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阻燃abs塑料课程设计

学院

阻燃ABS塑料设计综述

专业：

高分子材料与工程

班级：

10

学号：

108

姓名：

王

指导教师：

化学与材料工程学院

2013年1月2日

设计任务书

1.设计题目

阻燃ABS塑料制备

2.设计内容

（1）ABS树脂牌号、阻燃剂的选用与配方设计

（2）阻燃ABS塑料配制

（3）阻燃ABS塑料性能测试

3.设计要求

（一）设计说明书的内容与顺序：

1、封面（包括题目、学生班级、学生姓名、指导教师姓名等）

2、设计任务书

3、目录

4、正文

4.1绪论：

所选课题的简要概述及进展、设计任务的目的及意义、设计结果简述

4.2设计内容

4.3实施方案

4.4预期达到的主要技术指标

4.5预期工作进度

4.5工艺流程图（带控制点的工艺流程图）及其说明

4.6设计结果概要

4.7设计体会及今后的改进意见

5、参考文献

6、主要符号说明（必须注明意义和单位）

说明书必须书写工整、图文清晰。

说明书中所有公式必须写明编号。

（二）工艺流程图设计图纸的要求：

要求画“生产装置工艺流程图”一张，图纸大小为A2。

本图应表示出装置、单元设备、辅助设备和机器、管道、物料流向。

以线条和箭头表示物料流向，并以指引线表示物料的流量、温度和组成等。

辅助物料的管线以较细的线条表示。

工艺物料管道用粗实线，辅助物料管道用中粗线，其他用细实线。

横向管道标注在管道上方，竖向管道标注在管道右侧。

辅助物料（如冷却水、加热蒸汽等）的管线以较细的线条表示。

图表和表格中的所有文字写成长仿宋体。

设备以细实线绘制，画出能够显示形状特征的主要轮廓。

设备的高低和楼面高低的相对位置一般也按比例绘制。

设备的位号、名称标注在相应设备图形的上方或下方，或以指引线引出设备编号，在专栏中注明每个设备的位号、名称等。

要求工艺流程图有相应的标题栏，主要包括说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审校人等。

本设计标题栏规定如下所示：

图纸要求：

投影正确、布置合理、线型规范、字迹工整。

标题栏格式：

设计单位名称

图号

职责

签名

图名

比例

日期

审校人

（三）参考文献的格式：

期刊类：

（序号）作者1，作者2，……作者n，文章名，期刊名（版本），出版年，卷次（期次）。

图书类：

（序号）作者1，作者2，……作者n，书名，版本，出版地：

出版社，出版年。

目录

目录4

绪论6

1.ABS塑料简要概述及进展6

2.设计的目的及意义6

3.设计结果简述6

1.ABS树脂牌号8

2.阻燃剂的选用8

3.配方设计8

阻燃ABS塑料制备方案9

1.ABS相容剂的制备9

2.阻燃ABS树脂制备步骤9

3.性能测试与分析11

结果与讨论11

1.阻燃剂用量对ABS氧指数的影响11

1.1DBDPO用量的影响11

1.2TBAB用量的影响13

1.3DBDPO与TBAB复配对氧指数的影响14

2.阻燃剂用量对ABS电性能的影响16

2.1DBDPO用量的影响16

2.2TBAB用量的影响17

2.3DBDPO与TBAB复配对电性能的影响18

阻燃ABS塑料研究现状及进展23

1.ABS燃烧机理24

2.ABS阻燃技术研究概况24

2.1反应型阻燃剂25

2.2添加型阻燃剂25

2.3与难燃聚合物混合26

结论26

绪论

1.ABS塑料简要概述及进展

ABS树脂是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯组成的三元共聚物。

ABS树脂能表现三种组分之间的协同性能:

ABS中的丙稀腈组分赋予树脂化学稳定性和热稳定性,丁二烯组分提供树脂坚韧性和冲击强度,苯乙烯组分给予树脂刚性和良好的加工性能。

常见ABS树脂具有表面硬度高、坚韧、耐低温冲击性好、耐蠕变性好、尺寸稳定性好、成型收缩率小等优异性能,而广泛用于家用电器、电子通讯、电气等行业。

但其极限氧指数（LOI）仅183~20（<21）,属于易燃材料,容易造成火灾事故。

【1】在空气中容易燃烧，且在燃烧中释放出大量有毒有害气体，如HCN、CO等，并产生黑烟，这不仅造成严重的财产损失，还会给人们的生命安全和生存环境带来极大威胁【2】。

