CN103302930A - 一种高分子基阻燃阻尼复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子基阻燃阻尼复合材料及其制备方法，该复合材料由以下高分子基阻燃层物料和阻尼层物料经熔融塑化、n次层状叠合而形成的2^（n+1）层交替层状阻尼结构：（1）所述高分子基阻尼层的基体选用最大损耗因子大于0.75，且有效阻尼温域大于40℃的高分子材料或高分子基复合材料；（2）所述高分子基阻燃层的基体选用具有阻燃性的高分子材料或高分子基复合材料。该高分子基阻燃阻尼复合材料具有良好的阻尼特性和优异的阻燃性能。本发明材料无需硫化，力学性能优良，所涉及的设备简单易得，所需原料均为市售，无需合成其他化学物，操作简单可连续大批量生产，生产成本低，效率高。

Description

一种高分子基阻燃阻尼复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子基阻燃层和阻尼层交替叠合的层状复合材料及其制备方法，该材料兼具优良的阻燃性和阻尼性，属于高分子材料的加工制造领域。

背景技术

随着科学技术和现代工业的发展，机械设备趋于高速化和自动化，振动和噪声污染日益严重；振动不仅对机械设备的运行和寿命产生影响，同时也影响了人身健康，因此减振降噪已引起社会各界的广泛关注，成为一个亟待解决的重要问题；阻尼材料可以将机械振动能转变为热能或其他形式的能耗散掉，从而达到减振降噪的目的。

高分子材料在受交变应力( 如振动)作用时应变滞后于应力的变化, 特别是处于玻璃化转变区域的高分子材料,表现出明显的力学阻尼特性，此时聚合物具有足够高的损耗因子，能够大量吸收振动能量，从而具有减振降噪的作用；因此高分子基阻尼材料被广泛的应用于宇航、火车、汽车、机械设备和日常用品领域，如果发生火灾事故可能会导致人们巨大的人身和财产伤害，所以要求其必须具有良好的防火阻燃性，但是普通高分子基阻尼材料易燃，特别是常用的聚氨酯和合成橡胶基体阻尼材料的极限氧指数低于20，配方中常加入石油树脂、松香酯等增粘树脂，在发生火灾时极易燃烧，潜在的危险性和危害性极大。

常规的阻燃改性方法是在聚合物基阻尼材料中加入大量阻燃剂，如直接将阻燃剂氢氧化铝和三氧化二锑加入氯化丁基橡胶中虽然可以有效提高阻燃性能，但阻燃剂的加入会使阻尼性能明显降低；在易燃的阻尼材料上铺设阻燃保护层的方法可在不降低阻尼性能情况下有效提高阻燃防火性，但现有的的铺设阻燃层的方法多是人工黏贴或机器铺设，工艺复杂，且制备的层状复合材料层数有限。

发明内容

针对目前高分子基复合材料难以兼具优良的阻尼性和阻燃性的现状，本发明提供一种兼具优良的阻尼与阻燃性能的高分子基阻燃阻尼复合材料及其制备方法。

本发明的技术原理是：(1）利用阻燃层不易燃烧、在火焰燃烧时吸收热量释放水份并形成碳质保护层的特点，隔绝阻尼层的聚合物与空气接触，阻止继续燃烧，达到优良的阻燃性能；（2）采用阻燃层和阻尼层交替层合结构，使复合材料具有大量连续的层界面，可增加界面摩擦和滑移，在室温附近温度出现新的中间损耗峰，从而有效拓宽复合材料的阻尼温域，使其在室温附近呈现高阻尼特性。

具体讲，本发明解决上述技术问题所采用的方案是，将以下高分子基阻燃层物料和阻尼层物料经熔融塑化、n次层状交替叠合而形成的2^（n+1）层交替层状复合阻尼材料，其中n≥1：

（1）所述高分子基阻尼层的基体选用最大损耗因子大于0.75、且有效阻尼温域（Tanδ>0.5）大于40℃的高分子材料或高分子基复合材料；

（2）所述高分子基阻燃层的基体选用具有阻燃性的高分子材料或高分子基复合材料。

上述高分子基阻尼层可以选用符合要求的丁基橡胶、氯化丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁苯橡胶中的一种为基体，以保证阻尼层具备有效的阻尼减振功能。

上述高分子基阻尼层的基体中可以根据加工需要加入加工助剂和填料，其中加工助剂有操作油（如：白油）、增粘树脂（如：松香树脂、石油树脂）、润滑剂（如：硬脂酸）、抗氧剂（如：芳香胺类、受阻酚类）和防老化剂（如：胺类、酮胺类），填料可为炭黑、白炭黑、蒙脱土等，加工助剂和填料的加入量为阻尼层高分子基体重量的1～100%。

