一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料及其制備方法，所述阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法將白色粉末的膨脹型阻燃劑與顆粒狀的聚對苯二甲酸丁二醇酯按照不同的質(zhì)量比通過物理共混的方法混合均勻；用雙螺桿擠出機(jī)和切粒機(jī)，制出不同膨脹型阻燃劑含量的大小均勻的聚對苯二甲酸丁二醇酯/膨脹型阻燃劑顆粒；然后通過平板硫化機(jī)平板硫化，得到不同濃度的阻燃劑板材，疊加板材，平板硫化得到阻燃劑濃度梯度分布高分子材料。本發(fā)明通過調(diào)控膨脹型阻燃劑在高分子材料中的分布，來實(shí)現(xiàn)IFR在高分子材料中的濃度梯度分布，直接有效地減少了阻燃劑添加，提高了阻燃高分子材料的力學(xué)性能，減少工業(yè)生產(chǎn)阻燃高分子材料的生產(chǎn)成本。
【專利說明】
一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于高分子材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材 料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分子材料具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好、電絕緣性能好、耐老化性能好等優(yōu)點(diǎn)， 很大程度上代替了金屬材料的使用，廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、機(jī)械設(shè)備、建筑等行業(yè)，但 由于其阻燃性能差，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的威脅，從而限制了其發(fā)展。因此，提高高 分子材料的阻燃性能是十分必要的。從阻燃劑的種類來看，主要分為含鹵與無鹵阻燃劑兩 類。因含鹵阻燃劑添加少量就能達(dá)到極好的阻燃效果。因此，通常采用在高分子材料中填充 含鹵阻燃劑，來提升高分子材料的阻燃性能。含鹵阻燃劑主要代表是含溴阻燃劑，如四氯苯 醌，六溴苯，六溴二苯醚等等，雖然有較好的阻燃性能，但鹵素元素在生物圈中不斷循環(huán)，給 生態(tài)環(huán)境和人的身體健康造成了極大的危害，除此之外，"電子電器設(shè)備中使用某些有害成 分的指令(R〇HS)"和"廢棄電子設(shè)備指令(WEEE)"也限制了部分含鹵阻燃劑的使用。因此，現(xiàn) 在通常用的是無鹵阻燃劑，比如無機(jī)填料Mg(0H) 2,有機(jī)填料磷系、含磷氮協(xié)同膨脹型阻燃 劑等等。無鹵阻燃劑主要代表是膨脹型阻燃劑（IFR)。其阻燃機(jī)理是:在熱分解過程中，IFR 中的酸源，碳源及氣源相互協(xié)同作用，形成致密的炭化層，阻礙可燃物與氧氣接觸和限制燃 燒空間，阻止高分子材料燃燒，從而提升高分子材料的阻燃性能。IFR的價(jià)格較貴，并且添加 阻燃劑后，阻燃高分子材料力學(xué)性能降低，因此減少阻燃劑的使用并且提高阻燃高分子材 料的力學(xué)性能成為當(dāng)今研究阻燃劑的熱點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)有阻燃高分子材料的阻燃劑含量較高，力學(xué)性能較差，工業(yè)生產(chǎn)阻燃高分子材 料的生產(chǎn)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料及其制備方法，旨 在解決現(xiàn)有阻燃高分子材料的阻燃劑含量較高，力學(xué)性能較差，工業(yè)生產(chǎn)阻燃高分子材料 的生產(chǎn)成本較高的問題。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，所述 阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法分別將白色粉末的膨脹型阻燃劑與顆粒狀 的聚對苯二甲酸丁二醇酯放在烘箱里干燥，按照質(zhì)量比把PBT與IFR通過物理共混的方法混 合均勻；用雙螺桿擠出機(jī)和切粒機(jī)，制出不同膨脹型阻燃劑含量的大小均勻的聚對苯二甲 酸丁二醇酯/膨脹型阻燃劑顆粒;然后通過平板硫化機(jī)平板硫化，得到不同濃度的阻燃劑板 材;疊加板材，平板硫化得到阻燃劑濃度梯度分布高分子材料。先將膨脹型阻燃劑與聚對苯 二甲酸丁二醇酯分別在烘箱中干燥 3個小時(shí)，按照質(zhì)量比膨脹型阻燃劑0%~40%，聚對苯 二甲酸丁二醇酯1〇〇 %~60 %;膨脹型阻燃劑和聚對苯二甲酸丁二醇酯的質(zhì)量比和為 100%〇