对塑料有阻燃作用的有含磷、卤、氮、锑、硼、硫等化合物。

多数情况下,多种元素化合物的复合使用,其阻燃效果比单独使用效果好。

对ABS塑料具有较好阻燃作用的主要有磷系、卤系有机物及某些无机化合物,其中无机阻燃剂在ABS中添加量需要达到40%以上才有较明显的效果,同时由于其添加量大,因此会严重损害ABS的物理力学性能。

【3】磷系阻燃剂品种、数量不多,且多数又为液体和低熔点化合物,不适用于粒状ABS塑料的挤出造粒改性工艺。

因此,当前对于ABS塑料的阻燃主要采用卤系阻燃剂,而其效果最好的为含溴有机化合物,如十溴联苯醚（DBDPO）。

聚氯乙烯由于其与ABS良好的相容性和高含氯量,因而既是ABS的一种高效阻燃剂,又可作为ABS的共混改性组分,用它可以降低小分子阻燃剂对ABS的力学损失。

根据阻燃剂的类型，环保型阻燃ABS的阻燃体系有以下几种：

（1）含溴阻燃体系；

（2）有机含磷、氮阻燃体系；（3）无机阻燃体系。

2.设计的目的及意义

本设计的目的是提供一种符合欧盟RoHs指令要求的阻燃ABS专用料以及其制备方法。

本设计研究了十溴二苯醚（DBDPO）、四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚（TBAB）及其复配对ABS阻燃性能及电性能的影响。

3.设计结果简述

结果表明，DBDPO与TBAB对ABS的阻燃有协同作用，在DBDPO与TBAB总用量固定为15%的条件下，两者的质量比为2:

1时，氧指数达到最大值，为32.4。

DBDPO及TBAB对ABS电性能均有一定损害，使ABS的电绝缘性能及电气强度降低、介电常数及介电损耗因数增加。

ABS树脂牌号、阻燃剂选用与配方设计

1.ABS树脂牌号

阻燃ABS：

pa757，台湾奇美实业股份有限公司【4】

2.阻燃剂的选用

十溴二苯醚（DBDPO）：

山东海洋化工科学研究院

四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚（TBAB）：

山东菜央子医药化工厂

三氧化二锑、抗氧剂和其余助剂：

均为市售。

3.配方设计

本实验利用十溴二苯醚（DBDPO）及四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚

（TBAB）作阻燃剂，制备了阻燃ABS塑料，较系统地研究DBDPO、TBAB及其复配对ABS阻燃性能和电性能的影响，为阻燃ABS应用于电子电气行业提供重要的理论和实验依据。

所述的阻燃ABS专用料质量组成如下：

ABS树脂35～65﹪、

复配阻燃剂20～40﹪、

层状硅酸盐材料5﹪、增效聚合物10～20﹪.

最常用的ABS树脂中A:

B:

S=20：

30：

50。

本设计所述的复配阻燃剂优选的质量比为3：

1：

1的十溴二苯醚、四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚和三氧化锑复配组成。

本设计所述的阻燃ABS专用料，所述层状硅酸盐材料为蒙脱土、水滑石或滑石粉中的任一种。

进一步，所述层状硅酸盐材料的粒径小于10微米。

本设计所述增效聚合物为尼龙6或尼龙66.

本设计方案优选为所述ABS专用料的质量组成如下：

ABS树脂35～40﹪、

复配阻燃剂37～40﹪、

层状硅酸盐材料5﹪、

尼龙6或尼龙66为18～20﹪，

所述的复配阻燃剂优选的质量比为3：

1：

1的十溴二苯醚、四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚和三氧化锑复配组成，

所述层状硅酸盐材料为蒙脱土、水滑石或滑石粉，

所述的ABS树脂中A:

B:

S=20：

30：

50。

阻燃ABS塑料制备方案

本设计的环保阻燃ABS塑料的配置方案包括如下步骤：

1.ABS相容剂的制备

在辊温为160～170℃的双辊热炼机上先加入ABS，ABS熔融包辊后，加入DBDPO、TBAB、Sb2O3、抗氧剂和其它助剂（其中溴系阻燃剂与Sb2O3的质量比固定为3:

1），混炼均匀后出片，即制得阻燃ABS材料。

然后在平板硫化机上，180℃温度下模压制得厚度分别为3mm和4mm的试片，再在万能制样机上制取用于测定氧指数和电性能的试样。

所述的双螺杆挤出是双螺杆挤出机挤出温度一区140～145℃，二区145～150℃，三区155～175℃，四区180～185℃，五区185～190℃，螺杆转速10～60HZ【5】.

