专利名称：火焰阻挡层纸组合物的制作方法
背景技术：
发明领域。本发明涉及芳族聚酰胺和云母的纸组合物，以及采用这种组合物作为火焰阻挡层的方法。
对相关技术的说明。1963年3月5日，对D.E.Jackson的申请颁发的美国专利3,080,272公开一种包括如间-芳族聚酰胺等类纤维，和如云母等层状材料的组合物，用作装饰面板、电绝缘材料、或模制的型材。
1995年2月28日，对Shinoki等人的申请颁发的美国专利5,393,872公开了由间-芳族聚酰胺类纤维和云母制造电绝缘片的制造方法。
发明简述本发明涉及由间-芳族聚酰胺和云母制造的火焰阻挡层纸组合物。这种组合物是根据其减慢火焰推进的能力定义的，即在温度至少1150℃(2100°F)的飞机绝热材料FAA烧穿实验标准的条件下，其烧穿时间至少240秒，这里还要说明这一点。
本发明还涉及一种减慢火焰推进的方法，其中包括将该组合物放置在火焰的路径上，以及将其保留在该处以吸收和反射火焰热量的一些步骤。
附图简述
图1A和1B是进行上述烧穿实验所用设备的示意图。
图1A绘出模拟飞机侧壁结构中纵向加强肋设计的钢架。图1B绘出热源、实验面板、和进行实验的热量计的相对位置。
图2是实验结构的横截面图。
发明详述火焰阻挡层组合物是重要的和非常需要的。为了居民和旅客的安全和舒适，建筑和车辆的结构需要火焰阻挡层组合物。特别是飞机结构，需要大量重量轻，有挠性的火焰阻挡层组合物。本发明首次提供用作火焰阻挡层材料的这种组合物。
本发明的火焰阻挡层组合物，是将间-芳族聚酰胺类纤维、絮状物质、和云母的混合物制成挠性的、连续的、由一些均匀薄层组成的片材。间-芳族聚酰胺纤维是间-芳族聚酰胺材料的膜制品颗粒，具有较大的长度和宽度尺寸(一般为100-500μm)和极小的厚度尺寸(一般为0.1μm)。类纤维是将聚合物溶液加入强烈搅拌的液体中制成的，该液体与聚合物溶液的溶剂是可溶混的，而不是聚合物本身的溶剂。在美国专利2,999,788中，公开了类纤维和其制造方法。对本发明采用的类纤维的优选的间-芳族聚酰胺是聚(间-亚苯基间苯二酰胺)。
间-芳族聚酰胺絮状物是从连续的长纤维切割的短纤维。絮状物的直径为10-15μm，长度为3-15mm。对于絮状物，优选的间-芳族聚酰胺是聚(间-亚苯基间苯二酰胺)。
云母是一种众所周知的结晶的硅酸盐矿物，呈各种单斜晶形，这些晶形易于分离成非常薄的片或板。云母的实例是采用典型的化学通式K2Al4Al2Si6O22(OH)4和H2KAl3(SiO4)3表示的花岗岩型(Grannitic)钾云母。第二个实例是采用典型的理想通式K2Mg4Al2Si6O20(OH)4和H2KMg3Al(SiO4)3表示的辉石型(Pyroxenic)云母(镁云母)。在本发明的实践中所用云母的平面粒度(flat particle size)为100-500μm，厚度为0.05-0.15μm。
目前对火焰阻挡层的要求是极其苛刻的，下面在“实验方法”中将叙述这些要求；事实上，不管能否通过标准火焰阻挡层实验，火焰阻挡层组合物都能得到顺利的测量。
业已发现，本发明的火焰阻挡层组合物应具有25-60重量％，优选35-45重量％的间-芳族聚酰胺类纤维，0-20重量％，优选10-15重量％的间-芳族聚酰胺絮状物，和40-70重量％，优选45-55重量％的云母。间-芳族聚酰胺类纤维量＜25重量％的组合物，没有所需的挠性和强度，而间-芳族聚酰胺类纤维量＞60重量％的组合物，在火焰中又太不结实而不能防止碎裂。具有一些间-芳族聚酰胺絮状物的组合物能提高挠性和强度，但絮状物量＞20重量％的组合物，降低了强度和组合物的粘结性。云母量＜40重量％的组合物，没有所需耐火焰穿透的耐热性能。而云母量＞75重量％的组合物太硬和太脆。
本发明的火焰阻挡层组合物，一般是采用造纸机器制成纸片状，其基重一般为90-204g/m2，厚度为0.075-0.33mm。
虽然任何重量的组合物作为火焰阻挡层都有一些作用，但一般最常用作火焰阻挡层材料的组合物是采用高压和/或高温砑光压实的纸作成，砑光使云母的小片紧密地接触在一起。在FAA火焰烧穿实验中使用的本发明的火焰阻挡层组合物具有1-3层纸，其总基重为100-500g/m2，总厚度为0.10-1.00mm。