[0006]進(jìn)一步，所述雙螺桿擠出機(jī)的溫度為150-245Γ。
[0007]進(jìn)一步，所述烘箱中干燥3個小時(shí)。
[0008] 進(jìn)一步，所述通過平板硫化機(jī)平板硫化，按照層厚比分層，將每層疊加平板硫化； 在每次平板硫化的過程中，保溫時(shí)間為10_20min，排氣次數(shù)3-5次，保壓時(shí)間為2-4min，溫度 設(shè)定為245°C，壓力設(shè)定為lOMpa。
[0009] 進(jìn)一步，按原料重量份數(shù)聚對苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纖維5份 至10份、成核劑〇. 2份至0.3份、礦物填料20份至25份、增韌劑6份至8份。
[0010] 進(jìn)一步，加入玻璃纖維、成核劑、礦物填料和增韌劑的方法包括：
[0011] 第一步，將所需量的成核劑加入水中配成質(zhì)量百分比濃度為1%至5%的成核劑溶 液；
[0012] 第二步，把所需量的玻璃纖維放入成核劑溶液中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為6h，浸泡后 將浸泡液和玻璃纖維放置在溫度為80 °C下蒸發(fā)、干燥至玻璃纖維中的含水量低于0.01%， 得到成核劑包覆后的玻璃纖維；
[0013] 第三步，將所需量的聚對苯二甲酸丁二醇酯在溫度為150°C下干燥7h;
[0014] 第四步，將干燥后的聚對苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韌劑和礦物填料在高混 機(jī)中混合后加入雙螺桿擠出機(jī)中，聚對苯二甲酸丁二醇酯、增韌劑和礦物填料在雙螺桿擠 出機(jī)中恪融后在雙螺桿擠出機(jī)中加入成核劑包覆后的玻璃纖維，共混擠出，冷卻，切粒得到 玻璃纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸丁二醇酯的復(fù)合材料。
[0015] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備 方法制備的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料，所述阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料按 照質(zhì)量比包括:膨脹型阻燃劑0%~40%，聚對苯二甲酸丁二醇酯100%~60% ;膨脹型阻燃 劑和聚對苯二甲酸丁二醇酯的質(zhì)量比和為100%。
[0016] 本發(fā)明提供的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料及其制備方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 從經(jīng)濟(jì)方面來看，該技術(shù)方案能夠減少阻燃劑使用，從而減少生產(chǎn)成本:通過阻燃 劑濃度梯度分布的高分子材料的設(shè)計(jì)，在燃燒過程中，該濃度梯度分布的阻燃劑更易形成 致密的炭層，阻止聚合物進(jìn)一步燃燒，通過實(shí)驗(yàn)測試得出，阻燃劑濃度梯度分布的高分子材 料的總含量為20%，能夠達(dá)到均勻分布阻燃劑的總含量為26%的同等阻燃效果，另外，前者 的力學(xué)性能也比后者更好;本發(fā)明通過調(diào)控IFR在高分子材料中的分布，來實(shí)現(xiàn)IFR在高分 子材料中的濃度梯度分布，直接有效地減少了阻燃劑添加，提高了阻燃高分子材料的力學(xué) 性能，減少工業(yè)生產(chǎn)阻燃高分子材料的生產(chǎn)成本。
[0018] 從加工工藝上來看，容易操作，加工簡單。
[0019] 從環(huán)境保護(hù)方面來看，該技術(shù)方案使用的是無鹵膨脹型阻燃劑，對環(huán)境危害更小。
