CN108976613A - 一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物 - Google Patents

一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其包含：可交联的三元共聚物，所述三元共聚物包含丙烯单体单元、含有硅烷基的共聚单体单元和含有极性基团的共聚单体单元；金属硫酸盐填料；硅氧烷流体或胶体；和氧化物；含有极性基团的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5‑20wt％；并且含有硅烷基的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5‑10wt％。

Description

一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物
技术领域
本发明涉及包含可交联的三元共聚物、金属硫酸盐填料和硅氧烷流体或胶体的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，所述可交联的三元共聚物含有丙烯单体单元、含有硅烷基的共聚单体单元和含有极性基团的共聚单体单元。
背景技术
各种各样的阻燃聚合物材料已用作用于生活中的方方面面，包括运输工具内装饰、各类电缆的电绝缘、屏蔽材料、包装袋等。
这样的聚合物材料除了具有适当的介电性能，还必须承受并必须大幅保留它们的初始性能以在多年的使用中具有有效的安全和环保性能。
这样的材料还必须符合国家标准所规定的严格的安全要求。
阻燃剂是在抑制或抵抗火势蔓延的聚合物中使用的化学品。为提高用于材料中的聚合物的阻燃性，首先将含有卤化物的化合物加入到聚合物中。然而，这些化合物具有燃烧时释放诸如卤化氢的有害、腐蚀性气体的缺点。
随后，一种在不含卤素的聚合物组合物中实现高阻燃性的方法为添加大量的无机填料，例如羟基化合物。这样的填料在200至600℃的温度下吸热分解，释放出惰性气体。使用大量填料的缺点是使加工性和聚合物组合物的机械性能劣化。
EP393959公开了一种实质上不含卤素化合物，而含有有机金属、硅氧烷流体或胶体以及无机填料的阻燃聚合物组合物，所述有机金属包含乙烯与选自由丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸烷基酯、丙烯酸、甲基丙烯酸和乙酸乙烯酯组成的组中的一种或多种共聚单体的共聚物。所述专利还涉及所谓的北欧化工CaSiCo体系(BorealisCaSiCosystem)。但是，所述体系不满足破碎抗性测试，因此，不能用于UL1581卧式应用工业和商业建筑的应用。此外，对于工业和商业电缆的美国标准UL44和各标准要求电缆交联。因此，对于CaSiCo体系，需要考虑一个额外的步骤，即添加交联剂。更进一步地，CaSiCo体系的滴落现象是相当显著。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，包含：
a可交联的三元共聚物，所述三元共聚物包含丙烯单体单元、含有硅烷基的共聚单体单元和含有极性基团的共聚单体单元；
b金属硫酸盐填料；
c硅氧烷流体或胶体；和
d氧化物；
其中，所述含有极性基团的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5-20wt％；
并且含有硅烷基的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5-10 wt％；
其中，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的70-85wt％的量存在。
其中，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为0.5-9g/10min。
其中，所述金属硫酸盐填料以所述总聚合物组合物的8-16wt％的量存在。
其中，所述硅氧烷流体或胶体以所述总聚合物组合物的2-16wt％的量存在。
其中，所述氧化物以所述总聚合物组合物的1.5-4wt％的量存在。
其中，还包含0.2-0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物的制备方法如下：
将0.1mmol Ti2O3、0.05mmol 对甲基苯乙醇和0.6mmol草酸溶于15mL H2O和3 mL DMF的混合溶液中。室温搅拌1h后用叔丁胺调pH值5.5-6.5，并持续搅拌3-4h后，将混合溶液转移至具有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，与120℃烘箱中旋转加热18h，去除冷却至室温，产品经过滤和蒸馏水洗涤，室温干燥后，得到Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
具有以下有益效果：
本发明的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物具有很好的阻燃性，对环境友好，同时可以广泛的使用于各类材料中。
具体实施方式
根据本发明的阻燃聚合物组合物包含可交联的三元共聚物，所述三元共聚物含有丙烯单体单元、含有硅烷基的共聚单体单元和含有除硅烷基之外的极性基团共聚单体单元。
