CN107383866A - 阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳应用 - Google Patents

阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳应用，该材料由(重量份)尼龙50‑70份、玻璃纤维15‑40份、氰尿酸三聚氰胺盐8‑15份、超支化环氧树脂0.5‑5份、加工助剂0‑5份的材料组成。该阻燃增强尼龙复合材料通过现有的双螺杆挤出机制备。本发明中，通过尼龙、玻璃纤维以及氰尿酸三聚氰胺盐、超支化环氧树脂复合，使得本发明阻燃增强尼龙复合材料具有高耐热性能、高机械性能、良好的尺寸稳定性、优异的散热性能，该材料能够满足高安培断路器使用性能，特别适合用于制备100A以上断路器外壳。

Description

阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳 应用
技术领域
本发明涉及断路器外壳材料技术领域，具体涉及一种阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳应用。
背景技术
小型断路器作为终端保护电器，具有价格便宜、使用方便等优点，广泛用于建筑工程、民用照明领域。随着科技不断进步，人们对产品实用性和安全性也日益增加，当前主流的普通C45断路器外壳材料，由于材料耐电弧、耐老化等性能较差，无法用于高电流电器领域。同时，断路器结构的简单化、轻量化、薄壁化也是未来的发展趋势，这就要求断路器外壳材料具有更高的使用性能，从而确保材料的长期使用安全性。
目前，小型断路器外壳料的材料主要是阻燃增强尼龙或者阻燃填充尼龙。普通C45断路器外壳料额定电流为45A，材料无法满足100A以上断路器使用性能，并且断路器外壳更薄，这就需要尼龙材料具有更高的机械性能、耐热性能等。断路器在工作过程中由于电流的长期作用产生大量的热，并且产生的热量随着断路器额定电流的增加而增加，如果尼龙材料性能不达标则会出现断路器外壳熔化、击穿，从而造成断路器无法正常工作。通常通过添加长玻纤提高材料强度，耐热性能好，但是容易造成尼龙制件严重翘曲，尺寸稳定性差，无法满足使用。采用部分矿物替代玻纤可以有效缓解尼龙材料的翘曲，但是矿物的引入造成材料刚性、韧性和耐热性能大幅度降低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术存在的缺陷，提供一种阻燃增强尼龙复合材料及其制备方法和在制备断路器外壳应用，该材料具有高耐热性能、高机械性能、尺寸稳定、散热性能佳，可用于制备高安培断路器外壳材料。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种阻燃增强尼龙复合材料，由以下重量份的材料组成：
进一步优选，所述的阻燃增强尼龙复合材料，由以下重量份的材料组成：
本发明中，通过尼龙、玻璃纤维以及氰尿酸三聚氰胺盐、超支化环氧树脂复合，能够产生协同作用，各特定含量的组分组合在一起，能够相互作用，相互促进，使得本发明阻燃增强尼龙复合材料具有高耐热性能、高机械性能、良好的尺寸稳定性、优异的散热性能，该材料能够满足高安培断路器使用性能，特别适合用于制备100A以上断路器外壳。
以下作为本发明的优选技术方案：
所述的尼龙为PA6、PA66中的一种或两种。
所述的玻璃纤维为无碱短切玻纤，经过氨基类偶联剂处理，直径为5～15μm，长度为1.5～5mm，进一步优选，直径为9μm～12μm，长度为3mm～4.5mm。
所述的加工助剂为抗氧剂、润滑剂和成核剂。
更进一步优选，所述的阻燃增强尼龙复合材料，由以下重量份的材料组成：
最优选，所述的阻燃增强尼龙复合材料，由以下重量份的材料组成：
一种阻燃增强尼龙复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将尼龙与超支化环氧树脂混合后，与氰尿酸三聚氰胺盐、玻璃纤维、加工助剂由双螺杆挤出机主喂料口进料，经过双螺杆输送和剪切作用下，材料充分熔融塑化后，拉条、冷却、切粒得到阻燃增强尼龙复合材料。
所述的双螺杆挤出机中熔融塑化的温度为220℃-265℃，螺杆转数为400rpm/min～600rpm/min。
所述的超支化环氧树脂的制备，包括：