上述阻燃层可以选用本身具有阻燃性的聚氯乙烯、氯化聚氯乙烯、氯丁橡胶中的一种高分子材料为基体；或者选用加入阻燃剂的高分子基复合材料（比如，加入阻燃剂的氯化丁基橡胶复合材料、加入阻燃剂的聚苯乙烯复合材料）为基体，其中，加入的阻燃剂可以是硼酸锌、三氧化二锑、氢氧化铝、氢氧化镁、六溴环十二烷、溴化环氧树脂、聚磷酸铵和十溴二苯乙烷中的至少一种，其阻燃剂的加入量为该聚合物基体重量的1～50%。

在上述高分子基阻燃层可以根据加工需要加入加工助剂和填料，其中加工助剂有增塑剂（如：氯化石蜡、邻苯二甲酸二丁酯）、稳定剂（如：钙锌稳定剂、有机锡稳定剂）、润滑剂（如：硬脂酸），填料可为炭黑、白炭黑、蒙脱土、滑石粉等，加工助剂和填料加入量为阻燃层高分子基体重量的1～100%。

当上述阻燃层与阻尼层之间的相容性较差时，可以在阻燃层或阻尼层中加入相容剂，比如聚乙烯接枝马来酸酐、氯化聚乙烯，相容剂的加入量为加入聚合物基体重量的1～20%，以使层间粘结性能良好。

本发明制备上述高分子基阻燃阻尼复合材料的方法是，它直接采用本申请人申请的中国专利“制备可设计交替层状结构的聚合物基阻尼复合材料的方法”，公开号CN101439576A所公开的由挤出机(A、B)、分配器（C）、层倍增器(D)和出口模(E)构成的微层共挤装置，其特征在于先制备高分子基阻尼层物料和高分子基阻燃层物料，然后将高分子基阻尼层物料和阻燃层物料分别投入微层共挤出装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器（C）中叠合，经n个层倍增器（D）的切割和叠加后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，得到2（n+1）层由阻尼层和阻燃层交替分布的高分子基阻燃阻尼复合材料；其中，至少应使用1个层倍增器，即n ≥1。

上述制备方法中，通过调节和控制两台挤出机（A、B）的转速比可以调整阻尼层和阻燃层的厚度比，通过调节和控制倍增器的个数也可以调节阻尼层和阻燃层的层数，这些均可调节该复合材料的阻燃性和阻尼性。

本发明专利具有以下优点：

（1）本发明专利制备的高分子基阻燃阻尼复合材料具有连续的阻燃层和阻尼层交替层合结构，交替叠合层数最少在4层(含4层)以上，甚至可达到1024层，因此本发明复合材料具有大量连续的层界面，可增加界面摩擦和滑移，促进高分子链的摩擦损耗，从而有效拓宽复合材料的阻尼温域，使其在室温附近呈现高阻尼特性；又由于阻燃层不易燃烧，在火焰燃烧时吸收热量释放水份，并形成碳质保护层隔绝聚合物与空气的接触继续燃烧的条件，因而具有优异的阻燃性能；也就是说，本发明制备的高分子基阻燃阻尼复合材料兼具优良的阻燃性和阻尼性。

（2）可以通过改变挤出转速比和倍增器的个数来控制交替多层阻尼材料的阻燃层和阻尼层的厚度比和层数，从而通过调控其形态结构，可有效地控制阻燃性能和阻尼性能。

（3）调节阻尼层和阻燃层的配方，可使两者的具有一定的相容性；当阻燃层与阻尼层之间的相容性较差时，可以在阻燃层或阻尼层中加入有相容剂，使层界面处粘接良好，在使用时不会出现分层现象；本发明的阻尼层具有良好的粘结性，使用时直接粘附到需要进行阻尼减振处理的基体上即可，无需涂覆粘结剂，方便施工，大大提高了使用方便性。

（4）本发明提供的具有新型结构的高效阻燃、高阻尼性能功能材料性能好，成本低，方便粘附施工；而且，本发明提供的制备方法工艺简单，操作控制方便，生产效率高，生产成本低，具有广阔的工业化和市场前景。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明所涉及的微层共挤装置的结构示意图；在图中，A，B：挤出机，C：分配器，D：层倍增器，E：出口模。

