一種阻燃劑、使用該阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料及製備方法
2023-10-08 05:29:49 1
一種阻燃劑、使用該阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料及製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種阻燃劑，以下重量份數的組分組成：聚磷酸銨4～16份、季戊四醇4～16份、三聚氰胺4～16份、氫氧化鋁4～10份、碳納米管0.1份；同時還公開了使用該阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料及其製備方法。本發明的阻燃劑在超高分子量聚乙烯阻燃複合材料中呈網絡狀非均勻分布，添加量小，在保證複合材料具有良好的力學性能的同時，具有良好的阻燃性能。本發明的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，採用模壓法製備阻燃型超高分子量聚乙烯複合材料，所得超高分子量聚乙烯阻燃複合材料同時具有較好的力學性能和阻燃性能，工藝簡單，操作方便，適合大規模工業化生產。
【專利說明】一種阻燃劑、使用該阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於阻燃複合材料【技術領域】，具體涉及一種阻燃劑，同時還涉及使用該阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料及其製備方法。
【背景技術】
[0002]超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是分子量100萬以上、具有優異綜合性能的熱塑性工程塑料。該材料具有極高的耐磨損性、耐衝擊性，極低的磨擦因數和自潤滑性能。這些優異性能使它在某些方面大大超過了目前所有工程塑料和一些金屬材料，日益受到人們的重視，在造紙、食品飲料、礦山開採、交通運輸、陶瓷、機械、紡織、水利、電力等領域和巖土工程施工申都有廣泛的應用前景，在歐美等發達國家和地區己經在上述領域普遍推廣使用。2001年中國科技部將超高分子量聚乙烯管材列為當前優先發展的高科技產業重點領域項目。
[0003]UHMWPE氧指數僅有17%左右，屬易燃材料，高溫受熱降解成低分子量物質，極易傳播火焰，引發火災，使其在許多領域的應用受到限制。UHMWPE常用的阻燃體系有含齒阻燃體系、無機阻燃體系、氮系阻燃體系、膨脹型阻燃體系。其中，含滷阻燃劑阻燃機理是終止自由基鏈反應，捕獲傳遞燃燒鏈式反應的活性自由基；但滷素阻燃劑在燃燒時生成大量的煙和有毒、具有腐蝕性的氣體，可導致電路系統開關和其他金屬物件的腐蝕，對人體呼吸道和其他器官造成嚴重傷害。無機阻燃劑阻燃機理是吸收熱分解產生的熱量，降低體系溫度；氫氧化鋁、氫氧化鎂及硼酸類是典型代表；缺點是當添加量少時，阻燃效果不大明顯，往往達不到阻燃要求，而用量多了則會使材料機械性能下降，有時還會給加工操作帶來巨大困難；而且單用效果很差，只有當與含滷類阻燃劑並用，才能發揮協同阻燃效果。氮系阻燃劑阻燃機理是稀釋可燃性物質的濃度和氧氣濃度，使之降到著火極限以下，起到氣相阻燃效果，但單獨使用效果較差。膨脹阻燃劑阻燃機理是促進聚合物成碳，減少可燃性氣體的生成，在材料表面形成一層膨鬆、吸孔的均質碳層，起到隔熱、隔氧、抑煙、防止熔滴的作用，達到阻燃的目的；但通常情況下，膨脹阻燃劑的的填充量很大，對複合材料的力學性能、加工性能有較大的負面影響，這也導致此類阻燃劑的應用受到限制。
[0004]由於UHMWPE熔融狀態的粘度高達108Pa*s，流動性極差，其熔體指數幾乎為零，很難用一般的聚合物成型加工方法進行加工。模壓法是UHMWPE最常用的加工方法，模壓法製備UHMWPE製品時，由於加工過程中混合效果差，且UHMWPE粘度極高，阻燃劑只能分布於UHMWPE粉末間隙，導致阻燃劑在UHMWPE中呈不均勻分布，一方面會使得原本適用於聚烯烴類聚合物的阻燃體系在UHMWPE中阻燃效果變差，另一方面，阻燃劑會抑制UHMWPE粉末加工過程中的融合，導致其力學性能顯著下降。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種阻燃劑，在保證聚乙烯複合材料的力學性能的同時，提高其阻燃性能。
[0006]本發明的第二個目的是提供一種使用上述阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料。
[0007]本發明的第二個目的是提供一種超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法。
[0008]為了實現以上目的，本發明所採用的技術方案是:一種阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨4~16份、季戊四醇4~16份、三聚氰胺4~16份、氫氧化鋁4~10份、碳納米管0.1份。
[0009]一種使用上述阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉60~80份、聚磷酸銨4~16份、季戊四醇4~16份、三聚氰胺4~16份、氫氧化鋁4~10份、碳納米管0.1份。
[0010]一種上述的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，包括下列步驟:
[0011]I)取聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、氫氧化鋁、超高分子量聚乙烯粉、碳納米管混合併攪拌，得混合物料；
[0012]2)將步驟I)所得混合物料放入平板硫化機的模具中，3~50MPa條件下加壓2~3min排出混合物料中的氣體後，在180~210°C、3~50MPa條件下保壓15min ；
[0013]3)將模具停止加熱，保持5~50MPa壓力冷卻至室溫，脫模，即得。
[0014]步驟I)中所述攪拌的轉速為9000rpm,攪拌時間為3min。