在反应釜中将1,3,5-均三苯甲酰氯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，将N,N-二羟己基甲苯和三乙醇胺溶解在N,N-二甲基甲酰胺中逐滴加入到反应釜中，反应温度采取冰水浴控制在0-5℃，滴完后继续保持反应0.5h～2h，随后升温至20℃～30℃反应18h～30h，反应结束后再加入2,3-环氧-1-丙醇继续搅拌反应8h～12h，随后加入水将剩余酰氯基团反应，最后通过过滤、再生提纯得到超支化环氧树脂。
所述的1,3,5-均三苯甲酰氯、N,N-二羟己基甲苯、三乙醇胺、2,3-环氧-1-丙醇的摩尔比为2：1.5～2.5：2.5～3.5：0.5～1.5。
进一步优选，在反应釜中将1,3,5-均三苯甲酰氯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，将N,N-二羟己基甲苯和三乙醇胺溶解在N,N-二甲基甲酰胺中逐滴加入到反应釜中，反应温度采取冰水浴控制在0-5℃，滴完后继续保持反应1h，随后升温至25℃反应24h，反应结束后再加入2,3-环氧-1-丙醇继续搅拌反应12h，随后加入水将剩余酰氯基团反应，最后通过过滤、再生提纯得到超支化环氧树脂。
所述的1,3,5-均三苯甲酰氯、N,N-二羟己基甲苯、三乙醇胺、2,3-环氧-1-丙醇的摩尔比为2：2：3：1。
本发明阻燃增强尼龙复合材料具有高耐热性能、高机械性能、良好的尺寸稳定性、优异的散热性能，该材料能够满足高安培断路器使用性能，该材料适合用于制备断路器外壳，特别适合用于制备100A以上断路器外壳。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的创新点在于从高安培断路器外壳材料特点着手，从材料耐温性能、高强度、尺寸稳定性等多方面考虑。与现有技术相比，本发明的有益效果是：仅采用长玻纤增强尼龙，材料制件翘曲严重，尺寸稳定性差；采用短切纤维或矿物填充尼龙，材料的强度和耐热性能差，不能兼顾材料的强度、耐热性以及尺寸稳定性。
本发明创新点之一在于：采用短切纤维增强尼龙，配合螺杆组合控制玻纤长度，减少玻纤尺寸，使得材料各向差异小，无翘曲；
创新点之二在于：采用超支化环氧树脂作为多功能助剂，超支化环氧树脂中含有酰胺基团与尼龙具有较好的相容性，环氧基团可以和尼龙分子和玻纤表面的氨基发生化学作用，提高玻纤在尼龙基料中的分散和界面粘接强度，同时超支化环氧树脂作为交联剂，环氧基团与不同尼龙分子中氨基反应得到微交联尼龙，从而大幅度提高尼龙材料的强度、韧性、耐热性以及尺寸稳定性，确保材料适用于高安培断路器外壳长期高温作用下的稳定性和安全性。除此之外，环氧树脂的超支化结构在高剪切作用下具有高流动性能，可以避免环氧树脂交联引起的材料流动性差问题，从而保证材料的流动性能，降低材料注塑压力从而提高材料的同向性与尺寸稳定性。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
尼龙66(华峰，1106)、尼龙6(新绘，2500)、超支化环氧树脂(自备)、短切玻纤(巨石，无碱短切玻纤，直径为9～12μm，长度3-4.5mm)、润滑剂TAF(兴泰国光)、成核剂CH11(广州呈和)、长玻纤(巨石，长度13μm)
实施例1～3以及对比例1～2
超支化环氧树脂的制备方法：在反应釜中将2mol 1,3,5-均三苯甲酰氯溶解在DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中，将2mol N,N-二羟己基甲苯和3mol三乙醇胺溶解在DMF中通过漏斗逐滴加入反应釜，反应温度采取冰水浴控制在0-5℃反应1h，随后升温至25℃反应24h。反应结束后再加入1mol 2,3-环氧-1-丙醇继续搅拌反应12h，随后加入水将剩余酰氯基团反应。通过过滤、再生提纯得到超支化环氧树脂。
将尼龙66、尼龙6与超支化环氧树脂高速搅拌混合5min后与短切玻纤、氰尿酸三聚氰胺盐(MCA)以及抗氧剂1098、润滑剂TAF和成核剂CH11混合经过双螺杆物理挤出和化学反应后拉条、冷却、造粒得到产品，双螺杆混合挤出温度为240-250℃，螺杆转数为500rpm/min，。
实施例1-3材料配比具体见表1。
表1
原料 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
PA66 30 30 30 30 30
PA6 30 30 30 30 30
MCA 12 12 12 12 12
玻纤 30 30 30 30长玻纤 30
抗氧剂1098 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
