一种增韧阻燃PC复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种增韧阻燃pc复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、聚碳酸酯（pc）作为一种综合性能优异的热塑性工程塑料，具有突出的冲击韧性、良好的透光性、耐热性和尺寸稳定性，广泛应用于电子电器外壳、汽车零部件、照明器材及办公设备等领域；然而，pc本身存在两大固有缺陷：一是其极限氧指数很低，属于易燃材料，燃烧时伴有熔融滴落，易引发二次火灾；二是其缺口冲击敏感性较强，在制品存在尖角、开孔等应力集中部位时易发生脆性断裂。随着电动汽车、消费电子等行业对材料安全性和轻量化的要求日益提高，开发兼具高效阻燃和优异韧性的pc复合材料已成为行业迫切需求。

2、目前，pc的阻燃改性主要采用含卤阻燃剂或磷系阻燃剂。其中，溴系阻燃剂虽阻燃效率高，但燃烧时释放大量有毒烟雾和腐蚀性气体，难以满足rohs和reach等环保法规要求；磷系阻燃剂虽为当前pc阻燃的主流方案，但其添加量通常需达到8-15份方能达到ul94v-0级，不仅显著提高成本，还会严重劣化pc的耐热性和冲击强度。为解决阻燃与增韧的矛盾，研究者尝试将阻燃剂与弹性体增韧剂复配使用，但常规增韧剂，如mbs、有机硅橡胶等本身可燃，其引入往往需要额外增加阻燃剂用量，形成“增韧-阻燃”的恶性循环。

3、近年来，碳基材料因其自身的高热稳定性和成炭能力被尝试用于pc阻燃改性。然而，碳纳米管和石墨烯在pc基体中易团聚、与基体界面结合力弱，直接物理共混难以实现均匀分散，且其对冲击韧性的改善效果有限。为解决上述问题，有研究采用二氧化硅、聚硅氧烷等包覆碳材料以改善其分散性和界面相容性，但常规包覆层结构单一，缺乏协同阻燃功能，且碳材料本身的刚性特征使其在增韧方面贡献不足。此外，层状双金属氢氧化物作为一种无卤阻燃剂，受热分解可释放水蒸气并生成金属氧化物隔热层，但其与pc基体的相容性差，单独添加时阻燃效率较低，需要大剂量填充才能达到有效阻燃，反而严重影响材料力学性能。

4、综上，现有技术难以同时解决pc材料的阻燃性、韧性和加工性之间的多重矛盾，亟需一种能够兼顾高效无卤阻燃、显著增韧和良好力学性能的pc复合材料及其制备方法。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：提供一种增韧阻燃pc复合材料及其制备方法，以克服现有技术中pc材料阻燃性与韧性难以兼顾、无卤阻燃剂添加量大且劣化力学性能的技术缺陷，获得兼具高效无卤阻燃、高抗冲击韧性和优良加工性能的pc复合材料。

2、技术方案：一种增韧阻燃pc复合材料，由以下重量份的原料组成：pc树脂100份、复合填料3-12份、纳米sio2短纤1-6份；

3、所述复合填料为中空碳管、包覆于中空碳管表面的聚硅氧烷弹性层、以及分散于聚硅氧烷弹性层中的poss基元和表面改性的纳米水滑石；

4、优选的，所述复合填料的制备方法包括以下步骤：

5、s1. 将聚丙烯腈溶解于n,n-二甲基甲酰胺，添加导电盐配制得到壳层纺丝液；将pmma溶于相同溶剂制得芯层纺丝液；采用同轴静电纺丝工艺成型，收集获得同轴纤维，即为中空前驱体纤维；

6、s2. 将中空前驱体纤维置于管式炉内，先于空气气氛中升温保温完成预氧化处理；再切换为惰性气氛升温保温碳化，待体系自然冷却后，制得中空碳管；

7、s3. 将纳米水滑石分散至无水乙醇体系，添加硅烷偶联剂并超声分散，经搅拌回流反应后过滤、洗涤、干燥，制得表面改性纳米水滑石；

8、s4. 将s2制得的中空碳管投入端羟基聚二甲基硅氧烷前驱液超声分散；依次加入poss与s3所得改性纳米水滑石，再次超声分散；对混合分散液加热固化，使中空碳管表面生成负载poss与改性纳米水滑石的聚硅氧烷弹性包覆层；产物粉碎筛分，得到复合填料。

9、优选的，所述步骤s1中所述壳层纺丝液中聚丙烯腈的质量浓度为8-12%；导电盐为四丁基高氯酸铵，添加量为0.1-0.5wt%。

10、优选的，所述步骤s1中静电纺丝的工艺参数为施加电压15-25kv，接收距离15-25cm，壳层流速0.5-2.0ml/h，芯层流速0.2-1.0ml/h，接收辊转速1000-3000rpm。

