焦锑酸钠协效卤素阻燃PPA复合材料的制备和研究
摘 要：使用焦锑酸钠作为协效剂，制备得到增强阻燃PPA复合材料，从机械性能、阻燃性能和热稳定性几个方面与传统协效剂三氧化二锑做对比。结果表明，使用焦锑酸钠作为协效剂制备得到的复合材料5%热失重的温度提高了约30℃，复合材料的热稳定性增强，且复合材料在加工过程中颜色无明显的变化，物理机械性能保持不变，为阻燃改性PPA材料在特定需求的实际应用中提供参考。
关键词:焦锑酸钠;协效剂;热失重;机械物理性能;颜色;
Preparation and Research of Sodium Pyroantimonate Synergistic Halogen Flame Retardant PPA Composite
Ll Jun HUANG Chang-zhengwu Xue-sheng
Heyuan Pulilong New Material Technology Co.,Ltd.
Abstract：Sodium pyroantimonate was used as a synergist to prepare reinforced flame retardant PPA composites, which were compared with traditional synergist antimony trioxide in terms of mechanical properties, flame retardancy and thermal stability. The results showed that the temperature of 5% thermal weight loss of the composites prepared with sodium pyroantimonate as synergist was increased by about 30 ℃, the thermal stability of the composites was enhanced, the color of the composites did not change significantly during processing, and the physical and mechanical properties remained unchanged, which could provide some reference for the practical application of flame retardant modified PPA materials in specific needs.
Keyword：Sodium pyroantimonate; Synergistic agent; Thermal weight loss; Mechanical and physical properties; Colour;
聚邻苯二甲酰胺（PPA）是一类以对苯二甲酸或间苯二甲酸为原料，并非以邻苯二甲酸为原料生产的一种半芳香族PA。2003年美国材料实验协会（ASTM)[1]将PPA定义为：在分子链重复单元结构中的二羧酸部分，要含有至少55%的间苯二甲酸（IPA）结构或对苯二甲酸（TPA）结构，或者两种结构的组合，芳香二元酸的含量对PPA树脂的性能影响明显。
PPA是熔点接近于310℃，玻璃化温度为127℃的极性材料。PPA具有很高的强度、刚性和良好的耐化学品性，但却易于被强酸或氧化剂侵蚀，并可溶解在甲酚和苯酚中。与脂肪族聚酰胺如尼龙66相比，PPA有更高的强度、热性能和低吸湿性，但是延展性比尼龙66低[2,3]。PPA可用玻璃纤维增强，并具有良好的高温使用性能。增强级PPA可连续承受180℃的高温。结晶级PPA通常用于注射成型，而无定形级经常用作阻隔材料。结晶级和无定形级PPA均可用作汽车部件，该部件要求耐化学品性和热稳定性，例如传感器壳、燃料管道零件、照明灯反射器、电气零件和建筑用部件。电气零件与焊接的红外线和蒸汽相接触，此时利用的是PPA的高温稳定性；转换设备、连接器和马达支架经常用PPA制作。无机纤维填充的PPA用在需要镀层的地方例如装饰金属元件和管道阀门[4]。