[0020] 與均勻分布相比，該濃度梯度分布的阻燃劑更易形成致密的炭層，阻止聚合物進(jìn) 一步燃燒，通過實(shí)驗(yàn)測試得出，阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的總含量為20 %，能夠達(dá) 到均勻分布阻燃劑的總含量為26%的同等阻燃效果;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:與均勻分布比較，阻燃 劑濃度梯度分布的拉伸強(qiáng)度從37.4MPa上升到了 40.6MPa;實(shí)驗(yàn)極限氧指數(shù)數(shù)據(jù)顯示：與均 勻分布比較，阻燃劑濃度梯度分布的極限氧指數(shù)從23.1上升到24.1;實(shí)驗(yàn)垂直燃燒顯示:與 NR(即沒有等級）的均勻分布比較，阻燃劑濃度梯度分布可以達(dá)到阻燃等級V-0級。
[0021] 本發(fā)明的層數(shù)可以任意控制，可以在最優(yōu)層數(shù)得到最佳阻燃和力學(xué)性能;每層厚 度可隨意控制，并且可以在某層加大阻燃劑的用量，提高阻燃性;且對整個體系的阻燃劑用 量沒有提高，甚至降低;可得到生產(chǎn)降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
[0022] 從阻燃材料的相關(guān)性能方面來看，與膨脹型阻燃劑均勻分布的阻燃材料相比，膨 脹型阻燃劑濃度梯度分布的阻燃高分子材料的阻燃性能和力學(xué)性能明顯提高。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法流程 圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中：1、第一阻燃層;2、第二阻燃層;3、第三阻燃層。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明 進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[0028] 本發(fā)明實(shí)施例的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料按照質(zhì)量比包括:膨脹型阻燃 劑0%~40%，聚對苯二甲酸丁二醇酯60%~100% ;膨脹型阻燃劑和聚對苯二甲酸丁二醇 酯的質(zhì)量比和為1〇〇%。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法包括 以下步驟：
[0030] S101:PBT與IFR分別放在烘箱里干燥3個小時(shí)，IFR，PBT分別按照質(zhì)量比0%~ 40%，100%~60% 1BT和IFR的質(zhì)量比和為100% ;通過物理共混的方法混合均勻；
[0031 ] S102:用雙螺桿擠出機(jī)和切粒機(jī)，通過平板硫化機(jī)平板硫化，制出不同IFR含量的 大小均勻的TOT/IFR顆粒：PBT/IFR(0% )，PBT/IFR(5% )，PBT/IFR(10% )，roT/IFR(15% )， PBT/IFR(20% ) ,PBT/IFR(25% ) ,PBT/IFR(30% ) ,PBT/IFR(35% ) ,PBT/IFR(40% )；
[0032] 雙螺桿擠出機(jī)的溫度控制在150_245°C范圍內(nèi)。
[0033] 在烘箱中干燥3個小時(shí)，備用。
[0034] S103:通過平板硫化機(jī)平板硫化，制備層厚比為1: 2:1的試樣a，b，c，d，e試樣總的 厚度為4mm，總的IFR含量不變，為20 %。
[0035]如a試樣的制作流程為，a試樣是由3層組成，第一層是長寬高分別為150_X150_ X 1mm含40 % IFR的PBT/IFR高分子材料的板材，第二層是長寬高分別為150mm X 150mmX 2mm 含0%IFR的TOT/IFR高分子材料的板材，第三層長寬高分別為150mmX150mmXlmm含40% IFR的PBT/IFR高分子材料的板材，三層疊加平板硫化而成150mmX 150mmX 4mm的a試樣。在 每次平板硫化的過程中，保溫時(shí)間為10_20min，保壓時(shí)間為2-4min，溫度設(shè)定為245°C，壓力 設(shè)定為l〇Mpa。同理，b，c，d，e試樣的制作流程一樣。a試樣層與層之間的IFR含量差即為a試 樣的一個濃度梯度，為40 %。同理b，c，d，e試樣的濃度梯度分別為30 %，20 %，10 %，0 % (該 濃度梯度只是我們現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)時(shí)測試用的濃度梯度，可能還有更好的濃度梯度，使阻燃高分 子材料的阻燃性能更好）。