11、优选的，所述步骤s2中空气气氛下升温速率为1-2℃/min，升温至250-300℃并保温1-3h进行预氧化；惰性气氛下升温速率为3-5℃/min，升温至850-1000℃并保温1-3h。

12、优选的，所述步骤s3中硅烷偶联剂添加量为纳米水滑石质量的1%-5%，超声分散时长20-40min，搅拌回流温度60-80℃、回流时间2-4h；纳米水滑石的粒径为50-200nm；所述硅烷偶联剂为kh550或kh570。

13、优选的，所述步骤s4中所述步骤s4中poss为苯基poss，poss在聚硅氧烷弹性层内质量占比3%-15%。

14、优选的，所述步骤s4中所述交联剂为正硅酸乙酯，添加量为端羟基聚二甲基硅氧烷质量的2%-10%；所述催化剂为二丁基锡二月桂酸酯催化剂，添加量为端羟基聚二甲基硅氧烷质量的0.1%-1.0%，改性纳米水滑石在弹性层内质量占比5%-20%（所述纳米水滑石为磷酸根插层改性水滑石或经150-250℃热预处理脱除部分层间水的热稳定型水滑石），两次超声分散时长分别为10-30min、20-40min，固化温度80-150℃、固化时长1-3h，粉碎后过筛得到粒径10-120μm的复合填料。

15、改性纳米水滑石在弹性层内质量占比5%-20%，两次超声分散时长分别为10-30min、20-40min，固化温度80-150℃、固化时长1-3h，粉碎后过筛得到粒径10-120μm的复合填料。

16、优选的，所述纳米sio2短纤的长度为5-50μm、直径100-500nm，其改性为将短纤分散于乙醇中，加入占短纤质量1-5%的硅烷偶联剂，80℃回流2h，过滤干燥备用进行表面改性。

17、优选的，增容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝硅油0.5-2份

18、优选的，上述的增韧阻燃pc复合材料的制备方法包括以下步骤：

19、s11.按重量份称取pc树脂100份、复合填料3-12份、纳米sio2短纤1-6份；

20、s12. 将pc树脂与复合填料预混合后，从双螺杆挤出机的主喂料口加入；纳米sio2短纤从侧喂料口加入；设置挤出机温度：加料段220-230℃，塑化段240-250℃，计量段255-265℃，其中1区220-230℃、2区220-230℃、3区235-245℃、4区240-250℃、5区240-250℃、6区245-255℃、7区255-265℃、8区255-265℃、机头温度250-260℃；熔融共混挤出造粒，得到增韧阻燃pc材料。

21、有益效果：本发明阻燃增韧pc复合材料具有以下优点：

22、1. 本发明采用中空碳管、poss和纳米水滑构建协同阻燃机制；poss受热分解生成耐热二氧化硅层，进一步增强炭层致密性；纳米水滑石受热分解释放水蒸气稀释可燃气体，同时其金属氧化物催化成炭；协同作用，使材料在低添加量下即可达到ul94 v-0级阻燃标准，且无卤环保，并能有效抑制熔融滴落，显著提高火灾安全性。

23、2. 本发明通过核壳实现高效增韧；中空碳管作为刚性内核，其中空结构有助于应力分散，避免应力集中；聚硅氧烷弹性层作为柔性界面，与pc基体之间形成滑移界面，有效耗散冲击应力；改性二氧化硅纳米短纤均匀分散于基体中，起到刚性骨架增强作用；使材料在缺口冲击强度大幅提升的同时，弯曲模量和拉伸强度保持稳定甚至提高，克服了传统增韧剂导致刚性下降的缺陷。

24、3. 本发明采用同轴静电纺丝结合碳化及芯层去除工艺制备的中空碳管，其内部中空管状结构使填料密度显著低于实心碳材料，有利于实现复合材料的轻量化；同时中空结构进一步降低导热系数，配合poss/ldh的阻燃修饰，实现了阻燃、增韧、轻量化的集成。

25、4. 本发明聚硅氧烷弹性层与pc基体通过物理缠结和化学相似性形成良好结合，其柔性链段可有效浸润中空碳管的粗糙碳表面；其次，均匀分散于弹性层中的poss和表面改性的纳米水滑石，有效改善了无机纳米粒子与有机聚硅氧烷的相容性；最后，改性二氧化硅纳米短纤经硅烷偶联剂处理，表面接枝有机官能团，与pc基体形成化学键合，避免团聚；同时采用侧喂料工艺加入短纤，避免过度剪切断裂，保持其高长径比，确保增强效果。多级界面设计使材料内部结构均一稳定，宏观性能可靠。

26、5. 聚硅氧烷弹性层中的si-o-si链段具有柔顺性，在熔融共混过程中可降低pc熔体的粘度，改善加工流动性，使得复合填料和短纤填料在高填充量下仍能顺利挤出造粒；同时，poss和聚硅氧烷本身具有优异的热稳定性，其热分解温度远高于pc的加工温度，不会在加工过程中分解产生气泡或挥发物。