[0015]本發明的阻燃劑，選用聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺與氫氧化鋁進行復配作為膨脹型阻燃主體，以碳納米管為協效阻燃劑，添加到超高分子量聚乙烯粉中，膨脹阻燃劑在超高分子量聚乙烯粉間隙呈現局部富集，`形成有效的阻燃屏蔽層，使其阻燃效率高於阻燃劑呈均勻部分時的阻燃效率，故可在較低的阻燃劑用量下達到良好的阻燃效果；同時，碳納米管分布於超高分子量聚乙烯粉間隙形成連續的導熱網絡，利用碳納米管的導熱特性將材料內部的熱量導出釋放，並促進膨脹阻燃劑成炭，從而提高複合材料的耐燃性，提高其阻燃效率。本發明的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，阻燃劑的添加量小，對其力學性能影響極小；同時，分布在超高分子量聚乙烯粉中的碳納米管可增強複合材料的力學性能，從而在保證複合材料具有良好的力學性能的同時，具有良好的阻燃性能。
[0016]本發明的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，採用模壓法製備阻燃型超高分子量聚乙烯複合材料，在高溫下模壓成型，利用超高分子量聚乙烯熔融狀態下高粘度的特點，使阻燃劑在複合材料中呈網絡狀非均勻分布，從而使複合材料同時具有較好的力學性能和阻燃性能；工藝簡單，操作方便，適合大規模工業化生產。
【具體實施方式】
[0017]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0018]實施例1
[0019]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨4份、季戊四醇4份、三聚氰胺4份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。
[0020]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉80份、聚磷酸銨4份、季戊四醇4份、三聚氰胺4份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。[0021]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，包括下列步驟:
[0022]I)取聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、氫氧化鋁、超高分子量聚乙烯粉、碳納米管，放入高速攪拌機，混合併攪拌，攪拌的轉速為9000rpm,攪拌時間為3min,得混合物料；
[0023]2)將步驟I)所得混合物料平鋪至平板模具中，覆蓋聚酯膜，將模具合攏，放至高壓平板硫化機中，50MPa條件下加壓2min排出模具及混合物料中的氣體；排氣結束後，啟動平板硫化機，在185°C、15MPa條件下保壓15min ；
[0024]3)將模具停止加熱，保持15MPa壓力冷卻至室溫，脫模，即得。
[0025]實施例2
[0026]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨7.5份、季戊四醇7.5份、三聚氰胺7.5份、氫氧化鋁7.5份、碳納米管0.1份。
[0027]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉70份、聚磷酸銨7.5份、季戊四醇7.5份、三聚氰胺7.5份、氫氧化鋁7.5份、碳納米管0.1份。
[0028]本實 施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，包括下列步驟:
[0029]I)取聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、氫氧化鋁、超高分子量聚乙烯粉、碳納米管，放入高速攪拌機，混合併攪拌，攪拌的轉速為9000rpm,攪拌時間為3min,得混合物料；
[0030]2)將步驟I)所得混合物料平鋪至平板模具中，覆蓋聚酯膜，將模具合攏，放至平板高壓硫化機中，3MPa條件下加壓3min排出模具及混合物料中的氣體；排氣結束後，啟動平板硫化機，在180°C、50MPa條件下保壓15min ；
[0031]3)將模具停止加熱，保持50MPa壓力冷卻至室溫，脫模，即得。
[0032]實施例3
[0033]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨10份、季戊四醇10份、三聚氰胺10份、氫氧化鋁10份、碳納米管0.1份。
[0034]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉60份、聚磷酸銨10份、季戊四醇10份、三聚氰胺10份、氫氧化鋁10份、碳納米管0.1份。
[0035]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，包括下列步驟:
[0036]I)取聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、氫氧化鋁、超高分子量聚乙烯粉、碳納米管，放入高速攪拌機，混合併攪拌，攪拌的轉速為9000rpm,攪拌時間為3min,得混合物料；
[0037]2)將步驟I)所得混合物料平鋪至平板模具中，覆蓋聚酯膜，將模具合攏，放至平板高壓硫化機中，25MPa條件下加壓2.5min排出模具及混合物料中的氣體；排氣結束後，啟動平板硫化機，在200°C、25MPa條件下保壓15min ；
[0038]3)將模具停止加熱，保持25MPa壓力冷卻至室溫，脫模，即得。
[0039]實施例4
[0040]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨4份、季戊四醇8份、三聚氰胺4份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。
