CN110698780A - 轻质阻燃吸能材料及其制备方法、车辆及其吸能部件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质阻燃吸能材料的生产方法，所述轻质阻燃吸能材料是聚苯乙烯树脂经发泡成型工艺生产而成，生产原料包括聚苯乙烯树脂，聚氯乙烯树脂和芳纶浆粕。本发明还公开了一种车辆吸能部件及包含该车辆吸能部件的车辆。本发明的优点是：1)本发明提供了一种新的车用轻质阻燃吸能材料，有助于车辆结构的轻量化发展。2)本发明解决了聚苯乙烯发泡材料易折断(脆性大)、耐冲击性差及易燃的问题，显著提高了聚苯乙烯发泡材料的吸能密度，使其能够作为车辆吸能材料进行应用。

Description

轻质阻燃吸能材料及其制备方法、车辆及其吸能部件
技术领域
本发明涉及一种吸能材料，尤其是一种车用吸能材料。
背景技术
车辆是人们出行的重要工具，其运行安全是人们关注的焦点，每年大量车辆安全事故的发生，给社会和个人带来了巨大的损失和痛苦，乘用车辆意外碰撞事故是我国乃至世界范围内发生频次较高、影响因素较多和造成严重伤害人数较多的交通事故。因而尽可能减少车辆撞击带来的危害是迫切需要解决的问题，因此，提高车辆碰撞保护性能就非常的必要，在众多研究基础上，“吸能材料”的概念应运而生。
吸能材料和结构主要依靠在碰撞过程中快速吸收撞击能量，减少乘员区域的撞击加速度，最大限度减少和降低对乘员的伤害。目前车用吸能材料主要包括薄壁管材，泡沫铝，泡沫钼，泡沫合金，聚氨酯泡沫等。这些材料因其具有优秀的吸能密度和阻燃性在车辆耐冲击性车体及结构设计中得到应用，但也存在一些问题需要进一步深入研究。
目前，车辆结构的轻量化发展趋势对吸能结构及吸能材料提出了更高的要求，在保证吸能密度和阻燃性的前提下研发密度更低的吸能材料将成为未来本领域的一个重要研究方向。
聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene简称EPS)是一种轻型高分子聚合物。它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂，同时加热，形成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。其具备质量轻的显著优点，但是由于EPS易折断(脆性大)、耐冲击性差及易燃等问题，致使其吸能密度过低(＜2J/cm3)，应用领域仅限于包装行业、建筑行业等对吸能材料吸能密度要求低的领域，而难以作为车用吸能材料进行应用。
发明内容
为了提高聚苯乙烯发泡材料的材料强度，提高其吸能密度，使聚苯乙烯发泡材料能够作为车用吸能材料进行应用；并提供一种新的轻质阻燃车用吸能材料。本发明提供了一种轻质阻燃吸能材料的生产方法。
本发明所采用的技术方案是：轻质阻燃吸能材料的生产方法，所述轻质阻燃吸能材料是聚苯乙烯树脂经发泡成型工艺生产而成，生产原料包括聚苯乙烯树脂，聚氯乙烯树脂和芳纶浆粕。
在本发明中，聚氯乙烯树脂的作用体现在两个方面：
一方面是聚氯乙烯树脂在高温加工过程中释放出HCl气体，使塑料熔体充满泡孔从而起到发泡的作用。
另一方面，芳纶浆粕是芳纶纤维经过无偶联剂后表面处理的芳纶纤维的短切形式，通过芳纶浆粕的转化，可以极大的提高纤维表面粗糙度，显著提高与树脂的结合能力，因此芳纶浆粕可以与PVC树脂形成很强的吸附力。在发泡过程中，PVC首先释放出HCl气体，而此时GPPS还是相对稳定的。在吸附力的作用下，芳纶浆粕引导PVC呈网状结构生长，形成PVC与芳纶浆粕复合而成的均匀的连续高韧性网状结构，最终达到利用网状结构“锁住”GPPS的目的，从而提高材料本身的强度。解决了聚苯乙烯发泡材料易折断(脆性大)、耐冲击性差的问题。同时，由于PVC内含有氯原子，而且PVC本身具有非常优异的阻燃性能，最终此复合体系达到了阻燃的效果。实验表明该方案能够显著提高材料的吸能密度，使其能够作为车辆吸能材料进行应用。而PVC本身所具有的优异拉伸强度对均匀的连续高韧性网状结构的形成起到了重要作用。
与此同时，利用芳纶浆粕与GPPS之间的附着力，在PVC未完全“包裹”住的芳纶浆粕纤维与GPPS形成“附着”后，增加了PVC与GPPS之间的联系，从而进一步加强材料的强度。
作为本发明的进一步改进，各原料用量的质量比例为：聚苯乙烯树脂70～80份，聚氯乙烯树脂20～35份，芳纶浆粕1～3份。
作为本发明的进一步改进，生产原料还包括碳酸氢钠。
在本发明中，碳酸氢钠的作用体现在两个方面。
一方面是发泡过程中PVC释放出HCl，使吸能材料本身呈现酸性，在长时间使用过程中可能导致车辆内部机械及电气结构受到腐蚀。加入碳酸氢钠后，碳酸氢钠能够与在加热过程中产生的HCl气体反应生成稳定的CO2和H2O，使材料本身具有近似于中性或偏碱性的状态，从而达到消除由于缓释作用致使车辆腐蚀等问题，起到保护车辆内部机械、电气结构的效果。
另一方面，碳酸氢钠与HCl气体反应可生成H2O，通过热成型冷却后，H2O在常温下冷却为液体，体积减小，从而使发泡体内部压力降低，有助于材料本身强度的提高及密实度的增加。
作为本发明的进一步改进，各原料用量的质量比例为：聚苯乙烯树脂70～80份，聚氯乙烯树脂20～35份，碳酸氢钠14～25份，芳纶浆粕1～3份。
本发明的轻质阻燃吸能材料可按照以下方法制备：
A、将聚氯乙烯树脂与碳酸氢钠进行充分混合，得到第一混合物；
B、将聚苯乙烯树脂加入到第一混合物中进行充分混合，得到第二混合物；
C、将芳纶浆粕加入到第二混合物中充分混合，得到第三混合物；