[0036] 進(jìn)一步，按原料重量份數(shù)聚對苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纖維5份 至10份、成核劑〇. 2份至0.3份、礦物填料20份至25份、增韌劑6份至8份。
[0037] 進(jìn)一步，加入玻璃纖維、成核劑、礦物填料和增韌劑的方法包括：
[0038] 第一步，將所需量的成核劑加入水中配成質(zhì)量百分比濃度為1%至5%的成核劑溶 液；
[0039] 第二步，把所需量的玻璃纖維放入成核劑溶液中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為6h，浸泡后 將浸泡液和玻璃纖維放置在溫度為80 °C下蒸發(fā)、干燥至玻璃纖維中的含水量低于0.01%， 得到成核劑包覆后的玻璃纖維；
[0040] 第三步，將所需量的聚對苯二甲酸丁二醇酯在溫度為150°c下干燥7h;
[0041] 第四步，將干燥后的聚對苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韌劑和礦物填料在高混 機(jī)中混合后加入雙螺桿擠出機(jī)中，聚對苯二甲酸丁二醇酯、增韌劑和礦物填料在雙螺桿擠 出機(jī)中恪融后在雙螺桿擠出機(jī)中加入成核劑包覆后的玻璃纖維，共混擠出，冷卻，切粒得到 玻璃纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸丁二醇酯的復(fù)合材料。
[0042] 下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。
[0043] 1、高分子材料試樣阻燃性能測試
[0044] 通過對試樣a，b，c，d，e做L0I測試，然后與共混的均勻共混的IFR含量為20 %的 PBT/IFR(20% )作對比，具體的L0I測試數(shù)據(jù)如表1。
[0045] 表1試樣的L0I數(shù)據(jù)
[0046]
[0047]如表1所示，隨著濃度梯度的減少，L0I的值先增加后減少，即阻燃性能先提升后降 低，說明我們通過這種濃度梯度設(shè)計(jì)能夠增加高分子材料的阻燃性能，比同等總含量的均 勻共混的阻燃性能更好，在生產(chǎn)中，能減少阻燃劑的填充，減少生產(chǎn)成本。
[0048] 2、極限氧指數(shù)(L0I)作為測量高分子材料的有效測試方法之一，L0I值越高，高分 子材料的阻燃性能越好。這實(shí)驗(yàn)中，采用的膨脹型阻燃劑（IFR)，膨脹型阻燃劑阻燃機(jī)理是 由酸源，碳源及氣源三源協(xié)同形成膨脹的碳層，碳層起到隔絕氧氣與可燃物的接觸和減少 燃燒空間的作用，當(dāng)膨脹型阻燃劑在高分子材料中添加到一定的量時(shí)，形成足夠的炭層使 含阻燃劑的聚合物達(dá)到阻燃效果的。
[0049] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表2,接下來將以其中一種高分子材料聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)來說 明。IFR在燃燒過程中，形成了致密炭層的外觀形貌，這炭層提升了高分子材料的阻燃性能。 為了更加充分的說明隨著IFR含量的增加對阻燃高分子材料的阻燃性能的提高，通過L0I測 試得到具體的L0I值，如表2，當(dāng)IFR含量為0 %，L0I值為21.5 % ;當(dāng)IFR含量為20 %，L0I值為 23 % ;當(dāng)IFR含量為40%時(shí)，L0I值增加到26.5 %?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著阻燃劑含量的增加，L0I值增 加，高分子材料阻燃性能越好。
[0050] 表2不同含量IFR的PBT/IFR高分子材料的極限氧指數(shù)結(jié)果
[0051]
