一种磨砂效果的透明阻燃PC材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及聚碳酸酯材料改性技术领域，具体涉及一种磨砂效果的透明阻燃PC材料及其制备方法和应用。
背景技术
在LED照明灯具逐渐被市场接受的过程中，作为LED灯具面罩的选材也在不断发生变化，该材料既要有高的透光率做前提，同时又要做到具有相当的光扩散率和良好的光源隐蔽性，提高灯具的效果和把LED炫目的光源变成柔和的、健康的光源是目前研发人员正在研究的方向。
最初LED灯罩采用磨砂玻璃来制作，但由于玻璃易碎，自身重量较大等问题快速被淘汰。后来逐渐发展到用树脂代替玻璃，但如果单单用透明树脂做灯罩，虽然透光率高，基本能达到90％以上，但光的扩散效果不理想，光源隐蔽性差。后又发展采用表面磨砂辅助等技术手段，这样虽然解决了光源遮蔽性问题，但高分子树脂表面磨砂效果的制备需对注塑模具表面进行精密的磨砂处理，且模具保养极其麻烦，制作成本较高。
随着LED行业的快速发展，以亚克力(PMMA)、PS、聚碳酸酯(PC)为基材的光扩散材料应运而生。该类光扩散材料通过添加光扩散剂来达到折射光线的作用，进而可获得一种乳白的具有极佳柔和光效的灯罩材料。光扩散材料虽然能使LED灯源产生极佳的柔和光线的效果，但其自身乳白色的外观，在一些场合与相应环境装饰不太协调，影响其装饰美观性。
中国专利文献CN%20109082094%20A公开了一种PC磨砂树脂及其制备方法，组成成分按质量份计：PC树脂80-97份，有机硅微球3-20份。通过采用该配比，制备的该PC材料的折射率提高到1.61-1.74，透光率下降5-12％，进而能够使LED灯发出的光更加柔和，而且强度高，韧性好，配方简单，易于制备，成本低。中国专利文献CN%20103194109%20A公开了一种涂层、使用该涂层的LED灯罩以及一种PC材料，所述PC材料包括以下组成(以质量分数计量)：球形有机硅微粉为0.5～2.0％、方形硫酸钡为0～5.0％以及PC透明材料93～99.5％。但作为LED用电器外壳材料，以上专利技术均未考虑到材料的阻燃相关性能需求，另一方面，有机硅微球由于聚合交联过程中，聚合物微球的直径控制难度较大，粒径分布较宽，进而影响产品的透光性与磨砂效果稳定性，同时有机硅树脂的价格也较高，材料成本方面无任何优势。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种磨砂效果的透明阻燃PC材料，该改性PC材料具有高阻燃、透明特性，同时注塑成灯具等制件后，能够直接产生磨砂效果，无需对注塑模具进行磨砂处理。
一种磨砂效果的透明阻燃PC材料，以原料总重量为100份计，原料组成包括：
所述无机二氧化硅微球采用硬脂酸和硅烷偶联剂进行包覆处理，直径优选15～50μm，无机二氧化硅微球粒径太小，磨砂效果不显著，而粒径太大，相应的物理力学性能太差；
所述聚甲基苯基硅氧烷的结构如下式(I)所示：
其中，n为正整数，m为0～7的整数。
本发明采用特定含量的特定组分组合，通过较大粒径透明无机二氧化硅微球对光线进行折射作用，进而实现入射光线扩散效果，同时由于无机二氧化硅微球粒径较大，单位范围内的光折射效果不如常规小粒径的光扩散剂明显，而且二氧化硅微球透明，光线可以透过，因此可实现一种透明磨砂效果。此外，针对本发明的透明阻燃PC材料体系，本发明创造性地在无机二氧化硅微球表面采用硬脂酸包覆以实现疏水效果，防止二氧化硅吸水从而避免在加工过程中过多的水分同磺酸盐类无卤阻燃剂作用而加速PC材料的分子链降解。本发明同时在无机二氧化硅微球表面包覆硅烷偶联剂，以增强无机二氧化硅微球同PC树脂基体的表面结合力，进而实现更优异的物理力学性能。
本发明还研究发现磺酸盐类无卤阻燃剂与聚甲基苯基硅氧烷可产生协同作用显著提高所得PC材料的阻燃性能。所述磺酸盐类无卤阻燃剂优选采用磺酸盐阻燃剂HES-FR(美国SLOSS公司)。
作为优选，所述磺酸盐类无卤阻燃剂和聚甲基苯基硅氧烷的质量比为1:10。
本发明需要保留PC树脂的透明性，同时又需实现PC树脂的薄壁阻燃性能，因此无法添加PTFE等常规抗滴落剂。基于此，作为优选，所述聚碳酸酯在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为3～10g/10min，重均分子量为3.5万～5.0万，有利于进一步提高所得PC材料的抗冲击性能和阻燃性能。
