无卤阻燃增强PBT灼热丝性能提升探究

在电子电器产品领域，PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）因具备卓越的力学性能、耐热性、耐化学性以及出色的电绝缘性而被广泛应用于汽车连接件、电脑部件、AC/DC插头、变压器骨架等众多场景。然而，在电子电器行业，材料的阻燃安全性至关重要，尤其是针对与电线等金属直接接触的塑料部件，因金属线可能出现的过载或短路情况，会大量放热导致塑料燃烧，进而引发火灾。因此，国际电工委员会（IEC）制定了针对无人照管器具的灼热丝阻燃测试标准，我国的家用电器3C认证也将无人照管电器载流绝缘材料部件的灼热丝性能作为强制性要求。

当前，国内满足UL 94 V-0阻燃标准的增强PBT材料已较为成熟，传统制备方式主要采用玻璃纤维（GF）配合卤素阻燃剂及三氧化二锑的复配体系。不过，这种体系难以达到GWIT（灼热丝起燃温度）要求，即在灼热丝施加作用的30秒内全程无火燃烧。为了深入研究如何提升无卤阻燃增强PBT的灼热丝性能，本文将对BPS-Sb、无卤阻燃剂以及复配阻燃剂对增强PBT力学性能及灼热丝性能的影响展开细致分析。

一. BPS-Sb含量对增强PBT性能的作用

表1展示了不同BPS-Sb含量的增强PBT配方，而表2则呈现了在玻璃纤维含量固定为30%的条件下，不同BPS-Sb阻燃剂含量对增强PBT力学性能和阻燃性能的具体影响。从数据结果来看，随着阻燃剂添加量的逐步增加，体系的灼热丝燃烧指数GWFI以及UL 94垂直燃烧等级均呈现出上升趋势。这表明BPS-Sb阻燃体系对于应对GWFI和UL 94这类直接燃烧测试的阻燃效果相当高效。究其原因，GWFI与UL 94的测试原理相同，都是记录在撤去外部热源后，材料体系自主熄灭的过程，BPS-Sb阻燃体系在其中发挥了关键的阻燃作用。

然而，在进行灼热丝起燃温度GWIT测试时，情况却有所不同。随着BPS-Sb阻燃剂添加量的提升，材料的GWIT并没有相应地提高。对比未添加阻燃剂的配方1可以发现，单纯的卤素阻燃体系反而对GWIT产生了负面作用。这是因为GWIT测试主要是记录外部热源施加过程中的情况，而溴化聚苯乙烯作为该体系中的一个成分，其热稳定性较差。PBT基材的起始分解温度大致在380℃左右，而溴化聚苯乙烯的起始分解温度仅为310℃到330℃。阻燃剂的加入，加快了整个体系的分解速度，分解产生的多为小分子、低燃点物质，使得体系能够在更低的温度下被灼热丝引燃。

二. 无卤阻燃剂对增强PBT性能的影响

表3列举了不同无卤阻燃体系的增强PBT配方，表4则对比了在玻璃纤维含量为30%的条件下，不同无卤阻燃剂对增强PBT力学性能和阻燃性能的作用。根据表4中的数据，可以看出ADP、MCA、MPP等无卤阻燃剂对材料体系的力学性能劣化程度明显高于BPS-Sb阻燃剂。原因在于无卤阻燃剂多为小分子齐聚物，与基体树脂的相容性较差，在材料体系中类似于填充物，从而导致力学性能出现较大损失。相比之下，溴化聚苯乙烯是一种高分子树脂，与整个体系的相容性良好，因此整体力学性能能够保持在较高水平。

KCP经过特殊的表面活化处理后，其与基体树脂的相容性相比常规无卤阻燃剂得到了显著提升，使得材料的力学性能能够与溴化聚苯乙烯体系相媲美。从表4的阻燃测试结果来看，单独使用无卤阻燃体系时，其阻燃效果并不理想。在灼热丝起燃温度GWIT方面，仅当ADP含量达到20%时，材料的GWIT达到了775℃，但此时其灼热丝燃烧指数仅为800℃。而根据IEC60335-1无人照管电器载流部件的标准要求，GWIT需大于850℃。在这种情况下，材料的UL垂直燃烧等级也仅为V-1。对于添加了20份MCA、KCP或者MPP的GF增强PBT而言，其GWIT和GWFI分别仅为725℃和750℃。

