CN104559169A - 一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，由如下重量百分比的原料组成：聚酰胺20.0～85.0％；聚酰胺预聚物5.0～25.0％；熄弧金属化合物5.0～15.0％；熄弧吸水化合物0.0～15.0％；熄弧产气阻燃化合物10.0～20.0％；产气促进剂0.5～2.0％；加工助剂0.0～5.0％。本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料既有很高的阻燃性能又能产生气体协助灭弧，具有优异的力学性能，特别适用用于制备微型断路器。本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于工业化大规模生产，具备广阔的应用前景。

Description

一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体涉及一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料及其制备方法和在制备微型断路器应用。
背景技术
微型断路器分断能力是产品性能高低的重要指标，分断能力的高低和效果好坏与产品灭弧性能高低有着极其重要的关联。随着终端客户的多样化发展，产品的分断能力要求越来越高，为此，大家对断路器的灭弧系统的研究越来越多。
断路器灭弧主要有以下几种灭弧方法：速拉灭弧法，冷却灭弧法，吹弧灭弧法，长弧灭弧法，短灭弧法，狭沟或狭缝灭弧法，真空灭弧法和六氟灭弧法等，各研发单位和企业对灭弧效果的研究，大多从结构设计的角度分析和研究。
申请公布号为CN 102760595A(申请号为201110107729.5)的中国发明申请(申请人为北京正北元电器有限公司，发明人为张威)公开了一种高灭弧性能灭弧室，包括两个内侧板、两个外侧板、灭弧片和挡板，以及上引弧片，内侧板、外侧板和挡板以及上引弧片构成一个半封闭腔体内，形成动触头活动空间，静触头位于灭弧片的底部，上引弧片位于灭弧室上方。该灭弧室应用在塑壳断路器上，其具有全新的结构，具有结构简单、成本低、可以大大提高断路器分断能力，保证电网可靠工作的特点。
公开号为101416261A(申请号为200780011936.2)的中国发明专利申请(申请人为西门子，发明人为冈瑟·埃克特保罗·赫马沃尔夫冈·莱特尔)公开了一种用于保护开关的具有灭弧材料的灭弧装置，具有多个相互平行布置的灭弧板以及具有由析气塑料制成的至少一个部件，由所述析气塑料制成的至少一个部件搭接至少两个灭弧板平行于电弧运行方向延伸。该灭弧装置通过简单的构件确保能在低自热情况下迅速熄灭电弧。
西门子公司，大江控股集团有限公司，上海诺雅克电气有限公司，上海永继等众多国内外公司对灭弧装置，结构等做了较为详细的研究，并有众多的发明。
然而目前对灭弧材料的研究相对较少，特别是热塑性的灭弧材料研究。
公开号为CN 101615525A(申请号为200910163996.7)的中国发明专利申请公开了一种含金属水合物的灭弧组合物以及方法，其包含：有效量的熄弧金属水合物；有效量的第二熄弧组合物；用于熄弧金属水合物的聚合物胶黏剂；用于所述聚合物胶黏剂的相容增塑剂，以及将熄弧金属水合物连接用于聚合物胶黏剂的偶联剂。熄弧金属水合物为氢氧化镁。第二熄弧组合物为三聚氰胺、苯胍胺、二硫代氰脲酰胺、氰尿二酰胺、氰尿酰卤及其组合所组成的组。聚合物胶黏剂包含聚酰胺。偶联剂可选用三元共聚物，如乙烯/丙烯酸乙酯/马来酸酐三元聚合物偶联剂。该技术方案能够具有良好的灭弧能力，其性能需要进一步提高。
发明内容
本发明提供了一种既有很高的阻燃性能又能产生气体协助灭弧的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料及其制备方法和应用。
一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，由如下重量百分比的原料组成：
本发明中，通过上述特定量的各组分组合在一起，各组分之间能够相互影响，共同作用，各组分之间能够相互产生协同作用，使得本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料在经受电弧后，产生的气体明显增多，气体的压力增大明显，对低压断路器灭弧能力的提升有很大的帮助。并且，本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的热分解温度大幅度降低，材料在高温电弧存在下更容易分解产生气体。同时还具有很高的阻燃性能。
作为优选，所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，由如下重量百分比的原料组成：
进一步优选，所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，由如下重量百分比的原料组成：
聚酰胺作为基体材料，在聚酰胺基体材料中添加其他成分，各组分之间能够相互产生协同作用，既有很高的阻燃性能又能产生气体协助灭弧，作为优选，所述的聚酰胺为相对粘度2.2～2.4的聚酰胺66(PA66)或者相对粘度1.5～2的聚酰胺6(PA6)。所述的聚酰胺是低粘的PA66，相对粘度为2.2～2.4，如中国神马股份的EPR24，美国首诺的21SPC。所述的聚酰胺或者是相对粘度1.5～2的具有树枝状的新型低粘度PA6，具有树枝状的新型低粘度PA6相对于同等分子量的线性PA6，具有更高的流动性能，和更多的端基，如株洲时代新材的PA6,XC030,PA6,XC040等。
预聚物是指单体经初步聚合而成的物质，用在单体难于一次完全聚合成聚合物，或避免聚合物在加工成型中容易发生空洞和裂缝的场合。例如制备聚酰亚胺时，常先使均苯四酸二酐与芳香二胺在二甲基亚砜等溶剂中初步聚合成聚酰胺预聚物，再在300℃左右环合、脱水而成聚酰胺树脂或制品。聚酰胺预聚物的胺值为200～400mg KOH/g。聚酰胺预聚物是分子量较低的聚酰胺预聚物，其数均分子量为小于等于2000。
所述的熄弧金属化合物是具有高温状态下脱水或产生气体的化合物，如氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸钙、3.5水硼酸锌等。即所述的熄弧金属化合物为氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸钙、3.5水硼酸锌中的一种或两种以上。
