CN101397489B

CN101397489B - 一种阻燃定形相变材料及其制备方法

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Publication number: CN101397489B
Application number: CN2008101967420A
Authority: CN
Inventors: 胡源; 张平; 宋磊
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: CN101397489A

Abstract

本发明公开了一种阻燃定形相变材料及其制备方法，特征是将占总体系质量百分比50-60％的石蜡、15-20％的膨胀型阻燃剂和1-10％的金属粉混合均匀后，加入到占总体系质量百分比15-20％的熔融的高密度聚乙烯中，熔融共混后，所得混合物经挤出机熔融挤出后造粒，成型，即得到由膨胀型阻燃剂、石蜡和金属粉均匀分散在高密度聚乙烯形成的空间网状结构中的阻燃定形相变材料。由于本发明采用膨胀型阻燃剂和金属粉协同阻燃，大大降低了膨胀型阻燃剂的添加量，提高了定形相变材料的阻燃性，和导热性能，可大大拓展相变材料在建筑节能材料、太阳能储能材料及蓄热调温纺织品材料等行业的推广应用。

Description

一种阻燃定形相变材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无卤膨胀型阻燃相变材料技术领域，特别涉及同时含有膨胀型复配阻燃剂和金属粉的定形相变材料及其制备方法。

背景技术

据《传热和传质》(Heat and Mass Transfer，32，1997，P307)介绍，石蜡和高密度聚乙烯体系的相变材料中高密度聚乙烯形成的空间网络结构对石蜡起到了很好的封装效果。但石蜡和高密度聚乙烯都属于易燃材料，因此这种材料的大量使用会带来安全隐患，同时由于该材料的导热系数小，导致能量的利用率低。《国际传热传质杂志》(Inter.J.Heat and Transfer，44，2001，P2727)介绍了以膨胀石墨作为支撑材料制备的具有高导热系数的石蜡-膨胀石墨定形相变材料，其导热系数可达到4-70Wm^-1K^-1。虽然由膨胀石墨作为定形成分具有孔隙率高、导热系数高、密度低等特点，得到的复合相变材料导热性能好、储能密度大，但该材料存在着易受热变形及定形差等缺陷。

目前对相变材料阻燃性能的研究还刚处于起步阶段。理论上讲，制备同时具有定形好、阻燃性能优异和导热性能好的相变材料，就可以拓展相变材料的应用领域，但至今尚未见到现有技术中有类似这样的技术被公开。

发明内容

本发明的目的是提出一种阻燃定形相变材料及其制备方法，以克服现有相变材料不能同时具有定形性能好、阻燃性能优异和导热系数高的缺陷，拓展相变材料的使用领域。

本发明的阻燃定形相变材料，其特征在于各组分按质量百分比为：石蜡50-60％，膨胀型阻燃剂15-20％，高密度聚乙烯15-20％和金属粉1-10％；所述膨胀型阻燃剂、石蜡和金属粉均匀分散在高密度聚乙烯形成的空间网状结构中。

本发明的阻燃定形相变材料的制备方法，其特征在于：将占总体系质量百分比50-60％的石蜡、15-20％的膨胀型阻燃剂和1-10％的金属粉混合均匀后，加入到占总体系质量百分比15-20％的熔融的高密度聚乙烯中，再熔融共混均匀；将所得到的混合物冷却并粉碎后，经挤出机熔融挤出后造粒，成型，即得到阻燃定形相变材料。

所述膨胀型阻燃剂由酸源与炭源和气源按质量比3-2∶1.5-1∶1组成，其中酸源选自磷酸铵、聚磷酸铵、脲磷酸盐、三聚氰胺磷酸盐或/和芳基磷酸酯，炭源选自季戊四醇、季戊四醇双聚体、季戊四醇三聚体、酚醛树脂、糊精或/和淀粉，气源选自三聚氰胺、双氰胺、脲醛树脂或/和聚酰胺。

所述金属粉选自铁、锌、铝或镁。

在本发明的阻燃定形相变材料中，由于高密度聚乙烯能形成空间网络结构，能对石蜡起到很好的封装效果。降低高密度聚乙烯的含量不利于材料的定形；而增加高密度聚乙烯含量则石蜡含量降低，不利于相变材料的储能。所以本发明使用的原料中，高密度聚乙烯的加入量占总体系质量百分比15-20％为宜。本发明中采用的膨胀型阻燃剂占总体系质量百分比15～20％，这是因为若膨胀型阻燃剂含量太低则阻燃效果较差，而若含量太高则会导致相变材料的储能性能降低。本发明中采用的金属粉的含量为1-10％，这是因为若金属粉含量太低则材料的导热性能降低，同时与膨胀型阻燃剂的协同阻燃效果降低，而若金属粉含量太高则会导致材料的阻燃性能下降。

