CN103114349B

CN103114349B - 三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法

Info

Publication number: CN103114349B
Application number: CN201310059355.3A
Authority: CN
Inventors: 薛萌; 张献; 顾振; 王欢; 林永兴; 包超; 田兴友
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: CN103114349A

Abstract

本发明公开了一种三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法。它先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为2～10：90～98的比例混合后搅拌，得到混合溶液，再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后搅拌，其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：1～25，得到纺丝溶液，接着，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为10～30kV、喷丝头至纺丝接收器的间距为10～30cm、纺丝溶液的流速为0.5～4.0mL/h下静电纺丝，得到三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维，再将其置于浓度≥5wt%的氨水中浸泡至少5h后，进行洗涤和干燥的处理，制得直径为0.1～5μm、重量比为0.2～15：100的氢氧化镁和三元乙丙橡胶构成的目标产物。它具有工艺简便、省时和节能的特点。

Description

三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种阻燃复合纤维材料的制备方法，尤其是一种三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法。

背景技术

三元乙丙橡胶（EPDM）由于具有优异的热稳定、耐老化、耐腐蚀、耐水、绝缘等性能，在汽车部件、电线电缆、密封件等众多领域有着广泛的应用。然而，作为一种高分子材料，EPDM极其易燃，在高温条件下容易降解，从而使材料失去功效。因此，为进一步满足市场对三元乙丙橡胶材料的需求，人们对其进行了阻燃改性，以大幅度提高材料的安全性能，如中国发明专利申请公布说明书CN 101415642 A于2009年4月22日公开的一种“具有改进的复合和粘度性能的氢氧化镁”。该发明专利申请公布说明书中提及了一种阻燃聚合物配方，其由三元乙丙橡胶与阻燃量的氢氧化镁颗粒组成，其中，氢氧化镁的中值孔半径r₅₀为0.01～0.5μm、用量为阻燃聚合物配方的5～90wt%；生产方法为先制作阻燃量的氢氧化镁颗粒，再将其与三元乙丙橡胶一起置于布斯共捏合机，或密闭式混合机，或法雷尔连续混合机，或双螺杆挤出机，或单螺杆挤出机和双辊碾磨机的混合设备中混合并捏合成产物。但是，这种生产方法存在着不足之处，首先，为获得具有确定粒径和比表面积的氢氧化镁颗粒，需将氢氧化镁的含水浆料或氢氧化镁和分散剂的含水浆料置于温度为150～550℃、雷若数大于3000的热气流中，于碾磨转子的圆周速度高于40～70m/sec下碾磨，既费事，又费时，还耗能；其次，产物仅为半成品，若制成纤维状，还需再次加工。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种工艺简便、节能的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法包括静电纺丝法，特别是完成步骤如下：

步骤1，先将三元乙丙橡胶（EPDM）和四氢呋喃（THF）溶剂按照质量比为2～10：90～98的比例混合后，置于20～60℃下搅拌至少2h，得到混合溶液，再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于20～60℃下搅拌至少5h，其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：1～25，得到纺丝溶液；

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为10～30kV、喷丝头至纺丝接收器的间距为10～30cm、纺丝溶液的流速为0.5～4.0mL/h下静电纺丝，得到三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维，再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度≥5wt%的氨水中浸泡至少5h后，进行洗涤和干燥的处理，制得三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料；

所述复合纤维材料中的纤维的直径为0.1～5μm，其由重量比为0.2～15：100的氢氧化镁和三元乙丙橡胶构成。

作为三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法的进一步改进，所述的可溶性镁盐为氯化镁，或氯化镁水合物，或硝酸镁，或硝酸镁水合物，或硫酸镁，或硫酸镁水合物；所述的纺丝接收器为转鼓式纺丝收集器；所述的氨水的浓度为5～30wt%；所述的洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近；所述的干燥处理为将其置于50～80℃下烘干。

相对于现有技术的有益效果是，其一，对制备方法制得的目标产物分别使用扫描电镜和X射线衍射仪进行表征，由其结果可知，目标产物为纤维状；其直径为0.1～5μm，由重量比为0.2～15：100的氢氧化镁和三元乙丙橡胶构成。其二，分别对纯三元乙丙橡胶和制备方法制得的目标产物使用热失重分析仪进行表征，由其结果可知，目标产物的分解温度明显提升，初温分解温度（降解3%时的温度）从223℃提高到了290℃。其三，制备方法科学、有效：既将可溶性镁盐先与三元乙丙橡胶通过溶液共混的方式相混合，再原位转化，解决了氢氧化镁在三元乙丙橡胶基体中的分散性难题，杜绝了团聚现象的发生，从而制得了含有均匀分散状氢氧化镁阻燃剂的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料，并使其的热稳定性得到了明显的改善，起到了强力阻燃的作用；又使目标产物为纤维状，大大地提高了目标产物的比表面积，使其耐热性能得到了明显的提高，可广泛地应用于阻燃添加材料、高效过滤材料、吸油材料以及碳材料制备等领域；还有着制备过程简单、耗能少、时间短，适用于大规模的工业化生产的优点。

作为有益效果的进一步体现，一是可溶性镁盐优选为氯化镁，或氯化镁水合物，或硝酸镁，或硝酸镁水合物，或硫酸镁，或硫酸镁水合物，不仅使原料的来源更加丰富，而且使制备工艺更易实施且灵活便捷。二是纺丝接收器优选为转鼓式纺丝收集器，便于三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维的高效收集。三是氨水的浓度优选为5～30wt%，利于对三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维的原位碱化处理。四是洗涤处理优选为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理优选为将其置于50～80℃下烘干，确保了目标产物的品质。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是对可溶性镁盐为氯化镁时制得的中间产物（未对其进行氨水碱化处理）——EPDM-MgCl₂复合纤维使用扫描电镜（SEM）进行表征的结果之一。SEM图像显示出了中间产物为众多的细丝状纤维，呈随机分布状态，直径均匀，表面光滑。由于通过旋转的转鼓以较高的转速收集，因此纤维还带有一定程度的取向，有些纤维纠集在一起形成较粗的束状纤维。