[0052] 本發(fā)明阻燃劑濃度梯度分布概述，層數(shù)用的是3層(如圖2)，但第一阻燃層1，第二 阻燃層2,第三阻燃層3的厚度比分別是1:2:1，此結(jié)構(gòu)層數(shù)少，加工容易，當(dāng)濃度梯度為10% 時(shí)，阻燃性能比相同總阻燃劑含量的高分子材料要好很多，力學(xué)性能也有所提高。實(shí)際的厚 度分別為1111 111，2111111，1111111，每層阻燃層的阻燃劑含量大小為第一阻燃層1 =第二阻燃層3多第 二阻燃層2,兩邊層的阻燃劑含量要高于中間層(火源一般是從最外層開始燃燒，最外兩層 阻燃劑比中間層的阻燃劑含量高，有助于阻燃性能的提高），第一阻燃層1與第二阻燃層2 (或者阻燃劑3與阻燃劑2)中的阻燃劑含量差值即為阻燃劑含量梯度值，由此形成層狀阻燃 劑含量梯度分布。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，所述阻燃劑濃度 梯度分布的高分子材料的制備方法分別將白色粉末的膨脹型阻燃劑與顆粒狀的聚對苯二 甲酸丁二醇酯放在烘箱里干燥，然后按照不同的質(zhì)量比把PBT與IFR通過物理共混的方法混 合均勻；用雙螺桿擠出機(jī)和切粒機(jī)，制出不同膨脹型阻燃劑含量的大小均勻的聚對苯二甲 酸丁二醇酯/膨脹型阻燃劑顆粒;然后通過平板硫化機(jī)平板硫化，得到不同濃度的阻燃劑板 材，疊加平板硫化得到阻燃劑濃度梯度分布高分子材料；按照質(zhì)量比膨脹型阻燃劑〇 %~ 40%，聚對苯二甲酸丁二醇酯100%~60% ;膨脹型阻燃劑和聚對苯二甲酸丁二醇酯的質(zhì)量 比和為100%。2. 如權(quán)利要求1所述的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，所 述烘箱中干燥3個小時(shí)。3. 如權(quán)利要求1所述的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，所 述通過平板硫化機(jī)平板硫化，按照層厚比分層，將每層疊加平板硫化;在每次平板硫化的過 程中，保溫時(shí)間為10_20min，保壓時(shí)間為2-4min，溫度為245°C，壓力為lOMpa。4. 如權(quán)利要求3所述的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，通 過平板硫化機(jī)平板硫化，制出不同IFR含量的大小均勻的TOT/IFR顆粒:roT/IFR0%，PBT/ IFR5% ,PBT/IFR10% ,PBT/IFR15% ,PBT/IFR20% ,PBT/IFR25% ,PBT/IFR30% ,ΡΒΤ/ IFR35%，PBT/IFR40%。5. 如權(quán)利要求1所述的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，按 原料重量份數(shù)聚對苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纖維5份至10份、成核劑0.2份 至0.3份、礦物填料20份至25份、增韌劑6份至8份。6. 如權(quán)利要求5所述的阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法，其特征在于，加 入玻璃纖維、成核劑、礦物填料和增韌劑的方法包括： 第一步，將所需量的成核劑加入水中配成質(zhì)量百分比濃度為1%至5%的成核劑溶液； 第二步，把所需量的玻璃纖維放入成核劑溶液中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為6h，浸泡后將浸 泡液和玻璃纖維放置在溫度為80 °C下蒸發(fā)、干燥至玻璃纖維中的含水量低于0.01%，得到 成核劑包覆后的玻璃纖維； 第三步，將所需量的聚對苯二甲酸丁二醇酯在溫度為150 °C下干燥7h; 第四步，將干燥后的聚對苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韌劑和礦物填料在高混機(jī)中 混合后加入雙螺桿擠出機(jī)中，聚對苯二甲酸丁二醇酯、增韌劑和礦物填料在雙螺桿擠出機(jī) 中熔融后在雙螺桿擠出機(jī)中加入成核劑包覆后的玻璃纖維，共混擠出，冷卻，切粒得到玻璃 纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸丁二醇酯的復(fù)合材料。7. -種如權(quán)利要求1所述阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料的制備方法制備的阻燃劑 濃度梯度分布的高分子材料，其特征在于，所述阻燃劑濃度梯度分布的高分子材料按照質(zhì) 量比包括:膨脹型阻燃劑0%~40%，聚對苯二甲酸丁二醇酯100%~60%;膨脹型阻燃劑和 聚對苯二甲酸丁二醇酯的質(zhì)量比和為100%。
【文檔編號】C08K3/00GK106009539SQ201610458446
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】陳寶書, 趙天寶, 左龍, 陳冠宇
【申請人】西華大學(xué)