作为优选，所述聚甲基苯基硅氧烷的摩尔质量为1000～2000g/mol。经试验发现，在本发明的透明阻燃PC材料配方体系中，该摩尔质量范围的聚甲基苯基硅氧烷可与磺酸盐类无卤阻燃剂更好地发挥协同作用。
作为优选，所述荧光增白剂为2,5-双-(5-叔丁基-2-苯并恶唑基)噻吩。
作为优选，所述抗氧剂为抗氧剂1076与抗氧剂168按重量比1:1组成的复配物。
作为优选，所述润滑剂为硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸酯、硅酮粉中的至少一种。
采用上述优选荧光增白剂、抗氧剂、润滑剂，配合本发明优选特定的聚碳酸酯、无机二氧化硅微球、磺酸盐类无卤阻燃剂和聚甲基苯基硅氧烷可得到各方面性能更优异的磨砂效果的透明阻燃PC材料。
本发明还提供了所述磨砂效果的透明阻燃PC材料的制备方法，将所述原料按配比混合均匀，所得混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，经挤出、造粒、干燥后即得所述磨砂效果的透明阻燃PC材料；
所述双螺杆挤出机从进料到挤出出料各温区的温度设置为：一区：225～245℃、二区至六区：250～260℃、七区至九区：220～240℃、模头：250～270℃。
本发明的透明阻燃PC材料体系配合上述制备方法(尤其是各温区温度设置)所得材料具有最佳的磨砂效果、透明阻燃性能。
本发明的磨砂效果的透明阻燃PC材料具有高阻燃、透明特性，同时注塑成灯具等制件后，能够直接产生磨砂效果，无需对注塑模具进行磨砂处理，且磨砂效果更加均匀，大大节约了相关生产繁琐流程和生产成本。
本发明还提供了所述磨砂效果的透明阻燃PC材料在制备LED灯具外壳中的应用。本发明的磨砂效果的透明阻燃PC材料特别适用于制备LED灯具的灯管、灯罩等。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：本发明的磨砂效果的透明阻燃PC材料采用特殊包覆的无机二氧化硅微球，以及磺酸盐类无卤阻燃剂与聚甲基硅氧烷组成的阻燃复配体系，实现了PC材料的透明薄壁阻燃，同时该材料还可直接注塑产生磨砂效果，无需前期对注塑模具进行磨砂处理，生产流程简便，成本较节约，十分适合用于注塑LED灯具外壳如灯管、灯罩等。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
下述实施例、对比例中，具体选用以下品牌的原料：
聚碳酸酯采用LG 1201-05，在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为5g/10min，重均分子量为4.5万。
无机二氧化硅微球直径为15～50μm，具体使用15μm、30μm、50μm三种规格。同时采用硬脂酸和硅烷偶联剂进行包覆处理。硬脂酸包覆主要是实现疏水处理，防止二氧化硅吸水，避免过多的水分在加工过程中同磺酸盐类无卤阻燃剂作用而加速PC材料的分子链降解；硅烷偶联剂主要是增强无机二氧化硅微球同PC树脂基体的表面结合力，进而实现更优异的物理力学性能。
无卤阻燃剂采用磺酸盐阻燃剂HES-FR(美国SLOSS公司)。
聚甲基苯基硅氧烷具体选用日本信越化学公司生产的型号为KR480(ShinEtsuChemical)。
所述荧光增白剂具体选用巴斯夫Tinopal OB。
所述抗氧剂选自抗氧剂1076与抗氧剂168按重量比为1:1组成的复配物；
润滑剂为硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸酯(PETS)、硅酮粉中的一种或两种以上。
下述实施例和对比例中，未特别说明的情况下，添加量均指重量份，具体制备工艺如下：
步骤1)，将原料混合均匀，得到混合物料；
步骤2)，将步骤1)所得的混合物料通过双螺杆挤出机的主喂料口喂入，双螺杆挤出机从进料到挤出出料各温区的温度设置为：一区：225～245℃、二区至六区：250～260℃、七至九区：220～240℃、模头：250～270℃，经挤出、造粒、干燥后即得复合PC材料。