所述的熄弧吸水化合物选自常温下具有优良吸水性能，高温下能释放水的聚合物吸水材料。所述的熄弧吸水化合物为聚丙烯酸钠。
所述的熄弧产气阻燃化合物既是产气成份，也是为尼龙材料提供阻燃特性的成份，所述的熄弧产气阻燃化合物为三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸缩聚物中的一种或两种。三聚氰胺氰尿酸缩聚物可采用三聚氰胺氰尿酸盐。
所述的产气促进剂为硝酸钾、硝酸铵、过氯酸钾、葵二酸、对苯二甲酸、辛二酸中的一种或两种以上。在经受电弧后，产气促进剂能够促进本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料产生气体，产生的气体明显增多，从而提高灭弧能力。
所述的加工助剂为含二苯甲酮官能团化合物的稳定剂、受阻酚稳定剂、亚磷酸酯稳定剂、受阻胺稳定剂中的一种或两种以上。
本发明还提供了一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于工业化大规模生产。
一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，包括步骤：
将聚酰胺和选择性添加的加工助剂混合均匀，由主喂料加入双螺杆挤出机，再将熄弧金属化合物、选择性添加的熄弧吸水化合物、熄弧产气阻燃化合物和产气促进剂混合均匀由侧喂料加入双螺杆挤出机，聚酰胺预聚物也由侧喂料加入双螺杆挤出机，经挤出、拉条、冷却、切粒和烘干后，制得阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料。
所述的双螺杆挤出机的长径比35～40：1。所述的双螺杆挤出机中各工作段的温度为215℃-270℃。
本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料既有很高的阻燃性能又能产生气体协助灭弧，具有优异的力学性能，特别适用用于制备微型断路器，具体可应用于制备微型断路器灭弧侧板，也可制备灭弧格栅外壳。使得制备的微型断路器具有高灭弧性能，使得微型断路器具有更好的分断能力，产品性能高。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料中，通过上述特定量的各组分组合在一起，各组分之间能够相互影响，共同作用，各组分之间能够相互产生协同作用，使得本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料在经受电弧后，产生的气体明显增多，气体的压力增大明显，对低压断路器灭弧能力的提升有很大的帮助。并且，本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的热分解温度大幅度降低，材料在高温电弧存在下更容易分解产生气体。同时还具有很高的阻燃性能。
本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料既有很高的阻燃性能又能产生气体协助灭弧，具有优异的力学性能，特别适用用于制备微型断路器。使得制备的微型断路器具有高灭弧性能，使得微型断路器具有更好的分断能力，产品性能高，有利于市场化大规模推广利用。
本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，采用现有的双螺杆挤出机即可实现，制备简单，易于工业化大规模生产，具备广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1
采用以下重量的原料：
将聚酰胺66、聚酰胺6和热稳定剂(1098、168)搅拌混合均匀，再由精密计量的喂料器送入双螺杆挤出机；将熄弧金属化合物(氢氧化镁)、熄弧吸水化合物(聚丙烯酸钠)、熄弧产气阻燃化合物(三聚氰胺氰尿酸盐)和产气促进剂(硝酸钾)高速搅拌均匀，从精密计量喂料器由第四节侧喂料口加入双螺杆挤出机；聚酰胺预聚物由液态计量加料器从第六节机筒加入，充分塑化、熔融、复合后经挤出、拉条、水冷却、切粒和烘干，制得聚酰胺复合材料；其中，双螺杆挤出机的长径比为36：1，各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为265±5，265±5，265±5，265±5，245±5，245±5，245±5，225±5，机头的温度为255±5℃。
实施例2
采用以下重量的原料：
聚酰胺复合材料的制备方法同实施例1，制得聚酰胺复合材料。各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为240±5，240±5，240±5，240±5，230±5，230±5，230±5，230±5，机头的温度为230±5℃。
实施例3
采用以下重量的原料：
聚酰胺复合材料的制备方法同实施例1，制得聚酰胺复合材料，各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为230±5，230±5，230±5，230±5，220±5，220±5，220±5，220±5，机头的温度为220±5℃。
实施例4
采用以下重量的原料：
聚酰胺复合材料的制备方法同实施例1，制得聚酰胺复合材料，各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为230±5，230±5，230±5，230±5，220±5，220±5，220±5，220±5，机头的温度为220±5℃。
对比列1
PA66低粘(神马实业股份有限生产，型号EPR24，相对粘度2.4)  100kg。
对比列2
PA6低粘(株洲时代新材料科技股份有限公司，型号XC040，相对粘度1.6)                                                         99.6kg；
热稳定剂(亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯；瑞士汽巴精细化工，型号：168)                                                      0.2kg；
