一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料及其制备方法，所述阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法将白色粉末的膨胀型阻燃剂与颗粒状的聚对苯二甲酸丁二醇酯按照不同的质量比通过物理共混的方法混合均匀；用双螺杆挤出机和切粒机，制出不同膨胀型阻燃剂含量的大小均匀的聚对苯二甲酸丁二醇酯/膨胀型阻燃剂颗粒；然后通过平板硫化机平板硫化，得到不同浓度的阻燃剂板材，叠加板材，平板硫化得到阻燃剂浓度梯度分布高分子材料。本发明通过调控膨胀型阻燃剂在高分子材料中的分布，来实现IFR在高分子材料中的浓度梯度分布，直接有效地减少了阻燃剂添加，提高了阻燃高分子材料的力学性能，减少工业生产阻燃高分子材料的生产成本。
【专利说明】
一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材 料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 高分子材料具有质量轻，强度高，稳定性好、电绝缘性能好、耐老化性能好等优点， 很大程度上代替了金属材料的使用，广泛应用于汽车、电子电器、机械设备、建筑等行业，但 由于其阻燃性能差，给人们的生命财产带来巨大的威胁，从而限制了其发展。因此，提高高 分子材料的阻燃性能是十分必要的。从阻燃剂的种类来看，主要分为含卤与无卤阻燃剂两 类。因含卤阻燃剂添加少量就能达到极好的阻燃效果。因此，通常采用在高分子材料中填充 含卤阻燃剂，来提升高分子材料的阻燃性能。含卤阻燃剂主要代表是含溴阻燃剂，如四氯苯 醌，六溴苯，六溴二苯醚等等，虽然有较好的阻燃性能，但卤素元素在生物圈中不断循环，给 生态环境和人的身体健康造成了极大的危害，除此之外，"电子电器设备中使用某些有害成 分的指令(R〇HS)"和"废弃电子设备指令(WEEE)"也限制了部分含卤阻燃剂的使用。因此，现 在通常用的是无卤阻燃剂，比如无机填料Mg(0H) 2,有机填料磷系、含磷氮协同膨胀型阻燃 剂等等。无卤阻燃剂主要代表是膨胀型阻燃剂（IFR)。其阻燃机理是:在热分解过程中，IFR 中的酸源，碳源及气源相互协同作用，形成致密的炭化层，阻碍可燃物与氧气接触和限制燃 烧空间，阻止高分子材料燃烧，从而提升高分子材料的阻燃性能。IFR的价格较贵，并且添加 阻燃剂后，阻燃高分子材料力学性能降低，因此减少阻燃剂的使用并且提高阻燃高分子材 料的力学性能成为当今研究阻燃剂的热点。
[0003] 现有阻燃高分子材料的阻燃剂含量较高，力学性能较差，工业生产阻燃高分子材 料的生产成本较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料及其制备方法，旨 在解决现有阻燃高分子材料的阻燃剂含量较高，力学性能较差，工业生产阻燃高分子材料 的生产成本较高的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，所述 阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法分别将白色粉末的膨胀型阻燃剂与颗粒状 的聚对苯二甲酸丁二醇酯放在烘箱里干燥，按照质量比把PBT与IFR通过物理共混的方法混 合均匀；用双螺杆挤出机和切粒机，制出不同膨胀型阻燃剂含量的大小均匀的聚对苯二甲 酸丁二醇酯/膨胀型阻燃剂颗粒;然后通过平板硫化机平板硫化，得到不同浓度的阻燃剂板 材;叠加板材，平板硫化得到阻燃剂浓度梯度分布高分子材料。先将膨胀型阻燃剂与聚对苯 二甲酸丁二醇酯分别在烘箱中干燥 3个小时，按照质量比膨胀型阻燃剂0%~40%，聚对苯 二甲酸丁二醇酯1〇〇 %~60 %;膨胀型阻燃剂和聚对苯二甲酸丁二醇酯的质量比和为 100%〇
[0006]进一步，所述双螺杆挤出机的温度为150-245Γ。
[0007]进一步，所述烘箱中干燥3个小时。
[0008] 进一步，所述通过平板硫化机平板硫化，按照层厚比分层，将每层叠加平板硫化； 在每次平板硫化的过程中，保温时间为10_20min，排气次数3-5次，保压时间为2-4min，温度 设定为245°C，压力设定为lOMpa。
[0009] 进一步，按原料重量份数聚对苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纤维5份 至10份、成核剂〇. 2份至0.3份、矿物填料20份至25份、增韧剂6份至8份。
[0010] 进一步，加入玻璃纤维、成核剂、矿物填料和增韧剂的方法包括：
[0011] 第一步，将所需量的成核剂加入水中配成质量百分比浓度为1%至5%的成核剂溶 液；