三元共聚物是指一种包含三种不同类型的单体或共聚单体的聚 合物，优选其由三种不同的单体或共聚单体组成。
根据一个优选的实施方式，所述含有极性基团的共聚单体单元选自丙烯酸、乙基丙烯酸、丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯和乙烯基酯组成。
优选地，所述含有极性基团的共聚单体单元选自羧酸乙烯酯、(甲基)丙烯酸酯、烯属不饱和羧酸和乙烯基醚组成。
在这些共聚单体单元中，特别优选具有2或3个碳原子的一元羧酸的乙烯基酯，和具有2或3个碳原子的醇的(甲基) 丙烯酸酯。
特别优选的共聚单体单元是丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸甲酯。可以组合使用两种或更多种这样的烯属不饱和化合物。
所述三元共聚物中的所述含有极性基团的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5-20wt％。
为实现交联，所述三元共聚物还包含含有硅烷基的共聚单体单元。 优选地，所述含有硅烷基的共聚单体单元由下式表示：
R1SiR2 qY3-q (I)
其中R1是烯键式不饱和烃基，烃氧基或(甲基)丙烯酰氧基烃基，
R2为脂肪族饱和烃基，
Y可以是相同的或不同的，是可水解的有机基团，并且q为1或 2。
所述含有硅烷基的共聚单体单元的实例是那些其中R1是乙烯基、烯丙基、异丙烯基、丁烯基或γ-(甲基)丙烯酰氧基丙基；Y是甲氧基、乙氧基、甲酰氧基、乙酰氧基、丙酰氧基或芳基氨基；并且R2，是甲基、乙基、丙基或苯基。
优选的含有硅烷基的共聚单体单元由下式表示：
CH2＝CHSi(OA)3 (II)
其中A是具有2-6个碳原子。
优选的含有硅烷基的共聚单体单元为丙烯基三甲氧基硅烷、丙烯 基二甲氧基乙氧基硅烷、丙烯基三乙氧基硅烷、γ-(甲基)丙烯酰基-氧 丙基三甲氧基硅烷、丙烯基三乙酰氧基硅烷。
所述含有硅烷基的共聚单体单元以所述三元共聚物的5-10wt％。
可以通过接枝，或者，优选地，通过共聚丙烯单体和含有硅烷基团和极性基团的不饱和单体来制备含有丙烯单体单元、硅烷基共聚单体单元和极性基团共聚单体单元的所述三元共聚物。
接枝是通常在自由基反应中通过加成含有硅烷基的化合物的聚合物的化学修饰。这样的含有硅烷基的共聚单体和化合物是本领域所公知的，并且例如是商业可购得的。然后通常以本领域中已知的方式通过在硅烷醇缩合催化剂和H2O的存在下的水解和随后的缩合对所述可水解的硅烷基进行交联。硅烷交联技术是已知的，并被描述于例如US4,351,876、US4,397,981、US4,446,283和US4,456,704中。
可以根据EP1923404对丙烯单体与含硅烷基和极性基团的不饱和单体进行共聚。
所述三元共聚物优选以所述总聚合物组合物的70-85wt％的量。
优选地，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为0.5-9g/10min。
所述阻燃聚合物组合物还包含硅氧烷流体或胶体。合适的硅氧烷流体或胶体包括例如包含化学结合的甲硅烷氧基单元的有机聚硅氧烷聚合物。优选地，所述甲硅烷氧基单元选自R2SiO、RR1SiO、R1 2SiO、RSiO1.5和SiO2单元以及它们的混合物组成的组，其中每个R独立地代表饱和或不饱和的一价烃基，并且每个R1表示诸如R的基团或选自由氢原子、羟基，烷氧基，芳基，乙烯基或烯丙基组成的组的基团。
根据本发明的组合物中包括的硅氧烷流体或胶体的量优选为所述总聚合物组合物的2-16wt％。
所述阻燃聚合物组合物还包含金属硫酸盐填料。所述金属硫酸盐填料优选为镁和/或铝的硫酸盐。
根据本发明的组合物中包含的金属硫酸盐填料的量为所述总组合物的15-55wt％。
所述金属碳酸盐填料通常具有小于10微米的平均粒度。
所述阻燃聚合物组合物可以通过使用诸如常规的复合或混合设备（例如班伯里混合机、双辊橡胶研磨机或双螺杆挤出机）的任何合适的方式将所述三元共聚物、所述硅氧烷流体或胶体和所述金属碳酸盐填料混 合在一起。通常地，在足够高使所述三元共聚物软化和增塑的温度下， 通过将上述各组分一起混合来制备所述组合物，所述温度典型地在120-300℃的范围内。
本发明的聚合物组合物包含氧化剂。优选地是所述氧化剂为氧化镁、氧化铝、氧化钙和氧化钠。
测试方法
除非在说明书或权利要求书中另有说明，否则用以下的方法测量在上文总体上限定的和在权利要求书中以及在下面的实施例中所定义的性能。除非另有说明，否则按照给定的标准制备样品。
滴落测试
这种方法意在确定当燃烧时配方液滴有什么不同。
使用大小为8目、直径为150mm的金属网。
将每个聚合物组合物的测试板压成3.0mm厚，并切成55×55mm的面积。
在测试之前，将样品保持在23℃、50％相对湿度的条件下至少16小时。然后在通风橱中进行该测试。通风橱内的温度应为(23±10)℃。
当更换气瓶时进行流量计校准。校准记录器，并且流量计的流量设定为丁烷：650±30ml/min(23℃，100kPa)。将板放置在网的中间。
点燃燃烧器，稳定火焰约120mm，内部蓝色火焰约45mm。将燃烧器向样品中心倾斜45度角放置，并且内部蓝色火焰的前端触及测试对象的表面的中心。在整个测试进行期间，将燃烧器保持在这个位置。取决于材料的易燃性，测试时间变化很大。当样品停止燃烧时，移除燃烧器。每个样品至少进行三次测试。