热稳定剂(N,N′-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基]已二胺；瑞士汽巴精细化工，型号：1098)                                   0.2kg；
将聚酰胺和热稳定剂(1098、168)搅拌混合均匀，再由精密计量的喂料器送入双螺杆挤出机；充分塑化、熔融、复合后经挤出、拉条、水冷却、切粒和烘干，制得聚酰胺对比材料2；其中，双螺杆挤出机的长径比为36：1，各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为230±5，230±5，230±5，230±5，220±5，220±5，220±5，220±5，机头的温度为220±5℃。对比例3
采用以下重量的原料：
聚酰胺复合材料的制备方法同实施例1，制得聚酰胺复合材料。各段螺杆温度为：第一节机筒到第八节机筒的各工作段温度为240±5，240±5，240±5，240±5，230±5，230±5，230±5，230±5，机头的温度为230±5℃。
对上述实施例1-4制得的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料和对比例1，对比例2制得的材料进行灼热丝阻燃测试，测试结果详见表1。
表1材料阻燃性能测试(960℃，1.0mm)
性能 对比例1 对比例2 对比例3 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
燃烧时间 10S 大于30S 5S 2S 2S 2S 2S
由表1可知，制备的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料都具有很好的阻燃性能。
对上述实施例1-4制得的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料和对比例1，对比例2、对比例3制得的材料进行分解温度的测试(TGA测试，每分钟升温20℃)(主要是对比材料产生气体的难易程度，分解温度越低，越容易产生气体)，测试结果详见表2。
表2材料高温分解失重对比
性能 单位 对比例1 对比例2 对比例3 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
0.5％ ℃ 355.7 340.3 315.7 266.5 245.2 260.2 275.6
1％ ℃ 403.8 399.4 347.3 280.2 265.2 278.6 285.3
5％ ℃ 425.2 416.4 367.1 312.9 302.3 310.6 314.5
用上述实施例1-4制得的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料和对比例1，对比例2、对比例3制得的材料制备成断路器的产气部件(侧壁灭弧片)，在模型灭弧室的试验中，用压力传感器测量压力，产生的气体气压变化如表3所示。
表3气体气压增大情况
从表2数据可以看出：制备的本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的起始热分解温度大幅度降低(但是高于材料的加工温度，不影响生产、成型)，说明材料在高温电弧存在下更容易分解产生气体。由表3可知，在电弧情况下气压的增加值可以看出：本发明阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料在经受电弧后，产生的气体明显增多，气体的压力增大明显，对低压断路器灭弧能力的提升有很大的帮助。

Claims (10)

1.一种阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：
2.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，由如下重量百分比的原料组成：
3.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，所述的聚酰胺为相对粘度2.2～2.4的聚酰胺66或者相对粘度1.5～2的聚酰胺6。
4.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，所述的熄弧金属化合物为氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸钙、3.5水硼酸锌中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，所述的熄弧吸水化合物为聚丙烯酸钠。
6.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，所述的熄弧产气阻燃化合物为三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸缩聚物中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料，其特征在于，所述的产气促进剂为硝酸钾、硝酸铵、过氯酸钾、葵二酸、对苯二甲酸、辛二酸中的一种或两种以上。
8.根据权利要求1～7任一项所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将聚酰胺和选择性添加的加工助剂混合均匀，由主喂料加入双螺杆挤出机，再将熄弧金属化合物、选择性添加的熄弧吸水化合物、熄弧产气阻燃化合物和产气促进剂混合均匀由侧喂料加入双螺杆挤出机，聚酰胺预聚物也由侧喂料加入双螺杆挤出机，经挤出、拉条、冷却、切粒和烘干后，制得阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料。
9.根据权利要求8所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机的长径比35～40：1；
所述的双螺杆挤出机中各工作段的温度为215℃-270℃。
10.根据权利要求1～7任一项所述的阻燃产气聚酰胺灭弧复合材料在制备微型断路器中的应用。
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