[0012] 第二步，把所需量的玻璃纤维放入成核剂溶液中进行浸泡，浸泡时间为6h，浸泡后 将浸泡液和玻璃纤维放置在温度为80 °C下蒸发、干燥至玻璃纤维中的含水量低于0.01%， 得到成核剂包覆后的玻璃纤维；
[0013] 第三步，将所需量的聚对苯二甲酸丁二醇酯在温度为150°C下干燥7h;
[0014] 第四步，将干燥后的聚对苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韧剂和矿物填料在高混 机中混合后加入双螺杆挤出机中，聚对苯二甲酸丁二醇酯、增韧剂和矿物填料在双螺杆挤 出机中恪融后在双螺杆挤出机中加入成核剂包覆后的玻璃纤维，共混挤出，冷却，切粒得到 玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二醇酯的复合材料。
[0015] 本发明的另一目的在于提供一种所述阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备 方法制备的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料，所述阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料按 照质量比包括:膨胀型阻燃剂0%~40%，聚对苯二甲酸丁二醇酯100%~60% ;膨胀型阻燃 剂和聚对苯二甲酸丁二醇酯的质量比和为100%。
[0016] 本发明提供的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料及其制备方法具备以下优点：
[0017] 从经济方面来看，该技术方案能够减少阻燃剂使用，从而减少生产成本:通过阻燃 剂浓度梯度分布的高分子材料的设计，在燃烧过程中，该浓度梯度分布的阻燃剂更易形成 致密的炭层，阻止聚合物进一步燃烧，通过实验测试得出，阻燃剂浓度梯度分布的高分子材 料的总含量为20%，能够达到均匀分布阻燃剂的总含量为26%的同等阻燃效果，另外，前者 的力学性能也比后者更好;本发明通过调控IFR在高分子材料中的分布，来实现IFR在高分 子材料中的浓度梯度分布，直接有效地减少了阻燃剂添加，提高了阻燃高分子材料的力学 性能，减少工业生产阻燃高分子材料的生产成本。
[0018] 从加工工艺上来看，容易操作，加工简单。
[0019] 从环境保护方面来看，该技术方案使用的是无卤膨胀型阻燃剂，对环境危害更小。
[0020] 与均匀分布相比，该浓度梯度分布的阻燃剂更易形成致密的炭层，阻止聚合物进 一步燃烧，通过实验测试得出，阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的总含量为20 %，能够达 到均匀分布阻燃剂的总含量为26%的同等阻燃效果;实验数据显示:与均匀分布比较，阻燃 剂浓度梯度分布的拉伸强度从37.4MPa上升到了 40.6MPa;实验极限氧指数数据显示：与均 匀分布比较，阻燃剂浓度梯度分布的极限氧指数从23.1上升到24.1;实验垂直燃烧显示:与 NR(即没有等级）的均匀分布比较，阻燃剂浓度梯度分布可以达到阻燃等级V-0级。
[0021] 本发明的层数可以任意控制，可以在最优层数得到最佳阻燃和力学性能;每层厚 度可随意控制，并且可以在某层加大阻燃剂的用量，提高阻燃性;且对整个体系的阻燃剂用 量没有提高，甚至降低;可得到生产降低成本，提高经济效益。
[0022] 从阻燃材料的相关性能方面来看，与膨胀型阻燃剂均匀分布的阻燃材料相比，膨 胀型阻燃剂浓度梯度分布的阻燃高分子材料的阻燃性能和力学性能明显提高。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例提供的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法流程 图。
[0024] 图2是本发明实施例提供的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料结构示意图；
[0025]图中：1、第一阻燃层;2、第二阻燃层;3、第三阻燃层。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0027] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0028] 本发明实施例的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料按照质量比包括:膨胀型阻燃 剂0%~40%，聚对苯二甲酸丁二醇酯60%~100% ;膨胀型阻燃剂和聚对苯二甲酸丁二醇 酯的质量比和为1〇〇%。
[0029] 如图1所示，本发明实施例的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法包括 以下步骤：
