試10次，取平均值；

彎曲強度按GB/T 9341-2008測試，彎曲速度為2.0 mm/min，共測試10次，取平均值；

缺口沖擊強度按GB/T 1843-2008測試，共測試10次，取平均值；

利用水平垂直燃燒試驗儀測試試樣阻燃性，將試樣放在火焰上燃燒10 s，移開火焰記錄試樣火焰熄滅時間，共測試10次。

2 結果與討論

2.1 改性PBT在不同螺桿組合及不同溫度下的性能變化

固定主機螺桿轉速，在3組溫度下由不同螺桿組合制備的改性PBT的性能見表3。由表3可以看出，在相同溫度下，1#螺桿組合制得的改性PBT的性能整體上比2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的性能更好，這是由于1#螺桿組合在熔融段和混合段大多采用的是輸送元件和較薄的45°捏合塊元件，能提供一定的剪切應力并且還具有一定的輸送能力，而3#螺桿組合剪切力相對更弱，物料混合性差，2#螺桿在熔融段和混合段采用的捏合塊錯列角較大，并且輸送元件相對較少，有較大的剪切力但是其輸送能力較差，相對來看，1#螺桿組合的輸送能力和混合能力更好[11-13]。

表3 不同溫度組合下3種螺桿組合制備的改性PBT性能

由表3還可以看出，當采用同一螺桿組合時，在第2組溫度下制得的改性PBT的拉伸強度和彎曲強度比在另外兩組溫度下制得的改性PBT的拉伸強度和彎曲強度整體上更好，在第3組溫度下制得的改性PBT的缺口沖擊強度比在另外兩組溫度下制得的改性PBT的缺口沖擊強度更好，并且第3組溫度整體上高于第2組溫度，而第2組溫度整體上高于第1組溫度?？梢钥闯鲈谄渌鼦l件相同情況下，改性PBT的缺口沖擊強度會隨溫度的升高而增加，而改性PBT的拉伸強度和彎曲強度會先隨溫度的升高有一定的增大，而后當超過一個臨界的溫度后又會有所下降。這是由于隨著溫度的升高，物料的黏度會下降，物料的流動性得到增強，使加入到物料中的玻璃纖維能夠被充分浸潤，并且使玻璃纖維更難被折斷，但當溫度過高，會使得一些物料分解，從而會降低了PBT的拉伸強度和彎曲強度[14]。

分別對在第2組溫度下3種螺桿組合制得的改性PBT進行阻燃性測試，所得結果如圖1所示。由圖1可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT燃燒時間整體上略低于另外兩組，經計算，1#，2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的10次阻燃測試燃燒時間總長分別為17.4，19.0，21.5 s，可以得出1#螺桿組合制得的改性PBT的阻燃性能更好。

圖1 在第2組溫度下3種組螺桿組合制得的改性PBT阻燃測試結果

綜上可知，對于1#，2#，3#螺桿組合，在第2組溫度下，其制得的改性PBT的性能相對更好，并且由1#螺桿組合所制得的改性PBT性能更加優于其余兩組，其拉伸強度為68.48 MPa，彎曲強度為106.86 MPa，缺口沖擊強度為5.44 kJ/m2，10次阻燃測試的燃燒時間總長為17.4 s。

2.2 改性PBT在不同螺桿組合及不同主機螺桿轉速下的性能變化

選擇第2組溫度，在不同主機螺桿轉速下由不同螺桿組合制得的改性PBT的性能見表4。由表4可知，在相同主機螺桿轉速下，1#螺桿組合所制得的改性PBT性能最優。當其它條件不變，主機螺桿轉速增大時，制得的改性PBT的拉伸強度和彎曲強度也在增大，缺口沖擊強度總體上先增加而后減小，但變化幅度相對較小。這是因為喂料速度等條件沒有變化，單位時間主機內除玻璃纖維外的物料增加的量相同，而主機螺桿轉速增加，單位時間加入主機的玻璃纖維的量增加，因此，單位體積內玻璃纖維的含量增加，所以改性PBT的拉伸強度和彎曲強度會增加。但是隨著主機螺桿轉速不斷增加，玻璃纖維容易被折斷，并且不易被物料浸潤，使得改性PBT的缺口沖擊強度略微有所下降[15-16]。

表4 不同主機螺桿轉速下3種螺桿組合制備的改性PBT性能

在375 r/min的轉速下3種螺桿組合制得的改性PBT的阻燃性能如圖2所示。由圖2可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT的燃燒時間總體上更短，阻燃性更好，1#，2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的10次阻燃測試燃燒時間總長分別為15.1，16.1，18.0 s。綜上所述，在不同主機螺桿轉速下，1#螺桿組合所制得的改性PBT性能依舊優于2#，3#螺桿組合制得的改性PBT的性能；當主機螺桿轉速為375 r/min時，綜合性能更佳，改性PBT的拉伸強度和彎曲強度提高，缺口沖擊強度雖略微有所下降，燃燒總長縮短，其 值 分 別 為69.24 MPa，107.31 MPa，5.39 kJ/m2，15.1 s。

圖2 在375 r/min螺桿轉速下3種螺桿組合制得的PBT阻燃測試結果

結合表3和表4可以看出，1#螺桿組合制得的改性PBT的綜合性能優于另外兩組螺桿組合制得的改性PBT的性能，雖然溫度和主機螺桿轉速對改性PBT的性能都有影響，但影響并不是十分明顯，而不同螺桿組合對改性PBT性能的影響更明顯。

3 結論

(1)通過測試在3組溫度下由不同螺桿組合得到的改性PBT性能發現，在第2組溫度下1#螺桿組合制備的改性PBT性能較佳，其拉伸強度為68.48 MPa，彎曲強度為106.86 MPa，缺口沖擊強度為5.44 kJ/m2，燃燒時間總長為17.4 s。

(2)固定第2組溫度，測試不同螺桿組合下不同主機螺桿轉速的改性PBT性能，發現在375 r/min的主機螺桿轉速下，選用1#螺桿組合制得的改性PBT的性能最佳，其拉伸強度、彎曲強度、缺口沖擊強度和燃燒時間總長分別為69.24 MPa，107.31 MPa，5.39 kJ/m2，15.1 s。

(3)溫度和主機螺桿轉速對改性PBT性能影響不十分明顯，螺桿組合對改性PBT性能影響顯著。