在底部水浴中收集液滴。将水干燥掉，将液滴称重。将残留的干燥液滴的重量除以原质量(m/m)，并计算为原质量的wt％。该测试是一个可比较的测试，可以划分可比较的材料。
水平燃烧测试
该方法确定在水平位置上，简单绝缘的铜导线对火焰蔓延的抗性。 这个方法基于UL1581FT2火焰测试。
用本生灯点燃每条材料，在30秒后移走本生灯。燃烧的材料的长度应小于10cm，才算通过测试。
表面分析
目视检查材料表面，并分为四组。
非常光滑的表面：在材料表面未观察到团块；
光滑的表面：在材料表面观察到很少的团块<0.2mm；
粗糙的表面：在材料表面观察到很多团块<0.2mm，并且有些团 块>0.2mm；
非常粗糙的表面：在材料表面观察到很多团块>0.2mm。
实施例1
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
实施例2
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为20wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
实施例3
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为10wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
实施例4
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的16wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
实施例5
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的16wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
实施例6
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的4wt％。
实施例7
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为20wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为10wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的16wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的16wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的4wt％。
实施例8
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为10wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为7wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的12wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的9wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的3wt％。
实施例9
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％，包含0.2wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
实施例10
使用丙烯/丙烯酸乙酯/丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷的三元共聚物，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述三元共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述三元共聚物中的丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷含量为5wt%，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％，包含0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
比较组1
使用丙烯/丙烯酸乙酯共聚物，所述共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
比较组2
使用丙烯/丙烯酸乙酯共聚物，所述共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述共聚物中的丙烯酸乙酯含量为20wt%，所述共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
比较组3
使用丙烯/丙烯酸乙酯共聚物，所述共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的16wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