本发明同时将膨胀型阻燃剂和金属粉引入到定形相变材料中，该相变材料的微观结构为：膨胀型阻燃剂、石蜡和金属粉均匀分散在高密度聚乙烯形成的空间网状结构中。高密度聚乙烯形成的空间网络结构能对石蜡起到很好的封装效果；而金属粉均匀分散在阻燃定形相变材料中，由于金属的导热性能优异，给相变材料的热传导提供了更好的渠道，从而有效的改善了相变材料的导热性能。同时金属粉和膨胀型阻燃剂具有协同阻燃性能，克服了阻燃剂添加量较大，阻燃效率低等缺点，降低了材料的成本，提高了石蜡的含量，为适应不同用途提供了选择的可能。

附图说明

图1为实施例2中的产物断面放大1000倍的微观结构的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1：

将开放式炼胶机升温到180℃，使占总体系质量百分比19％的高密度聚乙烯全部滚动熔融后，再将混合均匀的占总体系质量百分比60％的石蜡，10％的聚磷酸铵，5％的季戊四醇，5％的三聚氰胺和1％的铁粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到本发明的阻燃定形相变材料。

将本实施例中制备得到的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对该材料进行燃烧性能检测，测得其总热释放为81.9MJ/m²，最大热释放为375.25KW/m²，平均热释放为238.63KW/m²，燃烧时间为366S。差示扫描量热仪测得本实施例所制备得到的材料其相变焓为76.75KJ/kg；材料的导热系数为0.38Wm^-1K^-1。

对比例1：

将开放式炼胶机升温到175℃，使占总体系质量百分比20％的高密度聚乙烯全部滚动熔融后，再将混合均匀的占总体系质量百分比60％的石蜡，10％的聚磷酸铵，5％的季戊四醇和5％的三聚氰胺逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型即得到用于作为对比的阻燃定形相变材料。

将该作为对比的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对该材料进行燃烧性能检测，该材料的总热释放为90.4MJ/m²，最大热释放速率为627.35KW/m²，平均热释放速率为348KW/m²，燃烧时间为241S。差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为79.91KJ/kg；其导热系数为0.36Wm^-1K^-1。

上述比较说明金属铁粉的加入可以提高定形相变材料的阻燃性能和导热性能。

实施例2：

将开放式炼胶机升温到185℃，使占总体系质量百分比19％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比58％的石蜡，10％的聚磷酸铵，5％的季戊四醇，5％的三聚氰胺和3％的铁粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到本发明的阻燃定形相变材料。

图1为该产物断面的微观结构放大1000倍的扫描电镜照片，由该扫描电镜照片可看到：本发明的阻燃定形相变材料的微观结构中，石蜡、膨胀型阻剂和金属铁粉均匀分散在高密度聚乙烯形成的空间网络结构中。

将本实施例中上述制备得到的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对本实施例制备得到的材料进行燃烧性能检测，测得该材料的总热释放为83.7MJ/m²，最大热释放为274.03KW/m²，平均热释放为150.39KW/m²，燃烧时间为583S。差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为71.15KJ/kg；其导热系数为0.42Wm^-1K^-1。

对比例2：

将开放式炼胶机升温到175℃，使占总体系质量百分比15％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比55％的石蜡，7.5％的聚磷酸铵，7.5％的芳基磷酸酯，5％的季戊四醇，5％的三聚氰胺和5％的铁粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到用于作为对比的阻燃定形相变材料。

将该作为对比的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对其进行燃烧性能检测，测得该材料的总热释放为82.2MJ/m²，最大热释放为341.53KW/m²，平均热释放为173.64KW/m²，燃烧时间为496S。差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为70.31KJ/kg。

对比例3：

将开放式炼胶机升温到185℃，使占总体系质量百分比20％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比50％的石蜡、10％的聚磷酸铵，3％的季戊四醇，2％的淀粉，5％的三聚氰胺和10％的铁粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到用于作为对比的阻燃定形相变材料。

将该作为对比的阻燃定形相变材料压板，裁切成100X100X3mm的标准样板，用锥形量热仪对该材料进行燃烧性能检测，测得其总热释放为83.8MJ/m²，最大热释放为370.28KW/m²，平均热释放为168.35KW/m²，燃烧时间为527S。差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为68.73KJ/kg。

由上述对比试验的结果可知：铁粉的加入可以提高膨胀型阻燃剂的阻燃效率，当铁粉的含量占总质量的3％时，体系的阻燃效率最好，于不加铁粉相比，材料的最大热释放速率降低56.32％，材料燃烧时间也由241S延长到583S，超过最佳配比的时候阻燃效果反而会下降。同时当铁粉的含量占总质量的3％时，材料导热系数增加16.67％，提高了能量利用效率。