2.阻燃ABS树脂制备步骤

将组方配比的ABS树脂、复配阻燃剂、层状硅酸盐材料和增效聚合物在高速混合机中混合10min，然后将混合物加入双螺杆挤出机，调节双螺杆挤出机的温度185～210℃，所述的混合物在入双螺杆挤出机内混合挤出并切粒得到所述的环保型阻燃ABS树脂。

具体实施方案:

按所述质量含量将十溴二苯醚、四溴双酚A双（2，3-二溴丙基）醚（TBAB）和经过偶联剂表面处理的三氧化二锑（3：

1：

1）复配成的复配阻燃剂：

20﹪、ABS树脂：

65﹪、尼龙6:

10﹪、和粒径小于10微米的滑石粉：

5﹪在高速混合机中混合10min，然后将混合物加入双螺杆挤出机，在双螺杆挤出机中混合挤出切料，料筒温度控制在185℃。

制备方法流程：

马来酸酐+丁酮搅拌溶解

↓

加苯乙烯搅拌溶解

↓

加促进剂搅拌溶解

↓

透明混合液+ABS

↓

搅拌均匀或采用固态、液态

分别计量加入、用泵打入

↓

反应挤出共混切粒

↓

ABS相容剂加入

↓

阻燃剂+阻燃助剂+偶联剂加入→分散剂+抗氧剂+加工助剂+载体

↓

混合

↓

双螺杆挤出机或旋转销钉混炼机

挤出造粒

↓

目标产物

（阻燃ABS树脂颗粒）

相容剂反应机理:

从引发剂（过氧化物）分解产生自由基

↓

链引发

↓

接枝反应

↓

上述接枝反应链终止

↓

生成接枝相容剂

3.性能测试与分析

氧指数（OI）按GB/T2426-1993规定进行；表面电阻率和体积电阻率按GB1410-1989进行；介电常数和介电损耗因数（Tanδ）通过Q表按GB1409

-1988在7.95MHz下进行；电气强度按GB1408-1989进行，测试的介质是变压器油。

[6]

结果与讨论

1.阻燃剂用量对ABS氧指数的影响

1.1DBDPO用量的影响

DBDPO用量对ABS氧指数的影响见图1。

由图1可见，氧指数随着DBDPO用量的增加而增大，DBDPO的用量为15%时，阻燃ABS的氧指数为31.2，已达到难燃要求。

表明DBDPO对ABS具有良好的阻燃效果。

因为DBDPO一方面在燃烧时生成HBr阻隔和稀释附近的氧气；另一方面产生的Br·自由基与ABS燃烧产生的活性自由基H·HO·等结合，降低了活性，中断了燃烧的进行，提高ABS的阻燃性能。

图1DBDPO用量对ABS氧指数的影响

1.2TBAB用量的影响

图2TBAB用量对ABS氧指数的影响

图2显示了TBAB用量对ABS氧指数的影响。

由图2可见，ABS的氧指数随着TBAB用量的增加而增大，当TBAB的用量为15%时，氧指数为29.8，低于相同用量的DBDPO阻燃ABS的氧指数，说明TBAB对ABS的阻燃效果不DBDPO。

这是因为DBDPO的含溴量高达83.3%，而TBAB含溴量只有63.2%，所以溴系阻燃剂的阻燃效果与含溴量是密切相关的。

1.3DBDPO与TBAB复配对氧指数的影响

固定DBDPO与TBAB总的质量分数为15%,DBDPO与TBAB的质量比对ABS氧指数的影响如图所示.由图3可见,当DBDPO的质量分数为10%，TBAB为5%，即DBDPO与TBAB的质量比为2:

1时,阻燃ABS的氧指数最大,达到32.4,高于单独使用15%的DBDPO或TBAB阻燃ABS的氧指数，表明DBDPO与TBAB复配对ABS的阻燃有协同作用。

这可能是TBAB分解温度为238℃，而DBDPO分解温度为353℃,TBAB在低温时起到阻燃作用，DBDPO对ABS阻燃有互补作用。

图3与质量比对氧指数的影响

C------10%DBDPO+5%TBAB图4DBDPO、TBAB及其复配阻燃ABS冲击断面的SEM照片图4分别是DBDPO、TBAB及其复配阻燃ABS冲击断面的SEM照片。

