CN107057350A - 一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料及其制备方法，采用的大片径石墨烯和纳米氧化铝作为导热添加剂，极大提升了复合材料导热性能；用超细粉体纳米层状滑石粉和氧化锌作为灼热丝协效剂，提升了复合材料的灼热丝起燃温度；用异丁基次磷酸铝和氢氧化镁作为阻燃剂，阻燃效率高，同时避免了含卤阻燃剂在阻燃过程中释放出具有强致癌作用的卤化氢气体危害；抗氧剂的加入，避免了尼龙树脂因氧化导致力学性能下降；氨基硅烷偶联剂的加入提升了尼龙复合材料的力学性能；乙撑双硬脂酰胺和季戊四醇作为加工润滑剂，极大提升了改性填料的改性效率；总而言之，本发明产品同时具备高导热、高灼热丝、高力学性能以及无卤阻燃的特性。

Description

一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及阻燃环保材料领域，具体而言，涉及一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料及其制备方法。
背景技术
随着微电子集成与组装技术的飞速发展和电力电气绝缘领域对高电压的越来越高的要求以及其他相关领域的飞速发展，电子元器件和逻辑电路的体积成千万倍地缩小，而工作频率急剧增加此时电子设备所产生的热量迅速积累和增加，工作环境温度也向高温方向迅速变化。为保证电子元器件长时间高可靠地正常工作，必须阻止工作温度的不断升高，因此及时散热能力就成为影响其使用寿命的重要因素，但是一般高分子材料都是热的不良导体，其导热系数一般都低于0.5W/m/K，为满足微电子、电机电器、航天航空、军事装备等诸多制造业及高科技领域的发展需求，迫切需要研制高导热性能的聚合物材料。
现代的电子和电器设备有40％以上重量的部件由易燃的塑胶绝缘材料组成, 电子和电器设备会因过热、漏电、短路、火花和老化等引燃这些材料而造成火灾,对人们生命和财产安全造成巨大威胁。为此,世界各国先后出台了法规对电子和电器设备上使用的塑胶绝缘材料的阻燃性能、耐热性能和电气性能等作了苛刻的规定。多年来电子和电器设备产业一直执行美国UL94标准来评价电子和电器用塑料因被动着火的阻燃安全,但最近电子和电器设备内部塑料部件在使用过程中因接触不良、过载、短路而过热主动着火导致的火灾却频繁发生, 欧盟国际电工协会(IEC)开始要求业界同时还执行更为严格的IEC 60695灼热丝阻燃测试评价标准,IEC组织在IEC 60335家用及类似电器安全标准中提出长期无人值守电器所使用塑料件的阻燃性能必须满足UL94V一O级和750℃灼热丝接触材料30S内不起火或燃烧时间小于5S,即灼热丝引燃温度(GWIT)大于 750℃。对于连接器、接触开关、电机和断路器壳体等特定部件则还要求GWIT 温度达到850℃。
尼龙是电子-电气工业用量最大的工程塑料之一。1998年，尼龙在全球电子-电气工业的用量为275kt,占该行业全部塑料用量的5％。据预测,1998～2003 年PA在电子-电气行业用量的年平均增长率为7％。传统的阻燃尼龙材料常采用溴系阻燃剂，但是卤素阻燃剂在阻燃的同时又释放出大量的卤化氢烟雾，具有高腐蚀性，易使人窒息并严重影响人的免疫系统和再生系统。近年来，世界各国对于高分子材料引起的火灾及污染问题越来越重视，不仅对阻燃材料的研究更为深入，而且制定的相关法律法规越来越严格。2006年欧盟的两项指令“废弃电子电器设备指令(WEEE)”和“电子电器设备中禁用有害物质指令(ROHS)”的颁布,更是禁止了卤系阻燃剂在欧洲市场的使用。顺应时代的潮流，进一步研究阻燃技术的应用并开发清洁、高效、综合性能优异的无卤阻燃聚合物材料将成为今后发展的主要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时具备高导热、高灼热丝起燃温度、无卤阻燃石墨烯尼龙材料，该种尼龙复合材料导热率高，灼热丝起燃温度高，阻燃性能好，燃烧时无致癌气体释放。
本发明的另一目的是提供上述高导热高灼热丝无卤阻燃石墨烯尼龙材料的制备方法