PPA树脂的阻燃特性一般，氧指数23%左右，任意厚度的垂直燃烧等级均为HB，与脂肪族聚酰胺材料相比，由于PPA大分子主链中含有大量的苯环结构，理论上其阻燃改性所需使用的阻燃剂剂量要远小于脂肪族聚酰胺材料。在PPA的诸多实际应用中，如电子电气连接器、汽车马达支架、新能源汽车充电枪等部件，多是与金属直接接触且工作温度很高的关键位置，这就对该种PPA改性材料提出了较高的阻燃要求[5,6,7,8,9,10]。由于PPA的加工温度很高，适用于PPA的添加型阻燃剂很少，溴化聚苯乙烯（BPS）是一种合适的新型环保高分子溴系阻燃剂，将它添加到材料中燃烧时不存在“二噁英”的问题，且具有耐热（热分解温度高于330℃）、低毒、相容性好、不易迁移等优点，并且对材料的力学性能和物理性质的影响都比较小[11]。
本研究使用焦锑酸钠作为协效剂[12]，协同溴化聚苯乙烯制备阻燃增强PPA材料，从机械性能、阻燃性能和热稳定性几个方面与传统协效剂三氧化二锑做对比，为阻燃改性PPA材料在特定需求的实际应用中提供参考。
1 实验部分
1.1 原料
实验用到的主要原料见表1。
1.2 实验设备
实验用到的主要仪器设备见表2。
1.3 实验配方与工艺
表3为分别使用三氧化二锑和焦锑酸钠作为协效阻燃剂，制备阻燃增强PPA复合材料的配方。阻燃增强PPA复合材料的制备工艺流程见图1所示。
双螺杆挤出机各区温度见表4。
1.4 性能测试
1.4.1 热失重分析
参照国标GB/T 27761—2011《热重分析仪失重和剩余量的试验方法》测试。
1.4.2 白度
参照国标GB/T 2913—1982《塑料白度试验方法》测试。
1.4.3 垂直燃烧等级测定
参照国标GB2408—2008《塑料-燃烧性能的测定-水平法和垂直法》测试。
1.4.4 力学性能测试
(1)拉伸强度和断裂伸长率
参照国标GB/T 1040—2006《塑料拉伸性能的测定》测试。试样为1A型，哑铃状样条：170 mm×10 mm×4 mm，温度：（23±1）℃，相对湿度：（50±5）%；拉伸速度：5 mm·min-1。
(2)简支梁缺口冲击
参照国标GB/T 13525—1992《塑料拉伸冲击性能试验方法》测试，样条尺寸为：80 mm×10 mm×4 mm。温度：（23±1）℃，相对湿度：（50±5）%。
(3）弯曲强度和弯曲模量
参照国标GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能试验方法》测试，样条尺寸为：80 mm×10 mm×4 mm。测试速度为2 mm·min-1，温度：（23±1）℃，相对湿度：（50±5）%。
2 结果与讨论
2.1 复合材料热失重分析（参照TGA谱图进行说明）
使用不同的协效剂制备得到的阻燃增强PPA复合材料，其热失重结果见图2和图3所示。从图中可以明显看出，添加了Sb2O3作为协效剂的卤-锑复合阻燃体系的PPA复合材料分解5%时的温度约为355℃，而添加了焦锑酸钠作为协效剂的PPA复合材料分解5%时的温度约为384℃。
而PPA复合材料的挤出/注塑加工温度通常在310～340℃左右，因此在挤出或注塑过程中，复合材料已存在相当程度的分解，容易导致了粒子颜色整体明显发灰变暗，且在注塑成型过程中材料的颜色会进一步的劣化，极大限制了用于提高高温性能的玻璃纤维在PPA复合材料的应用。
2.2 复合材料的物理机械性能
两种不同的协效剂制备得到的增强阻燃PPA复合材料的黄色指数、阻燃性能、拉伸性能、简支梁缺口冲击结果见表5。
从表4的中可以明显看出，使用焦锑酸钠替代Sb2O3作为协效剂制备得到的增强阻燃PPA复合材料其物理机械性能相近，而焦锑酸钠制备得到的增强阻燃PPA复合材料相对较白。这是因为传统卤/锑复合阻燃体系的PPA复合材料，由于含卤素有机化合物/三氧化二锑的配合使用，导致复合材料的初始热分解温度大幅降低，复合材料在加工过程中颜色极易发灰变暗。如上文述，添加了焦锑酸钠作为协效剂的PPA复合材料分解5%时的温度相对提高了约30℃，因此在加工过程中复合材料的颜色无明显的变化。
3 结论
使用焦锑酸钠代替传统三氧化二锑作为协效剂制备得到的PPA复合材料分解5%时的温度相对提高了约30℃，复合材料的热稳定性增强，且复合材料在加工过程中颜色无明显的变化，物理机械性能保持不变，为阻燃改性PPA材料在特定需求的实际应用中提供参考。
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