CN114276611A - 一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料及其制备方法和应用，该复合材料由以下组分按重量份组成：聚丙烯34‑62份、聚乙烯10‑20份、无卤阻燃剂24‑34份、立方氮化硼1‑5份、氧化石墨烯1‑5份、抗氧剂0.2‑0.6份、相容剂0.1‑0.3份、分散剂0.2‑0.5份、润滑剂0.1‑0.3份。本发明通过将氧化石墨烯与纳米级立方氮化硼加入复合材料中，在保证材料硬度的同时，提高材料的导热系数；复合材料在受热条件下，无卤膨胀型阻燃剂能够释放NH3气体，从而在材料内部能够稀释氧气浓度，达到迅速阻燃的效果。本发明制备的复合材料可广泛应用于电动汽车电池模块、电机电控、充电桩绝缘散热等相关产品中。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料技术领域，具体涉及一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着电动汽车、能源电池的发展，市场对高导热绝缘材料和填充型高导热材料的需求日益增加。
聚烯烃作为一种常规的高分子材料，因其高耐腐蚀性和耐磨性能、低密度以及普适性，已广泛应用于很多工程中，尤其是作为工业设备、电池的内、外衬耐磨材料。聚烯烃材料的缺点在于其热导率较低，限制了其在一些高能量密度或高热流工作环境中的应用。因为在高能量密度或高热流工作环境中，若不及时将设备热量导出或冷却，体系中会产生较高的温度(>80℃)将致使聚烯烃软化变形，从而影响其本征力学性能。因此，在保证聚烯轻材料的力学性能的前提下，提高其热导率是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，以解决现有技术中的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，由以下组分按重量份组成：聚丙烯34-62份、聚乙烯10-20份、无卤阻燃剂24-34份、立方氮化硼1-5份、氧化石墨烯1-5份、抗氧剂0.2-0.6份、相容剂0.1-0.3份、分散剂0.2-0.5份、润滑剂0.1-0.3份。
作为优选的技术方案，所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种；所述聚乙烯是高密度聚乙烯(HDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)中的一种。
作为优选的技术方案，所述无卤阻燃剂为低烟无卤膨胀型阻燃剂。
作为优选的技术方案，所述立方氮化硼粉为平均粒径为20nm-100nm的纳米级粉料。
作为优选的技术方案，所述氧化石墨烯为大片径氧化石墨烯，其层数为1-6层，片径为5μm-10μm。
作为优选的技术方案，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂DSTDP、抗氧剂168中的至少一种。
作为优选的技术方案，所述相容剂为硅烷类偶联剂；所述分散剂为硅酮类高效分散剂；所述润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸、季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种。
本发明的第二个目的是提供上述所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料的制备方法，步骤如下：按配比将聚丙烯、聚乙烯、无卤阻燃剂、立方氮化硼、氧化石墨烯、抗氧剂、相容剂、分散剂、润滑剂混合均匀后得到混合物料；然后将混合物料加入挤出机中，经熔融共混挤出、牵引、造粒，注塑成型即得目标产物。进一步优选的，所述挤出机为同向双螺杆挤出机，其长径比为32～40，挤出机的转速为180-400转/分，挤出温度为170-195℃。
本发明的第三个目的是提供上述所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料在电动汽车电池模块、充电绝缘设备中的应用。
本发明的原理和有益效果如下：
氧化石墨烯具有典型的准二维空间结构，其片层上有大量的羟基和羧基酸性活性基团，其离子交换容量大，长链脂肪烃、过渡金属离子、亲水性分子和聚合物等易于通过层间氢键、离子键和共价键等作用插入层间，形成层间化合物。氧化石墨烯(GrapheneOxide，GO)是石墨烯的一种衍生物，是由氧化石墨发生剥离而形成的单层或多层氧化石墨，具有典型的准二维空间结构，其片层上含有很多含氧基团，具有较高的比表面能、良好的亲水性和机械性能，在水和大多数极性有机溶剂中具有很好的分散稳定性。氧化石墨烯的表面及边缘具有丰富含氧官能团，经偶联剂改性后，能够与聚烯烃体系相互作用(共价键和非共价键)。与石墨烯相比，氧化石墨烯有更加优异的性能，其不仅具有良好的润湿性能和表面活性，而且能被小分子或者聚合物插层后剥离，在改善材料的热学、电学、力学等综合性能方面发挥着非常重要的作用。虽然氧化石墨烯具有极高的本征热导率，热量能够迅速地通过氧化石墨烯片层导出，然而，氧化石墨烯的硬度偏低，单独使用会影响复合材料的硬度。