图2为本发明制备的阻燃层和阻尼层交替层合结构的高分子基阻燃阻尼复合材料的结构示意图；在图中，F：阻燃层，G：阻尼层。

具体实施方法

在以下各实施例中，各组分的用量均为质量用量。有必要在此指出，下面实施例只是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明进行一些非本质的改进和调整。

实施例1

（1）选用氯化丁基橡胶（按重量份计）100份为阻尼层基体，加入炭黑(填料)25份、石油树脂（增粘树脂）20份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、对苯二胺类防老剂1份在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，制得阻尼橡胶混炼胶。该混炼胶的最大损耗因子为1.10，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-30℃～18℃，符合权利要求书中对阻尼层材料性能的要求

（2）选用具有阻燃性的聚氯乙烯（按重量份计）100份为阻燃层基体，加入氯化石蜡（增塑剂）80份、有机锡稳定剂（稳定剂）2份、甲基丙烯酸酯与丙烯酸酯的共聚物（塑化剂）2份和硬脂酸（润滑剂）1份， 经搅拌混合后加入挤出机混合造粒，得到阻燃层物料颗粒。阻燃层物料的极限氧指数为38.0，水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-0级。

（3）将上述得到的橡胶混炼胶裁剪成条与聚氯乙烯塑料颗粒分别投入由中国专利CN101439576A公开的由挤出机(A、B)、分配器（C）、层倍增器(D)和出口模(E)构成的微层共挤装置的挤出机A和挤出机B中(见图1)，调节阻燃层和阻尼层两台挤出机的转速比为1:2，挤出机各段温度控制在120～130℃之间，使挤出机内的物料熔融塑化后，使两股熔体在分配器C中叠合，经4个层倍增器D的切割和分层叠加后从出口模E中流出，其中分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为130℃左右，再经再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到从出口模挤出的32层橡胶塑料交替层合阻燃阻尼复合材料（见图2），其拉伸强度为6.5MPa,断裂伸长率为120%，极限氧指数为31.5；水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-0级；有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-18.5 ℃～48 ℃，在室温20℃附近达到阻尼峰值1.09。

对比例1

将实施例1中制备的32层阻燃阻尼交替层合阻尼材料在130℃经双辊开炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、130℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为1.5MPa,断裂伸长率为60%，极限氧指数为28，水平燃烧达到FH-2级，垂直燃烧达到FV-1级，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-12℃～23℃，最大阻尼峰值0.75。

由上述实施例1和对比例1的性能对比可见，实施例1中制备的高分子基阻燃阻尼复合材料具有比对比例1更高效阻尼性能和更宽的阻尼温域，且防火阻燃性能也更为优异；可根据实际需要调整实施例1的配方、层厚比和层数，可调控高分子基阻燃阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻燃和阻尼性能，比如可增加实施例1中阻尼层的挤出速度的同时减小阻燃层的挤出速度，可增大阻尼层的厚度，使制得的高分子基阻燃阻尼复合材料具有比实施例1更优的阻尼性能。

实施例2

（1）选用丁腈橡胶（按重量份）100份作为阻尼层基体，加入炭黑(填料)25份、受阻酚（抗氧剂AO60）25份、石油树脂（增粘树脂）20份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、对苯二胺类防老剂1份，在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，得到阻尼层物料；该阻尼层物料的最大损耗因子为1.2，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-29℃～24℃，符合权利要求书中对阻尼层材料性能的要求。

（2）选用充分干燥的聚苯乙烯（按重量份）100份作为阻燃层基体，加入阻燃剂六溴环十二烷40份，经搅拌混合后加入挤出机混合造粒，得到阻燃层物料；该阻燃层物料的极限氧指数为35.5，水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-0级。

（3）将上述阻尼层物料和阻燃层物料分别投入图1所示的微层共挤装置的挤出机A和挤出机B中，调节阻燃层和阻尼层两台挤出机的转速比为1:1，挤出机各段温度控制在180～200℃之间，分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为200℃左右，使用3个分层叠加单元，由出口模挤出得到为16层阻燃层和阻尼层交替层合复合材料（见图2）；经检测，该复合材料其拉伸强度为19.5MPa,断裂伸长率为90%，极限氧指数为30，水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-1级，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-20 ℃～51 ℃，在室温附近达到阻尼峰值0.91。

对比例2

将实施例2中制备的16层高分子基阻燃阻尼复合材料在200℃经哈克密炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、180℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为14.7MPa,断裂伸长率为40%，极限氧指数为30，水平燃烧达到FH-2级，垂直燃烧达到FV-1级，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-10℃～17℃，最大阻尼峰值0.77。