由于可使火焰阻挡层组合物位于或用在极端的环境中，业已发现，将封阻水分的材料层施加在阻挡层组合物的表面上是有利的。优选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销售的产品。封阻水分的材料层可以是覆层的形式，以被覆盖的组合物的总重量计，覆层的重量为0.5-1.0重量％。
如果需要另外保护，可将全部组合物放置在用聚合物保护膜制成的袋中。图2示出本发明的组合物在FAA烧穿实验标准的实验火焰中的组件。将一些阻挡层组合物单元21放置在以支撑板11和纵向加强肋12为边界的空腔中。阻挡层组合物21包括纸24和袋状膜25。纸24可以不附着在袋状膜25上，也可以粘在其上。将纸24粘在袋状膜25上时能提高耐撕裂性能。袋状膜25内的空间26一般可充满隔音和绝热的材料如玻璃毛、芳族聚酰胺棉胎等。袋状膜25可由任一种制膜的聚合材料制成。聚酯、聚氟乙烯、和聚亚胺等是优选的。
采用本发明的火焰阻挡层组合物减慢火焰前沿推进的方法是将这种组合物直接放置在火焰的路径上，使其保持在该处吸收和反射火焰的热量，因而能防止烧穿到组合物反面的物体上。
实验方法FAA烧穿实验标准。采用这个实验评价飞机绝热组合物在爆露于高强度明火时的耐烧穿性。该实验得出烧穿时间，该烧穿时间是燃烧器的火焰穿透试件所需的时间(秒)，或在试件反面距实验架燃烧器侧30cm(12英寸)处的热通量达到8.6Kcal/m2s(2.0 BTU/ft2s)的时间。
就图1A而言，实验架10是由在底板13上的钢支撑板11和钢制纵向加强肋12构成的。实验架10是模拟飞机的机身结构。支撑板11一般间隔20cm(8英寸)，纵向加强肋一般间隔50cm(20英寸)。
在图1B中示出实验燃烧器的结构。燃烧器14是喷枪式的，例如新泽西州大西洋城Park油燃烧器制造公司(Park’oil BurnerMfg.Co.)销售的Park Model DPL 3400，它具有导管15和燃烧器圆锥16。燃烧器圆锥16具有一个椭圆形的开口，其高15.3±0.6cm(6±0.125英寸)，宽28±0.6cm(11±0.125英寸)，在0.71MPa(100lb/in2)的压力下，给燃烧器加注以0.38l/min(6.0gal/h)的流量输送的ASTM(美国材料试验学会)K2或ASTM D2燃料。
燃烧器14的定位使燃烧器圆锥16的末端距实验架10为10cm(4英寸)，直接瞄准支撑板11和纵向加强肋12的交叉处。调节燃烧器14的空气流量，使实验架10的热通量为58Kcal/m2s(13.5Btu/ft2s)，机身的温度为1150±56℃(2000±100°F)。
如上所述，烧穿定义为在试件反面距实验架燃烧器一侧30cm(12英寸)处，热通量达到8.6Kcal/m2s(2.0Btu/ft2s)的时间。将量热计放在所定义的适宜的位置上。
为了进行实验，将试样阻挡层组合物21，放置在实验架10的支撑板11之间，由钢夹18固定在位置上。
点燃燃烧器14，将其放在实验位置上，测定试样阻挡层组合物21暴露在燃烧器14火焰中的时间。实验进行至少240秒，或进行到烧穿为止，或达到热通量的极限，不管哪一项首先达到都行。
实施例实施例1。采用使用Meeker燃烧器的小型实验，评估各种材料的耐烧穿性能。将具有13cm×13cm(5.25″×5.25″)开口的15cm×15cm×0.3cm(6″×6″×1/8″)的钢架放置在环形的实验台上，在燃烧器上方2.5cm(1″)处具有2.5cm(1″)高的丙烷火焰，火焰温度1150℃(2100°F)。将单独的15cm×15cm×5cm(6″×6″×2″)的钢盒，放在试验架的顶上，钢盒壁厚为0.3cm(1/8″)并顶部和底部敞开，钢盒用以维持实验材料。将固定在15cm×15cm×1.25cm(6″×6″×1/2″)陶瓷板上的热电偶放置在钢盒的顶上，测定通过实验材料温度的升高。一些初步实验(表I)表明，在不到10秒内，所有被实验的膜和所有被实验的只含芳族聚酰胺的纸都裂开了，不能提供明显的防火作用。由云母和芳族聚酰胺纤维混合制的纸，无论高压砑光和不砑光，在火焰中都不发生收缩，能防止火焰穿透。薄至0.075mm(3mil)的芳族聚酰胺/云母纸，是有效的火焰阻挡层。典型的绝热材料(玻璃纤维棉胎和芳族聚酰胺棉胎)，甚至当位于聚亚胺面膜后面时，对性能几乎没有影响，如表II所示，它们本身被迅速地烧穿。