本发明的上述目的通过如下技术方案予以实现：
一种高导热高灼热丝无卤阻燃石墨烯尼龙材料，由以下按以重量份计算的组分组成：PA树脂40-70份；无卤阻燃剂复合物9-30份；导热剂10-20份；灼热丝协效剂复合物2-10份；偶联剂2-6份；抗氧剂0.2-0.5份；加工润滑助剂 0.5-1份；
所述复合偶联剂为氨基硅烷偶联剂
所述尼龙树脂为PA66和PA6的复合物
所述尼龙树脂复配比重为5:1-1:1
所述无卤阻燃剂复合物优选为异丁基次磷酸铝和氢氧化镁的复合物
所述无卤阻燃剂复合物复配重量比优选为5:1-3:1
所述导热剂优选为大片径石墨烯和纳米氧化铝的复合物
所述导热剂复合物复配比重为1:20-1:50
所述灼热丝协效剂优选为超细粉体纳米层状滑石粉和氧化锌的复合物
所述灼热丝协效剂复配比重为10:1-5:1
所述抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的复合物
所述抗氧剂复配比重为4:1-1:1
所述加工润滑助剂优选为乙撑双硬脂酰胺和季戊四醇的复合物
所述加工润滑助剂复配重量比优选为2:1-0.5:1
一种所述高导热高灼热丝无卤阻燃石墨烯尼龙材料的准备方法，包括如下步骤：
将尼龙树脂于75-85℃真空烘箱中，烘烤4-6小时；
将导热剂、灼热丝协效剂复合物、无卤阻燃剂复合物、抗氧剂及加工助剂放入高低速混合机中，并将氨基硅烷偶联剂喷洒在导热剂和灼热丝协效剂复合物上并搅拌，先进行低速混合(3-7分钟，转速50-100转/分钟)，然后进行高速混合(1-6分钟，转速800-900转/分钟)；
将步骤(2)所得到的混合物中与步骤(1)所得到的尼龙树脂，在高速混合机中进行高速混合(1-8分钟，转速800-900转/分钟)；
步骤(3)所得到的混合物通过双螺杆挤出、拉条、切粒即可得到高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料。
步骤(4)中，双螺杆挤出机的加工参数为：一区温度：210-215℃，二区温度：220-225℃，三区温度：235-240℃，四区温度：240-245℃，五区温度：245-250℃，六区温度：250-255℃，七区温度：245-250℃，螺杆长径比为 40:1，螺杆转速为200-300转/分钟。
本发明采用大片径的石墨烯和纳米氧化铝作为导热添加剂，由于石墨烯具有超高的导热系数，且石墨烯具有2D平面结构，易于相互接触，纳米氧化铝的加入，填补了复合材料中石墨烯片之间的空隙，使得石墨烯与氧化铝之间形成能量输运通路，在基体分散时易于形成导热网络，因此极大提升了复合材料的导热性能。
本发明采用的灼热丝协效剂为超细粉体纳米层状滑石粉，在高灼热丝温度下产生一个多孔型隔热保护层，一旦加热，熔融的复合材料的粘度随着温度的升高而降低，并且使保护层迁移到表面。此外，纳米层滑石粉的热分解使产品表面生成催化位点，这些催化位点能催化形成一种稳定的炭化残留物。因此，能够在复合材料表面生成一种保护性屏障，限制了氧气、热量及可燃的挥发性降解产物向材料中扩散；另外高温下氧化锌能促使PA脱氢、氧化,并形成不饱和双键,进一步脱氢交联后结焦成炭,起到阻隔作用。因此滑石粉和氧化锌协同作用所生成紧密炭化层，可抑制聚合物材料的降解，防止热量渗透到内部，从而提升了复合材料灼热丝起燃温度；
本发明采用的异丁基次磷酸铝和氢氧化镁复合物这一类无卤阻燃剂，异丁基次膦酸铝分解成挥发性含磷化合物，该化合物一方面在气相捕获燃烧产生的自由基而抑制燃烧，另一方面起发泡剂的作用，使交联炭层膨胀而形成膨胀性炭层，该炭层通过隔热、隔氧及阻止分解产物挥发或进一步分解成可燃物而产生阻燃；氢氧化镁受热分解后释放出水气，一方面可以降低材料的温度，阻止材料的燃烧。另一方面还可以起稀释作用；氢氧化镁分解生成的氧化镁，可以在材料燃烧的表面形成一层膜，促进炭化层的生成，该炭化层可以阻止热量和氧气的进入，起到阻燃的作用；两者同时使用时，具有良好的协同阻燃作用。