实施例3：

将开放式炼胶机升温到185℃，使占总体系质量百分比19％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比58％的石蜡，10％的聚磷酸铵，5％的季戊四醇，5％的三聚氰胺和3％的锌粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到本发明的阻燃定形相变材料。

将本实施例中上述制备得到的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对该材料进行燃烧性能检测，测得其总热释放为70.9MJ/m²，最大热释放为249.79KW/m²，平均热释放为81.98KW/m²，燃烧时间为1650S，差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为70.28KJ/kg。

实施例4：

将开放式炼胶机升温到185℃，使占总体系质量百分比19％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比58％的石蜡、7.5％的聚磷酸铵，2.5％磷酸铵，5％的季戊四醇，3％的三聚氰胺，2％的双氰胺和3％的铝粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤出后造粒，成型，即得到本发明的阻燃定形相变材料。

将本实施例中上述制备得到的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对其进行燃烧性能检测，测得其总热释放为67.2MJ/m²，最大热释放为247.64KW/m²，平均热释放为84.78KW/m²，燃烧时间为800S；差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为69.28KJ/kg。

实施例5：

将开放式炼胶机升温到185℃，使占总体系质量百分比19％的高密度聚乙烯充分滚动熔融后，将混合均匀的占总体系质量百分比58％的石蜡，7.5％的聚磷酸铵，2.5％磷酸铵，3％的季戊四醇，2％的淀粉，3％的三聚氰胺，2％的双氰胺和3％的镁粉逐渐加入到高密度聚乙烯中，加完后再熔融共混10分钟后，取出混合物，冷却后将其加入到塑料粉碎机中粉碎，再将粉碎后的共混物加入到螺杆挤出机中熔融挤后造粒，成型，即得到本发明的阻燃定形相变材料。

将本实施例中上述制备得到的阻燃定形相变材料压板，裁切成100mmX100mmX3mm的标准样板，用锥形量热仪对其进行燃烧性能检测，测得其总热释放为100.2MJ/m²，最大热释放为213.66KW/m²，平均热释放为61.45KW/m²，燃烧时间为878S；差示扫描量热仪测得该对比材料的相变焓为69.69KJ/kg。

当膨胀型阻燃剂中酸源是脲磷酸盐或/和三聚氰胺磷酸盐，炭源季戊四醇双聚体、季戊四醇三聚体、酚醛树脂或/和糊精，气源是醛树脂或/和聚酰胺，加工方法同上，在此就不一一列出。

从实施例2-5和对比例1可以看出：加入适量的金属粉可以提高膨胀型阻燃剂在定形相变材料中的阻燃性能。

Claims

1.一种阻燃定形相变材料，其特征在于各组分按质量百分比为：石蜡50-60％，膨胀型阻燃剂15-20％，高密度聚乙烯15-20％和金属粉1-10％；所述膨胀型阻燃剂、石蜡和金属粉均匀分散在高密度聚乙烯形成的空间网状结构中；所述膨胀型阻燃剂由酸源与炭源和气源按质量比3-2∶1.5-1∶1组成，其中酸源选自磷酸铵、聚磷酸铵、脲磷酸盐、三聚氰胺磷酸盐或/和芳基磷酸酯，炭源选自季戊四醇、季戊四醇双聚体、季戊四醇三聚体、酚醛树脂、糊精或/和淀粉，气源选自三聚氰胺、双氰胺、脲醛树脂或/和聚酰胺；所述金属粉选自铁、锌、铝或镁。

2.权利要求1所述阻燃定形相变材料的制备方法，其特征在于：将占总体系质量百分比50-60％的石蜡、15-20％的膨胀型阻燃剂和1-10％的金属粉混合均匀后，加入到占总体系质量百分比15-20％的熔融的高密度聚乙烯中，再熔融共混均匀；将所得到的混合物冷却并粉碎后，经挤出机熔融挤出后造粒，成型，即得到阻燃定形相变材料；所述膨胀型阻燃剂由酸源与炭源和气源按质量比3-2∶1.5-1∶1组成，其中酸源选自磷酸铵、聚磷酸铵、脲磷酸盐、三聚氰胺磷酸盐或/和芳基磷酸酯，炭源选自季戊四醇、季戊四醇双聚体、季戊四醇三聚体、酚醛树脂、糊精或/和淀粉，气源选自三聚氰胺、双氰胺、脲醛树脂或/和聚酰胺；所述金属粉选自铁、锌、铝或镁。