D、将第三混合物进行注塑，得到轻质阻燃吸能材料。
第一步，使PVC与碳酸氢钠进行混合，是由于PVC在加热过程中所产生的HCl要与碳酸氢钠反应，以至于获得最大的接触面积，以免受到混合不均匀的影响。
第二步，加入聚苯乙烯继续混合，混合过程中，由于发泡主体材料PVC和碳酸氢钠堆积密度相近，因此较易于混合，并且混合效果较好，从而形成较为均匀的混合物。
第三步，芳纶浆粕的密度最小，混合过程中避免高速混合“成球”所以要最后加入，同时降低混合速度(60～80r/min)，同时改用三维立体混合机进行处理，只有按照以上的混合顺序侧能达到最佳的效果。
更佳的，步骤D中注塑温度为160～225℃，停留时间为3～15min，模具温度为55～60℃。
更佳的，步骤A中混料转速为3000～5000r/min，步骤B中混料转速为2000～3000r/min，步骤C中混料转速为60～80r/min。
本发明还公开了一种轻质阻燃吸能材料，其即是本发明的轻质阻燃吸能材料的生产方法所制得。
本发明还公开了一种车辆吸能部件，该车辆吸能部件的特征是包括上述轻质阻燃吸能材料。
本发明还公开了一种车辆，该车辆的特征是包括上述车辆吸能部件。
本发明的有益效果是：1)本发明提供了一种新的车用轻质阻燃吸能材料，有助于车辆结构的轻量化发展。2)本发明解决了聚苯乙烯发泡材料易折断(脆性大)、耐冲击性差及易燃的问题，显著提高了聚苯乙烯发泡材料的吸能密度，使其能够作为车辆吸能材料进行应用。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例一：
(1)将PVC粉20份投入到高速混料机内，加入14份碳酸氢钠，在3000r/min的转速下进行高速混合8min。
(2)将聚苯乙烯颗粒70份中投入到步骤1所得混合物中，并在2000r/min的转速下，高速混合5min。
(3)将芳纶浆粕1份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在60r/min的转速下混合15min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度160℃，停留时间3min，模具温度55℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例二：
(1)将PVC粉25份投入到高速混料机内，加入17份碳酸氢钠，在3500r/min的转速下进行高速混合9min。
(2)将聚苯乙烯颗粒73份中投入到步骤1所得混合物中，并在2500r/min的转速下，高速混合7min。
(3)将芳纶浆粕1.5份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在70r/min的转速下混合20min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度175℃，停留时间5min，模具温度55℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例三：
(1)将PVC粉30份投入到高速混料机内，加入20份碳酸氢钠，在4500r/min的转速下进行高速混合10min。
(2)将聚苯乙烯颗粒75份中投入到步骤1所得混合物中，并在3000r/min的转速下，高速混合8min。
(3)将芳纶浆粕2份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在80r/min的转速下混合25min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度185℃，停留时间8min，模具温度55℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例四：
(1)将PVC粉(35)份投入到高速混料机内，加入25份碳酸氢钠，在5000r/min的转速下进行高速混合10min。
(2)将聚苯乙烯颗粒80份中投入到步骤1所得混合物中，并在3000r/min的转速下，高速混合10min。
(3)将芳纶浆粕2.5份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在(80)r/min的转速下混合25min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度195℃，停留时间10min，模具温度60℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例五：
(1)将PVC粉32份投入到高速混料机内，加入21份碳酸氢钠，在4500r/min的转速下进行高速混合8min。
(2)将聚苯乙烯颗粒75份中投入到步骤1所得混合物中，并在2000r/min的转速下，高速混合10min。
(3)将芳纶浆粕3份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在60r/min的转速下混合25min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度220℃，停留时间12min，模具温度55℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例六：