[0041]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉80份、聚磷酸銨4份、季戊四醇8份、三聚氰胺4份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。[0042]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0043]實施例5
[0044]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨6份、季戊四醇12份、三聚氰胺6份、氫氧化鋁6份、碳納米管0.1份。
[0045]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉70份、聚磷酸銨6份、季戊四醇12份、三聚氰胺6份、氫氧化鋁6份、碳納米管0.1份。
[0046]本實施例 的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0047]實施例6
[0048]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨8份、季戊四醇16份、三聚氰胺8份、氫氧化鋁8份、碳納米管0.1份。
[0049]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉60份、聚磷酸銨8份、季戊四醇16份、三聚氰胺8份、氫氧化鋁8份、碳納米管0.1份。
[0050]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0051]實施例7
[0052]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨4份、季戊四醇4份、三聚氰胺8份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。
[0053]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉80份、聚磷酸銨4份、季戊四醇4份、三聚氰胺8份、氫氧化鋁4份、碳納米管0.1份。
[0054]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0055]實施例8
[0056]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨6份、季戊四醇6份、三聚氰胺12份、氫氧化鋁6份、碳納米管0.1份。
[0057]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉70份、聚磷酸銨6份、季戊四醇6份、三聚氰胺12份、氫氧化鋁6份、碳納米管0.1份。
[0058]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0059]實施例9
[0060]本實施例的阻燃劑，由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨8份、季戊四醇8份、三聚氰胺16份、氫氧化鋁8份、碳納米管0.1份。
[0061]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉60份、聚磷酸銨8份、季戊四醇8份、三聚氰胺16份、氫氧化鋁8份、碳納米管0.1份。
[0062]本實施例的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法同實施例1。
[0063]實驗例
[0064]將實施例1~9所得超高分子量聚乙烯阻燃複合材料進行檢測，結果如表1所示。
[0065]其中，對比例I為未添加阻燃劑的超高分子量聚乙烯。[0066]對比例2、3、4的複合材料的組分及含量分別同實施例4、5、6，其製備方法為:按比例稱取各組分，放入高速攪拌機，攪拌混合；2)將混合均勻的物料於185°C條件下，在開煉機中混煉15min，促使阻燃劑在超高分子量聚乙烯中達到均勻分散；將混煉後的物料加入模具中，在高壓平板硫化機中，加壓2~3min，排出物料中的氣體後，在185°C、15MPa的壓力下壓制一段時間；停止加熱，保持壓力冷卻至室溫，即得。
[0067]表1實施例1~9所得超高分子量聚乙烯阻燃複合材料檢測結果
[0068]
【權利要求】
1.一種阻燃劑，其特徵在於:由以下重量份數的組分組成:聚磷酸銨4~16份、季戊四醇4~16份、三聚氰胺4~16份、氫氧化鋁4~10份、碳納米管0.1份。
2.一種使用如權利要求1所述的阻燃劑的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料，其特徵在於:由以下重量份數的組分組成:超高分子量聚乙烯粉60~80份、聚磷酸銨4~16份、季戊四醇4~16份、三聚氰胺4~16份、氫氧化鋁4~10份、碳納米管0.1份。
3.—種如權利要求2所述的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，其特徵在於:包括下列步驟: 1)取聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、氫氧化鋁、超高分子量聚乙烯粉、碳納米管混合併攪拌，得混合物料； 2)將步驟I)所得混合物料放入平板硫化機的模具中，3~50MPa條件下加壓2~3min排出混合物料中的氣體後，在180~210°C、3~50MPa條件下保壓15min ； 3)將模具停止加熱，保持5~50MPa壓力冷卻至室溫，脫模，即得。
4.根據權利要求3所述的超高分子量聚乙烯阻燃複合材料的製備方法，其特徵在於:步驟I)中所述攪拌的轉速為9000rpm`，攪拌時間為3min。
【文檔編號】C08L23/06GK103694498SQ201310435124
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】黃新輝, 陸昶, 胡小寧, 李瑞廣, 楚展奇, 曹青青, 王睿, 楊典, 陳國偉, 喬冉冉, 李文超 申請人:河南科技大學