[0030] S101:PBT与IFR分别放在烘箱里干燥3个小时，IFR，PBT分别按照质量比0%~ 40%，100%~60% 1BT和IFR的质量比和为100% ;通过物理共混的方法混合均匀；
[0031 ] S102:用双螺杆挤出机和切粒机，通过平板硫化机平板硫化，制出不同IFR含量的 大小均匀的TOT/IFR颗粒：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] 双螺杆挤出机的温度控制在150_245°C范围内。
[0033] 在烘箱中干燥3个小时，备用。
[0034] S103:通过平板硫化机平板硫化，制备层厚比为1: 2:1的试样a，b，c，d，e试样总的 厚度为4mm，总的IFR含量不变，为20 %。
[0035]如a试样的制作流程为，a试样是由3层组成，第一层是长宽高分别为150_X150_ X 1mm含40 % IFR的PBT/IFR高分子材料的板材，第二层是长宽高分别为150mm X 150mmX 2mm 含0%IFR的TOT/IFR高分子材料的板材，第三层长宽高分别为150mmX150mmXlmm含40% IFR的PBT/IFR高分子材料的板材，三层叠加平板硫化而成150mmX 150mmX 4mm的a试样。在 每次平板硫化的过程中，保温时间为10_20min，保压时间为2-4min，温度设定为245°C，压力 设定为l〇Mpa。同理，b，c，d，e试样的制作流程一样。a试样层与层之间的IFR含量差即为a试 样的一个浓度梯度，为40 %。同理b，c，d，e试样的浓度梯度分别为30 %，20 %，10 %，0 % (该 浓度梯度只是我们现在实验时测试用的浓度梯度，可能还有更好的浓度梯度，使阻燃高分 子材料的阻燃性能更好）。
[0036] 进一步，按原料重量份数聚对苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纤维5份 至10份、成核剂〇. 2份至0.3份、矿物填料20份至25份、增韧剂6份至8份。
[0037] 进一步，加入玻璃纤维、成核剂、矿物填料和增韧剂的方法包括：
[0038] 第一步，将所需量的成核剂加入水中配成质量百分比浓度为1%至5%的成核剂溶 液；
[0039] 第二步，把所需量的玻璃纤维放入成核剂溶液中进行浸泡，浸泡时间为6h，浸泡后 将浸泡液和玻璃纤维放置在温度为80 °C下蒸发、干燥至玻璃纤维中的含水量低于0.01%， 得到成核剂包覆后的玻璃纤维；
[0040] 第三步，将所需量的聚对苯二甲酸丁二醇酯在温度为150°c下干燥7h;
[0041] 第四步，将干燥后的聚对苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韧剂和矿物填料在高混 机中混合后加入双螺杆挤出机中，聚对苯二甲酸丁二醇酯、增韧剂和矿物填料在双螺杆挤 出机中恪融后在双螺杆挤出机中加入成核剂包覆后的玻璃纤维，共混挤出，冷却，切粒得到 玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二醇酯的复合材料。
[0042] 下面结合实验对本发明的应用效果作详细的描述。
[0043] 1、高分子材料试样阻燃性能测试
[0044] 通过对试样a，b，c，d，e做L0I测试，然后与共混的均匀共混的IFR含量为20 %的 PBT/IFR(20% )作对比，具体的L0I测试数据如表1。
[0045] 表1试样的L0I数据
[0046]
[0047]如表1所示，随着浓度梯度的减少，L0I的值先增加后减少，即阻燃性能先提升后降 低，说明我们通过这种浓度梯度设计能够增加高分子材料的阻燃性能，比同等总含量的均 匀共混的阻燃性能更好，在生产中，能减少阻燃剂的填充，减少生产成本。
[0048] 2、极限氧指数(L0I)作为测量高分子材料的有效测试方法之一，L0I值越高，高分 子材料的阻燃性能越好。这实验中，采用的膨胀型阻燃剂（IFR)，膨胀型阻燃剂阻燃机理是 由酸源，碳源及气源三源协同形成膨胀的碳层，碳层起到隔绝氧气与可燃物的接触和减少 燃烧空间的作用，当膨胀型阻燃剂在高分子材料中添加到一定的量时，形成足够的炭层使 含阻燃剂的聚合物达到阻燃效果的。
[0049] 实验结果表2,接下来将以其中一种高分子材料聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)来说 明。IFR在燃烧过程中，形成了致密炭层的外观形貌，这炭层提升了高分子材料的阻燃性能。 为了更加充分的说明随着IFR含量的增加对阻燃高分子材料的阻燃性能的提高，通过L0I测 试得到具体的L0I值，如表2，当IFR含量为0 %，L0I值为21.5 % ;当IFR含量为20 %，L0I值为 23 % ;当IFR含量为40%时，L0I值增加到26.5 %。可以发现随着阻燃剂含量的增加，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高分子材料的极限氧指数结果