本发明采用氨基硅烷偶联剂，由于经氨基硅烷偶联剂处理的改性填料，其表面接入了氨基基团，引入的氨基基团使得氨基化的改性填料与尼龙之间的界面粘结状况大大提高，从而提升了改性填料与尼龙树脂之间的相容性，进而提升了尼龙复合材料的力学性能。
本发明采用的N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺 (抗氧剂1098)和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)复合物的抗氧剂，其中N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺可以捕捉过氧化自由基，三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯在分解过氧化物的同时还能蛰合金属离子，防止尼龙树脂氧化导致力学性能下降。
本发明采用的乙撑双硬脂酰胺和季戊四醇复合物的加工润滑剂，由于乙撑双硬脂酰胺与改性填料具有较强的亲和力，故其可提高改性填料在尼龙树脂中的分散性，另外季戊四醇在加工中，起到润滑的作用，提升了尼龙树脂的流动性，两者搭配使用，极大提升了改性填料在尼龙树脂中的分散性，从而使得改性填料的改性效率极大提升。
本发明的有益效果为：
本发明采用的大片径石墨烯和纳米氧化铝作为导热添加剂，极大提升了复合材料导热性能；用超细粉体纳米层状滑石粉和氧化锌作为灼热丝协效剂，提升了复合材料的灼热丝起燃温度；用异丁基次磷酸铝和氢氧化镁作为阻燃剂，阻燃效率高，同时避免了含卤阻燃剂在阻燃过程中释放出具有强致癌作用的卤化氢气体危害；抗氧剂的加入，避免了尼龙树脂因氧化导致力学性能下降；氨基硅烷偶联剂的加入提升了尼龙复合材料的力学性能；乙撑双硬脂酰胺和季戊四醇作为加工润滑剂，极大提升了改性填料的改性效率；总而言之，本发明产品同时具备高导热、高灼热丝、高力学性能以及无卤阻燃的特性。
具体实施方法
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施范围并不限于此
实施案例1
一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料，它由以下重量份的原料组成
其中，所述PA66树脂的粘度为2.7，本发明采用平顶山神马牌号为EPR27 的产品。
其中，所述PA6树脂的粘度为2.4，本发明采用中国台湾集盛牌号为TP-4208 的产品。
其中，所述氨基硅烷偶联剂为南京裕德恒精细化工有限公司的产品。
其中，所述大片径石墨烯为美国XG Science型号为M25的产品。
其中，所述纳米氧化铝为佛山金戈新型材料有限公司型号为DR-50L的产品。
其中，所述纳米滑石粉为丹东天赐阻燃材料型号为TC-AAA的产品。
其中，所述氧化锌为淄博海顺锌业有限公司的产品。
其中，所述异丁基次磷酸铝为天津金鼎润贸易有限公司的产品。
其中，所述氢氧化镁为辽宁精华新材料股份有限公司型号为BR-3000的产品。
其中，所述乙撑双硬脂酰胺为四川天宇油脂化学有限公司的产品。
其中，所述季戊四醇为保定国秀化工有限公司的产品。
其中，抗氧剂1098和168为宿迁联盛化学的产品。
一种高导热、高灼热丝、无卤阻燃尼龙复合材料的制备方法，它包括以下制备步骤：
(1)将尼龙树脂于80℃真空烘箱中，烘烤4小时；
(2)将导热剂、灼热丝协效剂复合物、无卤阻燃剂复合物、抗氧剂及加工助剂放入高低速混合机中，并将氨基硅烷偶联剂喷洒在导热剂和灼热丝协效剂复合物上并搅拌，先进行低速混合(4分钟，转速50转/分钟)，然后进行高速混合(2分钟，转速900转/分钟)；
(3)将步骤(2)所得到的混合物中与步骤(1)所得到的尼龙树脂，在高速混合机中进行高速混合(2分钟，转速900转/分钟)；
(4)步骤(3)所得到的混合物通过双螺杆挤出、拉条、切粒即可得到高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料。