经过综合分析可以确定，无论是溴锑阻燃体系单独使用，还是无卤阻燃体系单独使用，都无法满足IEC60335-1无人照管电器载流部件的灼热丝要求。

三. 不同类型阻燃剂复配对增强PBT性能的作用

表5提供了不同类型阻燃剂复配的增强PBT配方方案，该方案是在表1中配方4的基础上，额外加入等量的无卤阻燃剂进行设计。如表6所示，在纯BPS-Sb阻燃体系中引入磷/氮类无卤阻燃剂后，材料的阻燃性能得到了显著提升。当所有无卤阻燃剂的添加量均为5kg时，材料的GWIT都超过了775℃，GWFI超过了850℃。其中，KCP的表现尤为突出，其GWIT更是超过了825℃，比IEC60335-1无人照管电器载流部件的灼热丝要求值775℃高出50℃。这说明在体系中，溴与氮、溴与磷、溴与氮磷之间产生了协同阻燃效应，在灼热丝测试中，对阻燃性能的提升效果较为明显。特别是成碳型无卤阻燃剂KCP，由于经过表面活化处理，与基材的相容性更好，其所含的成碳成分反应活化能更低，启动速度更快，在燃烧初期就能快速形成碳层，且碳层更为致密。这层碳覆盖在被燃烧物表面，起到了更显著的隔氧作用。

为了进一步研究不同类型阻燃剂比例的变化对体系力学性能及灼热丝性能的影响，本文设计了表6中的方案，并进行了相应的实验。从表8的实验结果可以发现，当固定KCP的比例为5%时，随着BPS-Sb阻燃剂比例的逐步降低，材料的阻燃性能以及灼热丝温度都有所下降。当溴化聚苯乙烯、三氧化二锑、KCP的比例为10：2：5时，材料的UL 94阻燃性能降低为V-1等级，同时GWIT和GWFI均仅为750℃。在该基础上，继续提高KCP的比例，当溴化聚苯乙烯、三氧化二锑、KCP的比例调整为10：2：10时，材料的GWIT达到775℃，GWFI为960℃，UL 94等级恢复为V-0，成功满足了IEC60335-1无人照管电器载流部件的灼热丝要求。此时，材料中卤素阻燃剂的添加比例相对较低，使得整体材料具有较高的性价比，产品在市场上也更具竞争优势。

四. 结论

1. 单一的溴锑阻燃体系以及无卤阻燃体系的增强PBT材料，都无法满足IEC60335-1无人照管电器载流部件对灼热丝性能的相关要求。

2. 通过利用溴、氮、磷之间的协同效应，复配卤素和无卤阻燃体系可以有效提升增强PBT的灼热丝起燃温度和灼热丝燃烧指数，从而研制出符合IEC60335-1无人照管电器载流部件相关灼热丝和阻燃要求的增强PBT材料。

3. 无卤阻燃剂的添加对材料的力学性能会产生较大影响，但对无卤阻燃剂进行表面活化处理能够改善其与基材的相容性，从而降低对材料力学性能的劣化程度。

4. KCP在满足UL 94 V-0等级，同时提高GWIT和GWFI的情况下，可以显著降低溴锑阻燃剂的添加量，进而得到更具性价比，且在市场上更具竞争力的增强PBT材料。

银塑阻燃剂公司致力于阻燃剂的研究与开发。我们的ADP产品是一种优秀的无卤阻燃剂，可用于无卤增强型PBT材料，以提升其烧穿性能。凭借其高效的阻燃性能和与基体树脂的良好相容性，ADP有助于提升材料的力学性能和阻燃性能。它在满足电气和电子行业严格的安全标准方面发挥着重要作用，为无卤阻燃应用提供了可靠的解决方案。