火焰阻擋層紙組合物的製作方法

2023-06-22 01:30:26

專利名稱：火焰阻擋層紙組合物的製作方法
背景技術：
發明領域。本發明涉及芳族聚醯胺和雲母的紙組合物，以及採用這種組合物作為火焰阻擋層的方法。
對相關技術的說明。1963年3月5日，對D.E.Jackson的申請頒發的美國專利3,080,272公開一種包括如間-芳族聚醯胺等類纖維，和如雲母等層狀材料的組合物，用作裝飾面板、電絕緣材料、或模製的型材。
1995年2月28日，對Shinoki等人的申請頒發的美國專利5,393,872公開了由間-芳族聚醯胺類纖維和雲母製造電絕緣片的製造方法。
發明簡述本發明涉及由間-芳族聚醯胺和雲母製造的火焰阻擋層紙組合物。這種組合物是根據其減慢火焰推進的能力定義的，即在溫度至少1150℃(2100°F)的飛機絕熱材料FAA燒穿實驗標準的條件下，其燒穿時間至少240秒，這裡還要說明這一點。
本發明還涉及一種減慢火焰推進的方法，其中包括將該組合物放置在火焰的路徑上，以及將其保留在該處以吸收和反射火焰熱量的一些步驟。
附圖簡述

圖1A和1B是進行上述燒穿實驗所用設備的示意圖。
圖1A繪出模擬飛機側壁結構中縱向加強肋設計的鋼架。圖1B繪出熱源、實驗面板、和進行實驗的熱量計的相對位置。
圖2是實驗結構的橫截面圖。
發明詳述火焰阻擋層組合物是重要的和非常需要的。為了居民和旅客的安全和舒適，建築和車輛的結構需要火焰阻擋層組合物。特別是飛機結構，需要大量重量輕，有撓性的火焰阻擋層組合物。本發明首次提供用作火焰阻擋層材料的這種組合物。
本發明的火焰阻擋層組合物，是將間-芳族聚醯胺類纖維、絮狀物質、和雲母的混合物製成撓性的、連續的、由一些均勻薄層組成的片材。間-芳族聚醯胺纖維是間-芳族聚醯胺材料的膜製品顆粒，具有較大的長度和寬度尺寸(一般為100-500μm)和極小的厚度尺寸(一般為0.1μm)。類纖維是將聚合物溶液加入強烈攪拌的液體中製成的，該液體與聚合物溶液的溶劑是可溶混的，而不是聚合物本身的溶劑。在美國專利2,999,788中，公開了類纖維和其製造方法。對本發明採用的類纖維的優選的間-芳族聚醯胺是聚(間-亞苯基間苯二醯胺)。
間-芳族聚醯胺絮狀物是從連續的長纖維切割的短纖維。絮狀物的直徑為10-15μm，長度為3-15mm。對於絮狀物，優選的間-芳族聚醯胺是聚(間-亞苯基間苯二醯胺)。
雲母是一種眾所周知的結晶的矽酸鹽礦物，呈各種單斜晶形，這些晶形易於分離成非常薄的片或板。雲母的實例是採用典型的化學通式K2Al4Al2Si6O22(OH)4和H2KAl3(SiO4)3表示的花崗巖型(Grannitic)鉀雲母。第二個實例是採用典型的理想通式K2Mg4Al2Si6O20(OH)4和H2KMg3Al(SiO4)3表示的輝石型(Pyroxenic)雲母(鎂雲母)。在本發明的實踐中所用雲母的平面粒度(flat particle size)為100-500μm，厚度為0.05-0.15μm。
目前對火焰阻擋層的要求是極其苛刻的，下面在「實驗方法」中將敘述這些要求；事實上，不管能否通過標準火焰阻擋層實驗，火焰阻擋層組合物都能得到順利的測量。
業已發現，本發明的火焰阻擋層組合物應具有25-60重量％，優選35-45重量％的間-芳族聚醯胺類纖維，0-20重量％，優選10-15重量％的間-芳族聚醯胺絮狀物，和40-70重量％，優選45-55重量％的雲母。間-芳族聚醯胺類纖維量＜25重量％的組合物，沒有所需的撓性和強度，而間-芳族聚醯胺類纖維量＞60重量％的組合物，在火焰中又太不結實而不能防止碎裂。具有一些間-芳族聚醯胺絮狀物的組合物能提高撓性和強度，但絮狀物量＞20重量％的組合物，降低了強度和組合物的粘結性。雲母量＜40重量％的組合物，沒有所需耐火焰穿透的耐熱性能。而雲母量＞75重量％的組合物太硬和太脆。
本發明的火焰阻擋層組合物，一般是採用造紙機器製成紙片狀，其基重一般為90-204g/m2，厚度為0.075-0.33mm。
雖然任何重量的組合物作為火焰阻擋層都有一些作用，但一般最常用作火焰阻擋層材料的組合物是採用高壓和/或高溫砑光壓實的紙作成，砑光使雲母的小片緊密地接觸在一起。在FAA火焰燒穿實驗中使用的本發明的火焰阻擋層組合物具有1-3層紙，其總基重為100-500g/m2，總厚度為0.10-1.00mm。