(1)将PVC粉35份投入到高速混料机内，加入14份碳酸氢钠，在5000r/min的转速下进行高速混合8min。
(2)将聚苯乙烯颗粒78份中投入到步骤1所得混合物中，并在3000r/min的转速下，高速混合5min。
(3)将芳纶浆粕3份与步骤2所得混合物投入到低速三维混合机内，在80r/min的转速下混合25min。
(4)将步骤3混合物投入到注塑机内，注塑温度225℃，停留时间15min，模具温度60℃。得到轻质阻燃吸能材料。
(5)对上述轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
实施例七：
与实施二进行对比实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：未加入碳酸氢钠，直接将聚苯乙烯颗粒和PVC进行混合。具体步骤为：
(1)将PVC粉25份、聚苯乙烯颗粒73份中投入到混合机内，并在2500r/min的转速下，高速混合7min。
(2)将芳纶浆粕1.5份与步骤1所得混合物投入到低速三维混合机内，在70r/min的转速下混合20min。
(3)将步骤2混合物投入到注塑机内，注塑温度175℃，停留时间5min，模具温度55℃。得到轻质阻燃吸能材料。
对制得的轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
对比例一：
泡沫铝材料
对上述泡沫铝材料进行性能检测，结果见表1。
对比例二：
与实施二进行对比实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：
(1)使用16份戊烷代替PVC；
(2)未使用芳纶浆粕；
(3)未使用碳酸氢钠。
对制得的轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
对比例三：
与实施二进行对比实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：(1)使用16份戊烷代替PVC。
(2)未使用碳酸氢钠。
对制得的轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
对比例四：
与实施二进行对比实验，按照与实施例二相同的条件设计，其区别仅在于：未使用芳纶浆粕。
对制得的轻质阻燃吸能材料进行性能检测，结果见表1。
表1：吸能材料性能比较表
密度(g/cm<sup>3</sup>) 阻燃性 吸能密度(J/cm<sup>3</sup>) 导热系数(W/(m·K))
实施例一 0.39 自熄 13 0.15
实施例二 0.43 自熄 19 0.25
实施例三 0.58 自熄 17 0.17
实施例四 0.51 自熄 14 0.11
实施例五 0.31 自熄 9 0.09
实施例六 0.29 自熄 11 0.21
实施例七 0.31 自熄(刺鼻酸味) 18 0.21
对比例一 0.72 自熄 18 0.26
对比例二 0.29 燃烧(刺鼻酸味) 7 0.11
对比例三 0.23 燃烧(刺鼻酸味) 5 0.16
对比例四 0.30 自熄 7 0.12

Claims (10)

1.轻质阻燃吸能材料的生产方法，所述轻质阻燃吸能材料是聚苯乙烯树脂经发泡成型工艺生产而成，生产原料包括聚苯乙烯树脂，聚氯乙烯树脂和芳纶浆粕。
2.根据权利要求1所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：各原料用量的质量比例为：聚苯乙烯树脂70～80份，聚氯乙烯树脂20～35份，芳纶浆粕1～3份。
3.根据权利要求1所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：所述生产原料还包括碳酸氢钠。
4.根据权利要求3所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：各原料用量的质量比例为：聚苯乙烯树脂70～80份，聚氯乙烯树脂20～35份，碳酸氢钠14～25份，芳纶浆粕1～3份。
5.根据权利要求4所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将聚氯乙烯树脂与碳酸氢钠进行充分混合，得到第一混合物；
B、将聚苯乙烯树脂加入到第一混合物中进行充分混合，得到第二混合物；
C、将芳纶浆粕加入到第二混合物中充分混合，得到第三混合物；
D、将第三混合物进行注塑，得到轻质阻燃吸能材料。
6.根据权利要求5所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：步骤D中注塑温度为160～225℃，停留时间为3～15min，模具温度为55～60℃。
7.根据权利要求5或6所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法，其特征在于：步骤A中混料转速为3000～5000r/min，步骤B中混料转速为2000～3000r/min，步骤C中混料转速为60～80r/min。
8.由权利要求1～7所述的轻质阻燃吸能材料的生产方法制得的轻质阻燃吸能材料。
9.车辆吸能部件，其特征在于：所述车辆吸能部件包括权利要求8所述的轻质阻燃吸能材料。
10.一种车辆，其特征在于：所述车辆包括权利要求9所述的车辆吸能部件。
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