比较组4
使用丙烯/丙烯酸乙酯共聚物，所述共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的16wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的1.5wt％。
比较组5
使用丙烯/丙烯酸乙酯共聚物，所述共聚物的MFR2.36，200℃为2g/10min，所述共聚物中的丙烯酸乙酯含量为5wt%，所述共聚物以所述总聚合物组合物的80wt％，所述金属硫酸镁填料以所述总聚合物组合物的8wt％的量存在，所述聚二乙基硅氧烷以所述总聚合物组合物的2wt％，所述氧化铝以所述总聚合物组合物的4wt％。
表1
项目 聚合物wt% 丙烯酸乙酯wt% 丙烯基二甲氧基乙氧基硅烷wt% 硫酸镁wt% 聚二乙基硅氧烷wt% 氧化铝wt% Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物wt%
实施例1 80 5 5 8 2 1.5 0
实施例2 80 20 5 8 2 1.5 0
实施例3 80 5 10 8 2 1.5 0
实施例4 80 5 5 16 2 1.5 0
实施例5 80 5 5 8 16 1.5 0
实施例6 80 5 5 8 2 4 0
实施例7 80 20 10 16 16 4 0
实施例8 80 10 7 12 9 3 0
实施例9 80 5 5 8 2 1.5 0.2
实施例10 80 5 5 8 2 1.5 0.6
比较组1 80 5 0 8 2 1.5 0
比较组2 80 20 0 8 2 1.5 0
比较组3 80 5 0 16 2 1.5 0
比较组4 80 5 0 8 16 1.5 0
比较组5 80 5 0 8 2 4 0
表2
项目 滴落测试% 水平燃烧测试 表面光滑度
实施例1 6.5 通过 光滑
实施例2 4.9 通过 光滑
实施例3 3.7 通过 光滑
实施例4 3.3 通过 光滑
实施例5 4.1 通过 光滑
实施例6 2.8 通过 光滑
实施例7 6.1 通过 光滑
实施例8 5.8 通过 光滑
实施例9 0 通过 非常光滑
实施例10 0 通过 非常光滑
比较组1 45.2 未通过 粗糙
比较组2 43 未通过 粗糙
比较组3 38.7 未通过 粗糙
比较组4 39.4 未通过 粗糙
比较组5 36.9 未通过 粗糙

Claims (10)

1.一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其特征在于，包含：
a可交联的三元共聚物，所述三元共聚物包含丙烯单体单元、含有硅烷基的共聚单体单元和含有极性基团的共聚单体单元；
b金属硫酸盐填料；
c硅氧烷流体或胶体；和
d氧化物；
其中，所述含有极性基团的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5-20wt％；
并且含有硅烷基的共聚单体单元的含量为所述三元共聚物的5-10wt％。
2.根据权利要求1所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，所述三元共聚物以所述总聚合物组合物的70-85wt％的量存在。
3.根据权利要求1或2所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，所述三元共聚物的MFR2.36，200℃为0.5-9g/10min。
4.根据权利要求1或2所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，所述金属硫酸盐填料以所述总聚合物组合物的8-16wt％的量存在。
5.根据权利要求1或2所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，所述硅氧烷流体或胶体以所述总聚合物组合物的2-16wt％的量存在。
6.根据权利要求1或2所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，所述氧化物以所述总聚合物组合物的1.5-4wt％的量存在。
7.根据权利要求1或2所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，还包含0.2-0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
8.根据权利要求3所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，还包含0.2-0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
9.根据权利要求4所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，还包含0.2-0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
10.根据权利要求5所述的一种离火自熄且无滴落的阻燃聚合物，其中，还包含0.2-0.6wt％的Ti2O3-对甲基苯乙醇-草酸配合物。
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