步骤(4)中，双螺杆挤出机的加工参数为：一区温度：215℃，二区温度：225℃，三区温度：235℃，四区温度：245℃，五区温度：250℃，六区温度：255℃，七区温度：250℃，螺杆长径比为40:1，螺杆转速为250转/分钟。
实施案例2
一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料，它由以下重量份的原料组成
其中，所述PA66树脂的粘度为2.7，本发明采用平顶山神马牌号为EPR27 的产品。
其中，所述PA6树脂的粘度为2.4，本发明采用中国台湾集盛牌号为TP-4208 的产品。
其中，所述氨基硅烷偶联剂为南京裕德恒精细化工有限公司的产品。
其中，所述大片径石墨烯为美国XG Science型号为M15的产品。
其中，所述纳米氧化铝为佛山金戈新型材料有限公司型号为DR-50L的产品。
其中，所述纳米滑石粉为丹东天赐阻燃材料型号为TC-AAA的产品。
其中，所述氧化锌为淄博海顺锌业有限公司的产品。
其中，所述异丁基次磷酸铝为天津金鼎润贸易有限公司的产品。
其中，所述氢氧化镁为辽宁精华新材料股份有限公司型号为BR-4000的产品。
其中，所述乙撑双硬脂酰胺为四川天宇油脂化学有限公司的产品。
其中，所述季戊四醇为保定国秀化工有限公司的产品。
其中，抗氧剂1098和168为宿迁联盛化学的产品。
一种高导热、高灼热丝、无卤阻燃尼龙复合材料的制备方法，它包括以下制备步骤：
(1)将尼龙树脂于80℃真空烘箱中，烘烤4小时；
(2)将导热剂、灼热丝协效剂复合物、无卤阻燃剂复合物、抗氧剂及加工助剂放入高低速混合机中，并将氨基硅烷偶联剂喷洒在导热剂和灼热丝协效剂复合物上并搅拌，先进行低速混合(3分钟，转速45转/分钟)，然后进行高速混合(1分钟，转速850转/分钟)；
(3)将步骤(2)所得到的混合物中与步骤(1)所得到的尼龙树脂，在高速混合机中进行高速混合(1分钟，转速800转/分钟)；
(4)步骤(3)所得到的混合物通过双螺杆挤出、拉条、切粒即可得到高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料。
步骤(4)中，双螺杆挤出机的加工参数为：一区温度：210℃，二区温度：223℃，三区温度：237℃，四区温度：248℃，五区温度：250℃，六区温度：258℃，七区温度：255℃，螺杆长径比为40:1，螺杆转速为265转/分钟。
实施案例3
一种高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料，它由以下重量份的原料组成
其中，所述PA66树脂的粘度为2.7，本发明采用平顶山神马牌号为EPR27 的产品。
其中，所述PA6树脂的粘度为2.4，本发明采用中国台湾集盛牌号为TP-4208 的产品。
其中，所述氨基硅烷偶联剂为南京裕德恒精细化工有限公司的产品。
其中，所述大片径石墨烯为美国XG Science型号为M5的产品。
其中，所述纳米氧化铝为佛山金戈新型材料有限公司型号为DR-50L的产品。
其中，所述纳米滑石粉为丹东天赐阻燃材料型号为TC-AAA的产品。
其中，所述氧化锌为淄博海顺锌业有限公司的产品。
其中，所述异丁基次磷酸铝为天津金鼎润贸易有限公司的产品。
其中，所述氢氧化镁为辽宁精华新材料股份有限公司型号为BR-4500的产品。
其中，所述乙撑双硬脂酰胺为四川天宇油脂化学有限公司的产品。
其中，所述季戊四醇为保定国秀化工有限公司的产品。
其中，抗氧剂1098和168为宿迁联盛化学的产品。
一种高导热、高灼热丝、无卤阻燃尼龙复合材料的制备方法，它包括以下制备步骤：
(1)将尼龙树脂于80℃真空烘箱中，烘烤4小时；
(2)将导热剂、灼热丝协效剂复合物、无卤阻燃剂复合物、抗氧剂及加工助剂放入高低速混合机中，并将氨基硅烷偶联剂喷洒在导热剂和灼热丝协效剂复合物上并搅拌，先进行低速混合(4分钟，转速40转/分钟)，然后进行高速混合(1.5分钟，转速800转/分钟)；
(3)将步骤(2)所得到的混合物中与步骤(1)所得到的尼龙树脂，在高速混合机中进行高速混合(1.5分钟，转速870转/分钟)；