由上述实施例2和对比例2的性能对比可见，实施例2的高分子基阻燃阻尼复合材料具有更优的阻尼性能和阻燃性能，可根据实际需要调整实施例2的配方、层厚比和层数，可调控高分子基阻燃阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻燃和阻尼性能

实施例3

（1）选用丁基橡胶（按重量份）100份作为阻尼层基体，加入炭黑（填料）10份、蒙脱土（填料）15份、石油树脂（增粘树脂）20份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、对苯二胺类防老剂1份，在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，制得阻尼橡胶混炼胶；该阻尼层物料的最大损耗因子为1.20，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-32℃～14℃，符合权利要求书中对阻尼层材料性能的要求。

（2）选用氯丁橡胶（按重量份）100份作为阻燃层基体、加入炭黑（填料）15份、滑石粉（填料）10份，加入阻燃剂硼酸锌15份、三氧化二锑15份、氢氧化镁10份和氢氧化铝10份,在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，制得到阻燃层物料；该阻燃层物料的极限氧指数为39.5，水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-0级。

（3）将上述阻尼层和阻燃层橡胶混炼胶裁剪成条分别投入图1所示的微层共挤装置的的挤出机A和挤出机B中，调节阻燃层和阻尼层两台挤出机的转速比为1:3，挤出机各段温度控制在80～100℃之间，分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为100℃左右，使用2个分层叠加单元，由口模挤出得到为8层高分子基阻燃阻尼复合材料；经检测，其拉伸强度为9MPa,断裂伸长率为130%，极限氧指数为32，水平燃烧达到FH-1级，垂直燃烧达到FV-0级，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-14 ℃～50 ℃，在室温附近达到阻尼峰值0.96。

对比例3

将实施例3中制备的8层阻燃层和阻尼层交替层合阻尼材料在90℃经双辊开炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、100℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为6MPa,断裂伸长率为75%，极限氧指数为28，水平燃烧达到FH-2级，垂直燃烧达到FV-1级，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-15℃～10℃，最大阻尼峰值0.67。

由上述实施例3和对比例3的性能对比可见，实施例3的高分子基阻燃阻尼复合材料具有更优的阻尼性能和阻燃性能，可根据实际需要调整实施例3的配方、层厚比和层数，可调控高分子基阻燃阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻燃和阻尼性能。

Claims (9)

1.一种高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于该复合材料由以下高分子基阻燃层物料和阻尼层物料经熔融塑化、n次层状交替叠合而形成的2^（n+1）层交替层状复合阻尼材料：

（1）所述高分子基阻尼层的基体选用最大损耗因子大于0.75，且有效阻尼温域大于40℃的高分子材料或高分子基复合材料；

（2）所述高分子基阻燃层的基体选用具有阻燃性的高分子材料或高分子基复合材料。

2.根据权利要求1所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于所述高分子基阻尼层选用丁基橡胶、氯化丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁苯橡胶中的一种为基体。

3.根据权利要求1或2所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于所述高分子基阻尼层的基体中加入加工助剂和填料，加入量为阻尼层高分子基体重量的1～100%。

4.根据权利要求1所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于所述阻燃层选用本身具有阻燃性的高分子材料为基体，或选用加入阻燃剂的高分子基复合材料为基体。

5.根据权利要求4所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于所述阻燃剂是硼酸锌、三氧化二锑、氢氧化铝、氢氧化镁、六溴环十二烷、溴化环氧树脂、聚磷酸铵和十溴二苯乙烷中的至少一种，阻燃剂的加入量为该聚合物基体重量的1～50%。

6.根据权利要求1、4或5所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于所述高分子基阻燃层的基体中加入加工助剂和填料，加入量为阻燃层基体重量的1～100%。

7.根据权利要求1所述的高分子基阻燃阻尼复合材料，其特征在于在所述阻燃层或阻尼层中加入相容剂，相容剂的加入量为加入聚合物基体重量的1—20%。

8.一种制备权利要求1所述高分子基阻燃阻尼复合材料的方法，采用由挤出机(A、B)、分配器（C）、层倍增器(D)和出口模(E)构成的微层共挤装置，其特征在于先制备高分子基阻尼层物料和高分子基阻燃层物料，然后将高分子基阻尼层物料和阻燃层物料分别投入微层共挤出装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器（C）中叠合，经n个层倍增器（D）的切割和叠加后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，得到2^（n+1）层由阻尼层和阻燃层交替分布的高分子基阻燃阻尼复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备高分子基阻燃阻尼复合材料的方法，其特征在于阻尼层和阻燃层的厚度比通过控制两台挤出机（A、B）的转速比进行调整。

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