由於可使火焰阻擋層組合物位於或用在極端的環境中，業已發現，將封阻水分的材料層施加在阻擋層組合物的表面上是有利的。優選的封阻水分的材料是含氟的聚合物，例如E.I.du pont de Nemoursand Company以商品名Zonyl 7040銷售的產品。封阻水分的材料層可以是覆層的形式，以被覆蓋的組合物的總重量計，覆層的重量為0.5-1.0重量％。
如果需要另外保護，可將全部組合物放置在用聚合物保護膜製成的袋中。圖2示出本發明的組合物在FAA燒穿實驗標準的實驗火焰中的組件。將一些阻擋層組合物單元21放置在以支撐板11和縱向加強肋12為邊界的空腔中。阻擋層組合物21包括紙24和袋狀膜25。紙24可以不附著在袋狀膜25上，也可以粘在其上。將紙24粘在袋狀膜25上時能提高耐撕裂性能。袋狀膜25內的空間26一般可充滿隔音和絕熱的材料如玻璃毛、芳族聚醯胺棉胎等。袋狀膜25可由任一種制膜的聚合材料製成。聚酯、聚氟乙烯、和聚亞胺等是優選的。
採用本發明的火焰阻擋層組合物減慢火焰前沿推進的方法是將這種組合物直接放置在火焰的路徑上，使其保持在該處吸收和反射火焰的熱量，因而能防止燒穿到組合物反面的物體上。
實驗方法FAA燒穿實驗標準。採用這個實驗評價飛機絕熱組合物在爆露於高強度明火時的耐燒穿性。該實驗得出燒穿時間，該燒穿時間是燃燒器的火焰穿透試件所需的時間(秒)，或在試件反面距實驗架燃燒器側30cm(12英寸)處的熱通量達到8.6Kcal/m2s(2.0 BTU/ft2s)的時間。
就圖1A而言，實驗架10是由在底板13上的鋼支撐板11和鋼製縱向加強肋12構成的。實驗架10是模擬飛機的機身結構。支撐板11一般間隔20cm(8英寸)，縱向加強肋一般間隔50cm(20英寸)。
在圖1B中示出實驗燃燒器的結構。燃燒器14是噴槍式的，例如新澤西州大西洋城Park油燃燒器製造公司(Park』oil BurnerMfg.Co.)銷售的Park Model DPL 3400，它具有導管15和燃燒器圓錐16。燃燒器圓錐16具有一個橢圓形的開口，其高15.3±0.6cm(6±0.125英寸)，寬28±0.6cm(11±0.125英寸)，在0.71MPa(100lb/in2)的壓力下，給燃燒器加注以0.38l/min(6.0gal/h)的流量輸送的ASTM(美國材料試驗學會)K2或ASTM D2燃料。
燃燒器14的定位使燃燒器圓錐16的末端距實驗架10為10cm(4英寸)，直接瞄準支撐板11和縱向加強肋12的交叉處。調節燃燒器14的空氣流量，使實驗架10的熱通量為58Kcal/m2s(13.5Btu/ft2s)，機身的溫度為1150±56℃(2000±100°F)。
如上所述，燒穿定義為在試件反面距實驗架燃燒器一側30cm(12英寸)處，熱通量達到8.6Kcal/m2s(2.0Btu/ft2s)的時間。將量熱計放在所定義的適宜的位置上。
為了進行實驗，將試樣阻擋層組合物21，放置在實驗架10的支撐板11之間，由鋼夾18固定在位置上。
點燃燃燒器14，將其放在實驗位置上，測定試樣阻擋層組合物21暴露在燃燒器14火焰中的時間。實驗進行至少240秒，或進行到燒穿為止，或達到熱通量的極限，不管哪一項首先達到都行。
實施例實施例1。採用使用Meeker燃燒器的小型實驗，評估各種材料的耐燒穿性能。將具有13cm×13cm(5.25″×5.25″)開口的15cm×15cm×0.3cm(6″×6″×1/8″)的鋼架放置在環形的實驗臺上，在燃燒器上方2.5cm(1″)處具有2.5cm(1″)高的丙烷火焰，火焰溫度1150℃(2100°F)。將單獨的15cm×15cm×5cm(6″×6″×2″)的鋼盒，放在試驗架的頂上，鋼盒壁厚為0.3cm(1/8″)並頂部和底部敞開，鋼盒用以維持實驗材料。將固定在15cm×15cm×1.25cm(6″×6″×1/2″)陶瓷板上的熱電偶放置在鋼盒的頂上，測定通過實驗材料溫度的升高。一些初步實驗(表I)表明，在不到10秒內，所有被實驗的膜和所有被實驗的只含芳族聚醯胺的紙都裂開了，不能提供明顯的防火作用。由雲母和芳族聚醯胺纖維混合制的紙，無論高壓砑光和不砑光，在火焰中都不發生收縮，能防止火焰穿透。薄至0.075mm(3mil)的芳族聚醯胺/雲母紙，是有效的火焰阻擋層。典型的絕熱材料(玻璃纖維棉胎和芳族聚醯胺棉胎)，甚至當位於聚亞胺面膜後面時，對性能幾乎沒有影響，如表II所示，它們本身被迅速地燒穿。