(4)步骤(3)所得到的混合物通过双螺杆挤出、拉条、切粒即可得到高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料。
步骤(4)中，双螺杆挤出机的加工参数为：一区温度：213℃，二区温度：227℃，三区温度：235℃，四区温度：244℃，五区温度：253℃，六区温度：257℃，七区温度：252℃，螺杆长径比为40:1，螺杆转速为245转/分钟。
对比例1
不添加导热剂，其他与实施案例1相同。
对比例2
不添加灼热丝协效剂，其他与实施案例1相同
对比例3
不添加无卤阻燃剂，其他与实施案例1相同
由表中可见，本发明制备的高导热、高灼热丝、无卤阻燃尼龙材料导热率高、灼热丝起燃温度高、阻燃性能好、力学性能好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高导热高灼热丝无卤阻燃石墨烯尼龙材料，由以下按以重量份计算的组分组成：PA树脂40-70份；无卤阻燃剂复合物9-30份；导热剂10-20份；灼热丝协效剂复合物2-10份；偶联剂2-6份；抗氧剂0.2-0.5份；加工润滑助剂0.5-1份。
2.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述复合偶联剂为氨基硅烷偶联剂；所述尼龙树脂为PA66和PA6的复合物。
3.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述尼龙树脂复配比重为5:1-1:1；所述无卤阻燃剂复合物优选为异丁基次磷酸铝和氢氧化镁的复合物。
4.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述无卤阻燃剂复合物复配重量比优选为5:1-3:1；所述导热剂优选为大片径石墨烯和纳米氧化铝的复合物；所述导热剂复合物复配比重为1:20-1:50。
5.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述灼热丝协效剂优选为超细粉体纳米层状滑石粉和氧化锌的复合物；所述灼热丝协效剂复配比重为10:1-5:1。
6.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述抗氧剂为N,N'-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的复合物；所述抗氧剂复配比重为4:1-1:1。
7.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料，其特征在于：所述加工润滑助剂优选为乙撑双硬脂酰胺和季戊四醇的复合物；所述加工润滑助剂复配重量比优选为2:1-0.5:1。
8.如权利要求1所述的石墨烯尼龙材料的准备方法，包括如下步骤：
(1)将尼龙树脂于75-85℃真空烘箱中，烘烤4-6小时；
(2)将导热剂、灼热丝协效剂复合物、无卤阻燃剂复合物、抗氧剂及加工助剂放入高低速混合机中，并将氨基硅烷偶联剂喷洒在导热剂和灼热丝协效剂复合物上并搅拌，先进行低速混合(3-7分钟，转速50-100转/分钟)，然后进行高速混合(1-6分钟，转速800-900转/分钟)；
(3)将步骤(2)所得到的混合物中与步骤(1)所得到的尼龙树脂，在高速混合机中进行高速混合(1-8分钟，转速800-900转/分钟)；
(4)步骤(3)所得到的混合物通过双螺杆挤出、拉条、切粒即可得到高导热高灼热丝无卤阻燃尼龙复合材料。
步骤(4)中，双螺杆挤出机的加工参数为：一区温度：210-215℃，二区温度：220-225℃，三区温度：235-240℃，四区温度：240-245℃，五区温度：245-250℃，六区温度：250-255℃，七区温度：245-250℃，螺杆长径比为40:1，螺杆转速为200-300转/分钟。
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