润滑剂TAF 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
成核剂CH11 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
超支化环氧树脂 0.5 1 2 0 0
所得粒料按照ISO测试标准注塑成相应样条，然后在23±2℃、50±5％相对湿度的环境下放置24h后进行测试；按照ISO527标准测量拉伸强度；按照ISO178标准测量弯曲强度；按照ISO179标准测量Charpy(夏比冲击试验)无缺口冲击强度；按照ISO75标准测量热变形温度，压力为1.82MPa。尼龙材料是否满足100A以上断路器外壳料通过断路器通过额定电流的1.45倍电流通电2h，通电期间断路器可以正常工作，并且外壳料没有发生熔化粘连现象极为合格。测试得到的结果如表2所示。
表2
实施例1-3所得尼龙增强阻燃材料具有高强度、低收缩、无翘曲、耐热好等有点，可以通过100A以上断路器长期通电破坏试验，适用于高安培断路器外壳材料的使用。
对比例1
对比例1与实施例1差别在于对比例1采用的是长玻纤，由于长玻纤增强尼龙材料玻纤长径比大，材料的机械性能好，但是存在翘曲严重，阻燃不稳定等缺点，无法满足断路器材料使用。
实施例2～3与对比例1对比，虽然长玻纤对力学性能提高有比较大的帮助，但是本发明实施例2～3采用了短切玻纤和1～2份超支化环氧树脂，也能够对力学性能的提高有很大帮助，加入了超支化环氧树脂后，使得本发明力学性能有了明显提高，基本与对比例1一致，同时，还具有低收缩、无翘曲、耐热好等有点，可以通过100A以上断路器长期通电破坏试验，适用于高安培断路器外壳材料的使用。
对比例2
对比例2与实施例1-3的区别在于没有使用超支化环氧树脂，使得材料机械性能低，耐热性差，无法满足断路器外壳使用。
上述仅为本发明的具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一种阻燃增强尼龙复合材料，其特征在于，由以下重量份的材料组成：
2.根据权利要求1所述的阻燃增强尼龙复合材料，其特征在于，由以下重量份的材料组成：
3.根据权利要求1所述的阻燃增强尼龙复合材料，其特征在于，所述的尼龙为PA6、PA66中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的阻燃增强尼龙复合材料，其特征在于，所述的玻璃纤维为无碱短切玻纤，直径为5～15μm，长度为1.5～5mm。
5.根据权利要求1所述的阻燃增强尼龙复合材料，其特征在于，所述的加工助剂为抗氧剂、润滑剂和成核剂。
6.根据权利要求1～5任一项所述的阻燃增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将尼龙与超支化环氧树脂混合后，与氰尿酸三聚氰胺盐、玻璃纤维、加工助剂由双螺杆挤出机主喂料口进料，经过双螺杆输送和剪切作用下，材料充分熔融塑化后，拉条、冷却、切粒得到阻燃增强尼龙复合材料。
7.根据权利要求6所述的阻燃增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述的双螺杆挤出机中熔融塑化的温度为220℃-265℃，螺杆转数为400rpm/min～600rpm/min。
8.根据权利要求6所述的阻燃增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述的超支化环氧树脂的制备，包括：
在反应釜中将1,3,5-均三苯甲酰氯溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，将N,N-二羟己基甲苯和三乙醇胺溶解在N,N-二甲基甲酰胺中逐滴加入到反应釜中，反应温度采取冰水浴控制在0-5℃，滴完后继续保持反应0.5h～2h，随后升温至20℃～30℃反应18h～30h，反应结束后再加入2,3-环氧-1-丙醇继续搅拌反应8h～12h，随后加入水将剩余酰氯基团反应，最后通过过滤、再生提纯得到超支化环氧树脂。
9.根据权利要求8所述的阻燃增强尼龙复合材料的制备方法，其特征在于，所述的1,3,5-均三苯甲酰氯、N,N-二羟己基甲苯、三乙醇胺、2,3-环氧-1-丙醇的摩尔比为2：1.5～2.5：2.5～3.5：0.5～1.5。
10.根据权利要求1～5任一项所述的阻燃增强尼龙复合材料在制备断路器外壳中的应用。
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