由图4可以看出，单独使用DBDPO时，DBDPO和Sb2O3在ABS基材中分散不均匀，有粒子聚集的现象，DBDPO的颗粒较大，达4µm×2µm。

这是因为DBDPO的熔点（285℃）较高，在加工温度下以固体形式存在，不能在ABS中均匀分散。

在照片b中没有见到大尺寸的TBAB颗粒，因为TBAB的熔点是85~90℃，在加工温度下能够熔融，可均匀分散在ABS基材中，并能有效地改善Sb2O3在ABS中的分散。

在照片C中，阻燃剂的分散也较均匀，没有见到大尺寸的阻燃剂聚集颗粒，表明TBAB的加入有效地改善了DBDPO的分散性。

阻燃剂分散性好，有利于阻燃性能提高。

因此，通DBDPO与TBAB复配阻燃ABS，可以减少阻燃剂的用量，提高阻燃性能。

2.阻燃剂用量对ABS电性能的影响

2.1DBDPO用量的影响

DBDPO的用量对阻燃ABS电性能的影响见表1。

由表1可见，DBDPO的加入对ABS的表面电阻率和体积电阻率影响较大。

当用量为10%时，表面电阻率和体积电阻率分别为4.0×103Ω和2.5×105Ω·㎝，比不含DBDPO的ABS分别下降约2个数量级和1个数量级，但用量在10%~20%之间变化时，表面电阻率和体积电阻率变化不大。

阻燃ABS的电气强度随着DBDPO用量的增加而缓慢下降。

介电常数及介电损耗因数开始随着DBDPO用量的增加而缓慢增加，但用量增加到15%后，增加的速度加大。

当用量为20%时，介电常数和介电损耗因数分别为2.96和0.029，比不含DBDPO的分别增加了11.3%和1.42倍。

因此DBDPO的加入对ABS的电性能有一定的损害，尤其是对电绝缘性能损害较大。

这与载流子的产生是密切相关的。

载流子的产生有两方面的原因：

其一，DBDPO及其协同剂Sb2O3在加工温度下分解产生Br-与H+、Sb3+等成为导电的载流子，其机理是离子电导；其二，阻燃剂与阻燃基材具有不同的介电常数及不同的电阻率，在电场的作用下发生界面极化，产生空间电荷，成为导电的载流子。

同时在强电场的作用下，也导致了树枝化增长，使电气强度下降。

另外，tan的大小一般由极性与载流子的迁移率来决定。

由于阻燃剂及其它助剂均是极性填料，增加了材料的总的偶极数，使介电常数与介电损耗因数增加。

2.2TBAB用量的影响

表2显示了TBAB用量对ABS电性能的影响。

由表2可看出，TBAB对ABS的体积电阻率、电气强度、介电常数及介电损耗因数的影响及其变化规律与DBDPO类似，但TBAB对ABS的表面电阻率的影响较小。

当TBAB用量10%～15%之间时，其表面电阻率比不含TBAB的ABS下降约1个数量级。

表2TBAB用量对阻燃ABS电性能的影响

2.3DBDPO与TBAB复配对电性能的影响

固定DBDPO与TBAB的总用量为15%，改变两者的质量比，对阻燃ABS电性能的影响见表3。

由表3可看出，虽然单独使用DBDPO或TBAB阻燃ABS的表面电阻率相差较大，但两者复配时的质量比不同对阻燃ABS的电性能影响不大。

这是因为改变两者的质量比，对材料中总的偶极距及界面极化影响不大，对载流子浓度及迁移率也没有多大影响。

表3DBDPO与TBAB的质量比对阻燃ABS电性能的影响

设计体会

持续两周的课程设计很快就要结束了，在这两周中，我们在李老师和赵老师的带领下，按规定完成了本次的课程设计。

可以说过程进行的很辛苦，天寒冷倒是一种锻炼，不过资料的查找颇为困难，无论如何通过这次课程设计，我的收获也很大。

首先，以前我们也做过课程设计，在雷老师的带领下也做过综述，懂得了一些查阅文献以及论文综述的方法。

本次的课程设计让我进一步地学习并且了查阅参考文献的方法，提高了解决实际问题的能力。

过去的三年我们都很少独立的查阅文献，很多信息都是从课本上直接获取，这次我们在设计之初就进行了很多文献的查阅，从图书馆借了很多相关书籍和资料，也从网上下载了很多相关的资料，找到了很多以前我们所不了解的信息。