各实施例、对比例所得复合PC材料性能的试验测试方法如下：
物理力学性能：拉伸性能测试参照GB/T1040.2-2006标准，拉伸速率为10mm/min；弯曲性能测试参照GB/T9341-2008标准，弯曲形变速率为2mm/min；缺口冲击性能测试参照GB/T 1043.1-2008标准；熔体流动速率参照GB/T3682-2000，测试条件选择300℃*1.2kg；阻燃垂直燃烧测试参照GB/T 2408-2008标准；透光率测试参照ASTM D1003标准，测试色板厚度2.5mm；磨砂效果测试：将制备的材料在注塑机上注塑(注塑温度：260℃、270℃、270℃、280℃)成2.5mm圆片，然后于对色灯箱中目测评价磨砂效果。
实施例1～6
实施例1～6的磨砂效果的透明阻燃PC材料的各原料组分添加量如表1所示，所得材料性能测试结果如表2所示。
表1
表2
从表1、2可以看出，本发明采用特殊包覆的无机二氧化硅微球，以及磺酸盐类无卤阻燃剂与聚甲基硅氧烷组成的阻燃复配体系，实现了PC材料的透明薄壁阻燃，同时该材料还可直接注塑产生磨砂效果，无需前期对注塑模具进行磨砂处理。
比较实施例1、2可知，随着二氧化硅磨砂粉的添加量增加，注塑的磨砂效果明显增强。比较实施例2、5、6可知，随着二氧化硅磨砂粉粒径的增大，其磨砂效果更加显著，且磨砂粗糙度也随着增大。
对比例1～4
对比例1～4的目的在于研究不同分子量的PC树脂以及磺酸盐类无卤阻燃剂与聚甲基硅氧烷的复配协效作用对于聚碳酸酯组合物的阻燃和透明性能影响。对比例1～4中各原料组分添加量如表3所示，其中PC树脂1201-22为低分子量PC，重均分子量为2.8万，在300℃、1.2Kg条件下的熔体流动速率为22g/10min，所得材料性能测试结果如表4所示。
表3
表4
通过比较实施例3以及对比例1的结果可以看出，相比于高分子量的PC树脂，选用低分子量的PC1201-22树脂基体后，虽然材料的注塑流动性能提升，但材料的缺口冲击性能出现下降，同时薄壁1.6mm垂直燃烧V-2级，材料出现滴落问题，说明低分子量的PC由于熔体强度差等原因在燃烧时会软化进而出现燃烧滴落现象。
对比实施例3与对比例2、4中的数据可以发现，聚甲基苯基硅氧烷与磺酸盐类无卤阻燃剂对于PC材料的阻燃性能具有协效作用，特别是在薄壁阻燃1.6mm时可改善滴落性能，与各自单一组分添加相比显著提高阻燃性能。对比例3提升聚甲基苯基硅氧烷的量，材料的冲击性能得到一定程度的增强，增加的雾度同时也能够一定程度增强材料的磨砂效果，但材料的透光率会发生下降，可见聚甲基苯基硅氧烷虽然有利于PC树脂的缺口冲击、阻燃性能和磨砂效果，但过多的添加量会导致PC的透明度下降，因此，需要综合各方面性能合理控制聚甲基苯基硅氧烷的添加量。
对比例5～7
对比例5～7的目的在于研究不同粒径和未疏水包覆的二氧化硅对于材料的磨砂效果和力学性能影响。对比例5～7中各原料组分添加量如表5所示，其中SiO2-φ5代表直径为5μm的二氧化硅微球，SiO2-φ80代表直径为80μm的二氧化硅微球，*SiO2-φ50代表未用硬脂酸表面处理的二氧化硅微球，所得材料性能测试结果如表6所示。
表5
表6
通过比较实施例2、5以及对比例5、6的结果可以看出，当无机二氧化硅微球的粒径过小时，即使增大添加量也难产生较好的磨砂效果；而对比例6采用大粒径的微球，其磨砂效果虽然比较显著，但材料的透光性受到一定的影响。因此，本发明透明阻燃PC材料需要同时控制无机二氧化硅微球的粒径和添加量，仅单一调控粒径或添加量无法实现本发明所要达到的技术效果。对比例7采用未用硬脂酸进行疏水处理的二氧化硅微球，其材料的熔体流动速率相比实施例5出现了较大的提升，且阻燃性能也发生了下降，这是因为未疏水处理的二氧化硅微球吸水较大，在高温挤出加工过程中，过多的水分会促使磺酸盐类无卤阻燃剂加速PC材料发生断链降解，进而表现冲击和阻燃性能都变差。
可见，本发明的改性PC材料具有高阻燃、透明特性，同时注塑成灯具等制件后，能够直接产生磨砂效果，无需对注塑模具进行磨砂处理，且相比采用磨砂处理的模具制备的磨砂效果更均匀，大大节约了相关生产繁琐流程和生产成本，非常适合用于制备LED灯具外壳如灯管、灯罩等应用。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