表I小型部件烧穿实验
1芳族聚酰胺纸，是一种由约55重量％的间-芳族聚酰胺类纤维和约45重量％的间-芳族聚酰胺絮状物制成的材料，E.I.du pont de Nemoursand Company以商品名Nomex芳族聚酰胺纸销售。这些芳族聚酰胺纸以未压实或未砑光的形式和以压实或砑光的形式销售。2Spunlaced Kevlar芳族聚酰胺是一种由对-芳族聚酰胺常产纤维制成的材料，将这种常产纤维加氢缠结(hydroentangled)，制成片状，E.I.du pont de Nemours and Company以商品名Style Z-11销售。“Style Z-11”表示所有的对-芳族聚酰胺纤维产品。3Kapton商标的聚亚胺膜，E.I.du pont de Nemour s and Company销售。4芳族聚酰胺云母纸，是一种由约37重量％的间-芳族聚酰胺类纤维、约48重量％的云母、和约15重量％的间-芳族聚酰胺絮状物制成的材料，E.I.du pont de Nemours and Company以商品名NomexM芳族聚酰胺云母纸销售。这种芳族聚酰胺纸以未压实或未砑光的形式和以压实或砑光的形式销售。
表II小型烧穿实验的结果
1芳族聚酰胺棉胎是一种100％的间-芳族聚酰胺常产纤维。2玻璃纤维棉胎是一种由玻璃纤维与树脂粘合剂组成的棉胎，JohnMansville公司销售。
实施例2。就图1和2而言，这二组绝热覆层组件21，是采用0.012mm(0.5mil)聚酯膜袋25制造的，长122cm×宽45cm(长4′×宽20″)，侧面薄片12.5cm(5″)，采用FAA烧穿实验设备10进行实验。油燃烧器14是在空气速度945m3/min(3100fpm)，燃料供给流量18.9l/h(6gal/h)下操作的，温度＞1094℃(2000°F)。组件的结构如表III所示。进行烧穿实验，实验结果证明，本发明的组合物对阻止火焰穿透是有效的。这些结果还证明，将芳族聚酰胺/云母纸放置在火焰和绝热材料之间，通过减慢玻璃绝热材料的熔融，对降低热穿透是非常有效的。
表III火焰阻挡层组合物的FAA烧穿实验
1聚酯膜袋是由Mylar商标的聚酯膜制造的，E.I.du pont de Nemoursand Company销售。
实施例3。与实施例2相同，覆层组件是采用表IV所示的材料制造的。采用与实施例2相同的方法进行实验，这些实验的结果证明，本发明的组合物对阻止火焰穿透是有效的，以及采用压实的芳族聚酰胺/云母纸对降低热穿透和减慢玻璃绝热材料的熔融也是有效的。
表IV火焰阻挡层组合物的FAA烧穿实验
权利要求
1.一种火焰阻挡层纸组合物，其中包括25-60重量％芳族聚酰胺类纤维和40-70重量％云母的均匀混合物，其总基重为100-500g/m2，在飞机绝热FAA烧穿实验标准的条件下，烧穿时间至少240秒，温度至少1150℃。
2.权利要求1的组合物，其中还有0-20重量％的间-芳族聚酰胺絮状物。
3.权利要求1或2的组合物，其中纸组合物具有由聚氟乙烯、聚亚胺、或聚酯膜形成的外部封阻水分材料层。
4.权利要求1或2的组合物，其中纸组合物包含在聚合膜袋中。
5.权利要求4的组合物，其中聚合膜袋选自聚酯、聚氟乙烯、和聚亚胺。
6.权利要求4的组合物，其中该袋还包含绝热材料。
7.权利要求6的组合物，其中绝热材料是玻璃毛或芳族聚酰胺棉胎。
8.一种减慢火焰推进的方法，其中包括下列步骤a)将火焰阻挡层纸组合物放置在火焰的路径上，该组合物包含25-60重量％芳族聚酰胺类纤维和40-70重量％云母的均匀混合物，其总基重为100-500g/m2，烧穿时间至少240秒，和b)将组合物保持在火焰的路径上，以吸收和反射火焰的热量。
全文摘要
一种片状的组合物，其中包括一定比例的间－芳族聚酰胺和云母，用作火焰阻挡层组合物。
文档编号D21H17/67GK1425091SQ00818556
公开日2003年6月18日 申请日期2000年12月6日 优先权日2000年1月21日
发明者H·H·福尔斯泰恩, S·坎 申请人:纳幕尔杜邦公司