表I小型部件燒穿實驗
1芳族聚醯胺紙，是一種由約55重量％的間-芳族聚醯胺類纖維和約45重量％的間-芳族聚醯胺絮狀物製成的材料，E.I.du pont de Nemoursand Company以商品名Nomex芳族聚醯胺紙銷售。這些芳族聚醯胺紙以未壓實或未砑光的形式和以壓實或砑光的形式銷售。2Spunlaced Kevlar芳族聚醯胺是一種由對-芳族聚醯胺常產纖維製成的材料，將這種常產纖維加氫纏結(hydroentangled)，製成片狀，E.I.du pont de Nemours and Company以商品名Style Z-11銷售。「Style Z-11」表示所有的對-芳族聚醯胺纖維產品。3Kapton商標的聚亞胺膜，E.I.du pont de Nemour s and Company銷售。4芳族聚醯胺雲母紙，是一種由約37重量％的間-芳族聚醯胺類纖維、約48重量％的雲母、和約15重量％的間-芳族聚醯胺絮狀物製成的材料，E.I.du pont de Nemours and Company以商品名NomexM芳族聚醯胺雲母紙銷售。這種芳族聚醯胺紙以未壓實或未砑光的形式和以壓實或砑光的形式銷售。
表II小型燒穿實驗的結果
1芳族聚醯胺棉胎是一種100％的間-芳族聚醯胺常產纖維。2玻璃纖維棉胎是一種由玻璃纖維與樹脂粘合劑組成的棉胎，JohnMansville公司銷售。
實施例2。就圖1和2而言，這二組絕熱覆層組件21，是採用0.012mm(0.5mil)聚酯膜袋25製造的，長122cm×寬45cm(長4′×寬20″)，側面薄片12.5cm(5″)，採用FAA燒穿實驗設備10進行實驗。油燃燒器14是在空氣速度945m3/min(3100fpm)，燃料供給流量18.9l/h(6gal/h)下操作的，溫度＞1094℃(2000°F)。組件的結構如表III所示。進行燒穿實驗，實驗結果證明，本發明的組合物對阻止火焰穿透是有效的。這些結果還證明，將芳族聚醯胺/雲母紙放置在火焰和絕熱材料之間，通過減慢玻璃絕熱材料的熔融，對降低熱穿透是非常有效的。
表III火焰阻擋層組合物的FAA燒穿實驗
1聚酯膜袋是由Mylar商標的聚酯膜製造的，E.I.du pont de Nemoursand Company銷售。
實施例3。與實施例2相同，覆層組件是採用表IV所示的材料製造的。採用與實施例2相同的方法進行實驗，這些實驗的結果證明，本發明的組合物對阻止火焰穿透是有效的，以及採用壓實的芳族聚醯胺/雲母紙對降低熱穿透和減慢玻璃絕熱材料的熔融也是有效的。
表IV火焰阻擋層組合物的FAA燒穿實驗
權利要求
1.一種火焰阻擋層紙組合物，其中包括25-60重量％芳族聚醯胺類纖維和40-70重量％雲母的均勻混合物，其總基重為100-500g/m2，在飛機絕熱FAA燒穿實驗標準的條件下，燒穿時間至少240秒，溫度至少1150℃。
2.權利要求1的組合物，其中還有0-20重量％的間-芳族聚醯胺絮狀物。
3.權利要求1或2的組合物，其中紙組合物具有由聚氟乙烯、聚亞胺、或聚酯膜形成的外部封阻水分材料層。
4.權利要求1或2的組合物，其中紙組合物包含在聚合膜袋中。
5.權利要求4的組合物，其中聚合膜袋選自聚酯、聚氟乙烯、和聚亞胺。
6.權利要求4的組合物，其中該袋還包含絕熱材料。
7.權利要求6的組合物，其中絕熱材料是玻璃毛或芳族聚醯胺棉胎。
8.一種減慢火焰推進的方法，其中包括下列步驟a)將火焰阻擋層紙組合物放置在火焰的路徑上，該組合物包含25-60重量％芳族聚醯胺類纖維和40-70重量％雲母的均勻混合物，其總基重為100-500g/m2，燒穿時間至少240秒，和b)將組合物保持在火焰的路徑上，以吸收和反射火焰的熱量。
全文摘要
一種片狀的組合物，其中包括一定比例的間－芳族聚醯胺和雲母，用作火焰阻擋層組合物。
文檔編號D21H17/67GK1425091SQ00818556
公開日2003年6月18日 申請日期2000年12月6日 優先權日2000年1月21日
發明者H·H·福爾斯泰恩, S·坎 申請人:納幕爾杜邦公司