通过亲自动手查找资料，使得从课堂上学到的理论知识充分运用到实际应用中，进一步加强了文献检索的能力。

其次，通过本次的课程设计，我进一步了解了ABS树脂的发展历史和性能，如ABS中丙烯腈、丁二烯、苯乙烯各自的性质和作用，添加剂中不同物质、不同含量对ABS树脂的影响，ABS树脂的配方工艺和制备流程，对ABS树脂有重要影响的活化能、燃烧性能、轰然时间、火灾性能指数和烟及毒气的释放等各种参数指标。

另外，通过查阅资料，我详细了解了各种阻燃剂，有含溴阻燃剂，如传统的八溴二苯醚（OBDTO）、十溴双酚A（TBBPA）,新型的十溴二苯乙烷（DBDPE）等；机磷系阻燃剂，如磷酸酯、有机磷盐等；无机阻燃剂，如锑化合物，硼化合物等【7】还有很多其它的阻燃剂，各自有相应的适用范围。

改进意见

十溴二苯醚（DBDEs）是由溴与联苯醚在AlCl3作用下反应制得,其含溴量高达83.3%（质量分数）,热稳定性好,阻燃效能高,且价格适中,广泛应用于聚苯乙烯、聚烯烃、聚酯、聚酰胺等热塑性塑料的加工,也可用于环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯等热固性树脂的阻燃加工,是一种产量和消耗量较大的添加型含溴阻燃剂[8]另外,十溴二苯醚的同系物八溴二苯醚、五溴二苯醚等含溴量比十溴二苯醚低,但熔点较低,在树脂中分散性较好,因此也有一些厂家生产。

5000mgkg,但在加工过程中会产生毒性物质,用以阻燃的高聚物在燃烧时会生成较多的烟、有毒气体及腐蚀性气体,降低被阻燃基材的抗紫外线稳定性,有些溴系阻燃剂易渗出。

目前争论的焦点主要是二英（Dioxin）问题、烟雾和毒气[9]

参考文献

[1]袁铁，阻燃ABS树脂的发展，广东公安科技，2009年第1期

[2]周丽娜、刘墨文、张莹莹.ABS阻燃技术研究进展，广州化工，2010,30卷第6期

[3]钟明强,徐立新,益小苏,张永芬.ABS塑料阻燃改性研究，中国塑料，2001,5，第15卷，第5期

[4]李永华曾幸荣罗昆刘波赵建青章永化吴向东，溴系阻燃剂阻燃ABS

的制备及电性能研究，华南理工大学材料科学与工程学院广东广州

[5]张发饶，一种环保阻燃ABS体系母料的制备方法，中华人民共和国国家知识

产权局，专利号CN101220194A

[6]，张雨山,高春娟,蔡荣华,溴系阻燃剂的应用研究及发展趋势,化学工业与

工程,第26卷第5期

[7]王家龙，张新波，张雅娟，王蕾，阻燃ABS的研究进展，宁波大学学报（理

工版）2006,19卷第3期

[8]HARDYM.Polybromodiphenyloxideflameretardants[J].OrganCompound,

2000,47:

41-44.[23]HELENAO,JESSIKAH,GEORGIK.AnreceptoragonistsinUV

exposedtoluenesolutionsofdecabromodiphenylether（decaBDE）andinsoils

contaminatedwithpolybrominateddiphenylethers（PBDEs）[J].EnvironSci&

PollutRes,2006,13（3）:

161-169。

[9]欧育湘,王筱梅.多溴二苯醚阻燃体系热裂及燃料物的研究[J].阻燃材料与

技术,1997,

（2）:

7-12。

主要符号说明

ABS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物

PBDD1,2,3,7,8-五溴二苯恶英

PBDF2,3,4,7,8-五溴二苯并呋喃

DBDPE十溴二苯乙烷

Sb2O3三氧化二锑

APP聚磷酸铵

MAH马来酸酐

DCP过氧二异丙苯

CPE氯化聚乙烯

MBS甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物

ACS丙烯腈-氯化聚乙烯-苯乙烯共聚物

ACR丙烯酸酯抗冲剂

HRR热释放速率（kW/m2）

THR总释放热（MJ/m2）

EHC有效燃烧热（MJ/kg）

TTI点燃时间（s）

MLR质量损失速率（g/s）

PKHRR放热峰值（kW/m2）

FP火灾性能指数

（1）

SEA比消光面积（m2/kg）

COYCO生成量（kg/kg）

CO₂YCO₂生成量（kg/kg）