图2是对制得的目标产物使用扫描电镜进行表征的结果之一。SEM图像显示出了其形貌比中间产物要粗糙，表面有细小颗粒存在，即为Mg(OH)₂。另外纤维的直径也不那么均匀，主要分布在0.1～5μm范围，这是由在氨水处理过程中的碱化作用所引起的。

图3是分别对纯三元乙丙橡胶纤维和制备方法制得的目标产物使用热失重分析（TGA）仪进行表征的结果之一。测试时的条件为，将纯三元乙丙橡胶纤维和目标产物置于氮气气氛中，升温速率为20℃/min。由TGA图可知，相对于纯三元乙丙橡胶纤维，目标产物的分解温度得到了明显的提升。

具体实施方式

首先从市场购得或用常规方法制得：

三元乙丙橡胶；四氢呋喃；作为可溶性镁盐的氯化镁、氯化镁水合物、硝酸镁、硝酸镁水合物、硫酸镁和硫酸镁水合物；氨水。

接着，

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为2：98的比例混合后，置于20℃下搅拌4h，得到混合溶液。再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于20℃下搅拌7h；其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：1，可溶性镁盐为氯化镁，得到纺丝溶液。

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为10kV、喷丝头至转鼓式纺丝收集器的间距为10cm、纺丝溶液的流速为0.5mL/h下静电纺丝，得到近似于图1所示的三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维。再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度为5wt%的氨水中浸泡15h后，进行洗涤和干燥的处理；其中，洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理为将其置于50℃下烘干。制得近似于图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

实施例2

制备的具体步骤为：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为4：96的比例混合后，置于30℃下搅拌3.5h，得到混合溶液。再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于30℃下搅拌6.5h；其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：7，可溶性镁盐为氯化镁，得到纺丝溶液。

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为15kV、喷丝头至转鼓式纺丝收集器的间距为15cm、纺丝溶液的流速为1mL/h下静电纺丝，得到近似于图1所示的三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维。再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度为11wt%的氨水中浸泡12.5h后，进行洗涤和干燥的处理；其中，洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理为将其置于58℃下烘干。制得近似于图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

实施例3

制备的具体步骤为：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为6：94的比例混合后，置于40℃下搅拌3h，得到混合溶液。再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于40℃下搅拌6h；其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：13，可溶性镁盐为氯化镁，得到纺丝溶液。

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为20kV、喷丝头至转鼓式纺丝收集器的间距为20cm、纺丝溶液的流速为2.0mL/h下静电纺丝，得到如图1所示的三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维。再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度为18wt%的氨水中浸泡10h后，进行洗涤和干燥的处理；其中，洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理为将其置于65℃下烘干。制得如图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

实施例4

制备的具体步骤为：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为8：92的比例混合后，置于50℃下搅拌2.5h，得到混合溶液。再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于50℃下搅拌5.5h；其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：19，可溶性镁盐为氯化镁，得到纺丝溶液。

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为25kV、喷丝头至转鼓式纺丝收集器的间距为25cm、纺丝溶液的流速为3.0mL/h下静电纺丝，得到近似于图1所示的三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维。再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度为24wt%的氨水中浸泡7.5h后，进行洗涤和干燥的处理；其中，洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理为将其置于73℃下烘干。制得近似于图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

实施例5

制备的具体步骤为：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为10：90的比例混合后，置于60℃下搅拌2h，得到混合溶液。再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于60℃下搅拌5h；其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：25，可溶性镁盐为氯化镁，得到纺丝溶液。

步骤2，先将纺丝溶液置于静电纺丝机上，于纺丝电压为30kV、喷丝头至转鼓式纺丝收集器的间距为30cm、纺丝溶液的流速为4.0mL/h下静电纺丝，得到近似于图1所示的三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维。再将三元乙丙橡胶-可溶性镁盐复合纤维置于浓度为30wt%的氨水中浸泡5h后，进行洗涤和干燥的处理；其中，洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近，干燥处理为将其置于80℃下烘干。制得近似于图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

再分别选用作为可溶性镁盐的氯化镁，或氯化镁水合物，或硝酸镁，或硝酸镁水合物，或硫酸镁，或硫酸镁水合物，重复上述实施例1～5，同样制得了如或近似于图2所示，以及如图3中的曲线所示的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，包括静电纺丝法，其特征在于完成步骤如下：

步骤1，先将三元乙丙橡胶和四氢呋喃溶剂按照质量比为2～10：90～98的比例混合后，置于20～60℃下搅拌至少2h，得到混合溶液，再将混合溶液与可溶性镁盐相混合后，置于20～60℃下搅拌至少5h，其中，混合溶液中的三元乙丙橡胶与可溶性镁盐的质量比为100：1～25，得到纺丝溶液；

所述三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料中的纤维的直径为0.1～5μm，其由重量比为0.2～15：100的氢氧化镁和三元乙丙橡胶构成。

2.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，其特征是可溶性镁盐为氯化镁，或氯化镁水合物，或硝酸镁，或硝酸镁水合物，或硫酸镁，或硫酸镁水合物。

3.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，其特征是纺丝接收器为转鼓式纺丝收集器。

4.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，其特征是氨水的浓度为5～30wt%。

5.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，其特征是洗涤处理为使用去离子水洗涤至其pH值与去离子水的pH值相近。

6.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶阻燃复合纤维材料的制备方法，其特征是干燥处理为将其置于50～80℃下烘干。