[0051]
[0052] 本发明阻燃剂浓度梯度分布概述，层数用的是3层(如图2)，但第一阻燃层1，第二 阻燃层2,第三阻燃层3的厚度比分别是1:2:1，此结构层数少，加工容易，当浓度梯度为10% 时，阻燃性能比相同总阻燃剂含量的高分子材料要好很多，力学性能也有所提高。实际的厚 度分别为1111 111，2111111，1111111，每层阻燃层的阻燃剂含量大小为第一阻燃层1 =第二阻燃层3多第 二阻燃层2,两边层的阻燃剂含量要高于中间层(火源一般是从最外层开始燃烧，最外两层 阻燃剂比中间层的阻燃剂含量高，有助于阻燃性能的提高），第一阻燃层1与第二阻燃层2 (或者阻燃剂3与阻燃剂2)中的阻燃剂含量差值即为阻燃剂含量梯度值，由此形成层状阻燃 剂含量梯度分布。
[0053]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，所述阻燃剂浓度 梯度分布的高分子材料的制备方法分别将白色粉末的膨胀型阻燃剂与颗粒状的聚对苯二 甲酸丁二醇酯放在烘箱里干燥，然后按照不同的质量比把PBT与IFR通过物理共混的方法混 合均匀；用双螺杆挤出机和切粒机，制出不同膨胀型阻燃剂含量的大小均匀的聚对苯二甲 酸丁二醇酯/膨胀型阻燃剂颗粒;然后通过平板硫化机平板硫化，得到不同浓度的阻燃剂板 材，叠加平板硫化得到阻燃剂浓度梯度分布高分子材料；按照质量比膨胀型阻燃剂〇 %~ 40%，聚对苯二甲酸丁二醇酯100%~60% ;膨胀型阻燃剂和聚对苯二甲酸丁二醇酯的质量 比和为100%。2. 如权利要求1所述的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，所 述烘箱中干燥3个小时。3. 如权利要求1所述的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，所 述通过平板硫化机平板硫化，按照层厚比分层，将每层叠加平板硫化;在每次平板硫化的过 程中，保温时间为10_20min，保压时间为2-4min，温度为245°C，压力为lOMpa。4. 如权利要求3所述的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，通 过平板硫化机平板硫化，制出不同IFR含量的大小均匀的TOT/IFR颗粒:roT/IFR0%，PBT/ IFR5% ,PBT/IFR10% ,PBT/IFR15% ,PBT/IFR20% ,PBT/IFR25% ,PBT/IFR30% ,ΡΒΤ/ IFR35%，PBT/IFR40%。5. 如权利要求1所述的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，按 原料重量份数聚对苯二甲酸丁二醇酯60份至90份中加入玻璃纤维5份至10份、成核剂0.2份 至0.3份、矿物填料20份至25份、增韧剂6份至8份。6. 如权利要求5所述的阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法，其特征在于，加 入玻璃纤维、成核剂、矿物填料和增韧剂的方法包括： 第一步，将所需量的成核剂加入水中配成质量百分比浓度为1%至5%的成核剂溶液； 第二步，把所需量的玻璃纤维放入成核剂溶液中进行浸泡，浸泡时间为6h，浸泡后将浸 泡液和玻璃纤维放置在温度为80 °C下蒸发、干燥至玻璃纤维中的含水量低于0.01%，得到 成核剂包覆后的玻璃纤维； 第三步，将所需量的聚对苯二甲酸丁二醇酯在温度为150 °C下干燥7h; 第四步，将干燥后的聚对苯二甲酸丁二醇酯、所需量的增韧剂和矿物填料在高混机中 混合后加入双螺杆挤出机中，聚对苯二甲酸丁二醇酯、增韧剂和矿物填料在双螺杆挤出机 中熔融后在双螺杆挤出机中加入成核剂包覆后的玻璃纤维，共混挤出，冷却，切粒得到玻璃 纤维增强聚对苯二甲酸丁二醇酯的复合材料。7. -种如权利要求1所述阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料的制备方法制备的阻燃剂 浓度梯度分布的高分子材料，其特征在于，所述阻燃剂浓度梯度分布的高分子材料按照质 量比包括:膨胀型阻燃剂0%~40%，聚对苯二甲酸丁二醇酯100%~60%;膨胀型阻燃剂和 聚对苯二甲酸丁二醇酯的质量比和为100%。
【文档编号】C08K3/00GK106009539SQ201610458446
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】陈宝书, 赵天宝, 左龙, 陈冠宇
【申请人】西华大学