阻燃剂、耐候剂以及钛白粉对阻燃ABS光老化耐候性的影响

2024-10-08

ABS的极限氧指数比较低,只有18.3-20,是一种易燃的高分子材料,被点燃后会产生大量黑烟,离火后仍然继续燃烧,燃烧后塑料软化、烧焦、熔融滴落。用ABS制造的电子电器配件等存在因短路而被引燃的危险,这一点限制了其在该领域的应用,因此,阻燃ABS应需而生。



改进ABS阻燃性能的方法主要有三种:混合其他阻燃聚合物、添加第四单体进行化学改性以及添加阻燃剂。第三种方法在成本和性能上取得了较好的平衡,因此在实际应用中最为广泛。特别是含有卤素的阻燃剂,如溴系阻燃剂,配合使用sb2O3、聚四氟乙烯等协效剂和抗滴落剂,可以显著提高氧指数至27以上,达到UL94 V-0级别的垂直燃烧标准。


本文通过考察材料老化前后的色差变化,研究了阻燃剂、耐候剂以及钛白粉的加入对阻燃ABS光老化耐候性能的影响,为阻燃ABS在电子电器产品的应用提供配方理论支撑。


01

氙灯老化试验箱


02

色差仪


本实验涉及检测设备



1. 性能测试与表征

氙灯老化:按ISO 4892.2(氙灯,method A/cycle 1)进行试验。按相关标准进行性能测试和表征。




2. 结果与讨论


2.1 阻燃剂的影响

对比了几种应用最广阻燃体系的阻燃ABS(FRABS)和普通ABS(ABS)光老化色差变化情况,结果如图1所示。


图1 阻燃和普通ABS光老化对比


图1的结果显示,材料在添加了溴系阻燃剂之后,其在氙灯老化测试中的色差变化极为显著,仅仅在336小时内,从普通ABS的3.5急剧增加至40以上。此外,大约在500小时的光照后,样品表面开始出现明显的裂纹。这一现象证实了早先的分析,即溴系阻燃剂在生产过程中会生成酸性物质和自由基,这些物质会在光照下加速ABS材料的化学反应和颜色变化。特别是TBBA,由于其在热稳定性方面表现最差(在空气中2%的分解温度仅为285℃),在加工过程中更容易分解,因此其耐候性能也最弱。


2.2 耐侯剂的影响

本文选用了目前市面上应用最广泛的苯并三唑类紫外线吸收剂(耐候剂A)以及受阻胺光稳定剂(耐候剂B),考察其分别添加及其复配对阻燃ABS的光老化的影响,结果如图2~图4所示。

图2 耐候剂A添加量对阻燃ABS光老化的影响


由图2的结果可见,添加紫外线吸收剂可以有效提高阻燃ABS的耐光老化性,添加3‰~5‰其300h后的色差值可降低50%左右。同时,未添加耐候剂的色板在300h之后即产生龟裂,但添加紫外线吸收剂后,至672h都未发生明显龟裂。

图3 耐候剂B添加量对阻燃ABS光老化的影响


图4 复配耐候剂添加量对阻燃ABS光老化的影响


图3结果显示,添加HALS对该阻燃ABS的光老化影响不大。图4为苯并三唑与HALS复配后的光老化结果,其效果基本与单独使用苯并三唑的类似,也同样显示HALS失效了。


通常,HALS包含N-H结构和N-甲基取代衍生物结构,其光稳定作用的机理是相当复杂的。普遍认为,对聚合物起到光稳定直接效果的是受阻胺类氮氧自由基。实际上,HALS是活性光稳定结构的先驱,在光照氧化的环境下,聚合物内部必然存在或生成如臭氧、激发态的单线态氧、过氧化氢、过氧化物自由基以及烷基过氧化氢等氧化性基团。在四甲基哌啶结构中,N-H键和N-甲基键容易被这些活性基团氧化,形成氮氧自由基。这些HALS氮氧自由基能够捕获光老化过程中产生的自由基,从而阻止它们引发进一步的破坏性反应,如图5所示。

图5 HALS自由基猝灭机理


但HALS由于具有胺的特性,显示出一定碱性,遇酸质子化,转变为氮氧自由基后的活性会下降。这可能 也是耐候剂B在阻燃ABS中失效的主要原因。


2.3 钛白粉的影响

金红石型的钛白粉性能稳定,对光的反射效果很强, 是一种高效的光屏蔽剂。但金红石型钛白粉粒子也存在 一些光催化缺陷,作为紫外光屏蔽剂使用时一般需要包覆一层SiO2、Al2O3,之类的无机膜,用以屏蔽其晶体结构中的光催化活性点。本文考察了钛白粉添加量对阻燃 ABS光老化的影响,结果如图6和图7所示。


图6 钛白粉添加量对阻燃ABS光老化的影响


图7 钛白粉添加量对复配耐候剂的阻燃ABS光老化的影响


图6展示了钛白粉不同添加量对阻燃ABS在光老化性能上的影响。实验结果表明,向阻燃ABS中添加钛白粉能有效减少其在光老化过程中的色差变化,且添加量越大,色差变化越小。具体来说,当钛白粉的添加量达到2%时,经过336小时的氙灯老化处理,阻燃ABS的色差从超过40显著下降到了17.1;而当钛白粉的添加量增加到4%时,色差进一步降至11.8。然而,需要注意的是,钛白粉的加入虽然可以提高耐候性,但也会导致材料密度增加和韧性降低。因此,为了在耐候性和材料性能之间取得平衡,建议在阻燃ABS中添加大约2%的钛白粉。


此外,在已经添加了复合耐候剂的阻燃ABS体系中,钛白粉的加入也能显著提升材料的耐光老化性能。在大约300小时的氙灯老化测试中,未添加钛白粉的阻燃ABS色差为17.3,而添加了1%、2%和4%钛白粉的样品,其色差分别降至13.2、11.0和8.0,最优的效果接近于普通ABS的水平。




3 结论

首先,溴系阻燃剂对ABS材料在光老化过程中的影响较为显著,导致其色差显著增加,并在500小时后发生了裂纹。其次,紫外线吸收剂能够显著提升阻燃ABS的耐候性,而受阻胺类光稳定剂的作用则不太明显。最后,钛白粉的引入能够有效增强阻燃ABS的耐光老化性能,尤其是当与耐候剂配合使用时,可以使阻燃ABS的耐光老化性能与普通ABS相媲美。



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