纳米级立方氮化硼，由立方氮化硼单晶磨粒制备而成，其粒径小，比表面积大，高表面活性，晶体结构具有类似石墨层状结构。纳米级立方氮化硼热稳定性能好，高温下具有极好的高导热绝缘性质，此外，立方氮化硼还能提高材料的机械性能和耐磨性。
本发明通过将氧化石墨烯与纳米级立方氮化硼加入复合材料中，可以在保证材料硬度的同时，提高复合材料的导热系数。受热环境中，复合材料能够使热量得以传递而不至材料软化变形；复合材料受热条件下，其内含有的无卤膨胀型阻燃剂能够释放NH3气体，从而在复合材料内部能够稀释氧气浓度，达到迅速阻燃的效果。本发明制备的复合材料可广泛应用于电动汽车电池模块、电机电控、充电桩绝缘散热等相关产品中。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员根据该实施例对本发明所做出的一些非本质的改进或调整仍属于本发明的保护范围。
本发明的导热无卤阻燃聚烯烃涉及材料型号和生产厂家如下：
其中所用聚丙烯为K8003(独山子石化公司)、YPJ1215C(中国石化扬子石油化工有限公司)、V30G(中国石油化工股份有限公司武汉分公司)；
所用聚乙烯为HDPE-8008(独山子石化公司)、LLDPE-7042(独山子石化公司)；
所用无卤膨胀型阻燃剂为HP-2500S(艾迪科上海贸易有限公司)、110DM(上海星贝达化工材料有限公司)；
立方氮化硼粉为DK-BN-0019(北京德科岛金科技有限公司)；
氧化石墨烯为XF002-3(南京先丰纳米材料科技有限公司)；
所用抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂DSTDP和抗氧剂168；
所用分散剂为E525；所用相容剂为KH550，润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸、季戊四醇硬脂酸酯
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
(1)称取如下重量份数，34份聚丙烯K8003、20份聚乙烯HDPE-8008、34份无卤膨胀型阻燃剂HP-2500S、5份立方氮化硼、5份氧化石墨烯、0.2份抗氧剂1010、0.4份抗氧剂168、0.3份相容剂KH550、0.5份分散剂E525及0.3份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
实施例2
(1)称取如下重量份数，62份聚丙烯K8003、10份聚乙烯HDPE-8008、24份无卤膨胀型阻燃剂HP-2500S、1份立方氮化硼、1份氧化石墨烯、0.1份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.1份相容剂KH550、0.1份分散剂E525及0.1份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
实施例3
(1)称取如下重量份数，48份聚丙烯K8003、15份聚乙烯LLDPE-7042、29份无卤膨胀型阻燃剂HP-2500S、3份立方氮化硼、3份氧化石墨烯、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.2份相容剂KH550、0.3份分散剂E525及0.2份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
实施例4
(1)称取如下重量份数，48份聚丙烯K8003、15份聚乙烯LLDPE-7042、29份无卤膨胀型阻燃剂110DM、3份立方氮化硼、3份氧化石墨烯、0.2份抗氧剂1010、0.4份抗氧剂168、0.2份相容剂KH550、0.3份分散剂E525及0.2份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
对比例1：
(1)称取如下重量份数，54份聚丙烯K8003、15份聚乙烯LLDPE-7042、29份无卤膨胀型阻燃剂110DM、0.2份抗氧剂1010、0.4份抗氧剂168、0.2份相容剂KH550、0.3份分散剂E525及0.2份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
对比例2：
(1)称取如下重量份数，51份聚丙烯K8003、15份聚乙烯LLDPE-7042、29份无卤膨胀型阻燃剂110DM、3份立方氮化硼、0.2份抗氧剂1010、0.4份抗氧剂168、0.2份相容剂KH550、0.3份分散剂E525及0.2份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
对比例3：
(1)称取如下重量份数，51份聚丙烯K8003、15份聚乙烯LLDPE-7042、29份无卤膨胀型阻燃剂110DM、3份氧化石墨烯、0.2份抗氧剂1010、0.4份抗氧剂168、0.2份相容剂KH550、0.3份分散剂E525及0.2份硬脂酸钙放入高速混合机中混合5分钟混合均匀得到混合物；
(2)将混合物加入双螺杆挤出机中进行熔融共混挤出、牵引、造粒，得到导热无卤阻燃聚烯烃复合材料。其中挤出机的长径比为40，挤出机料筒温度170℃，180℃，185℃，190℃，190℃，195℃，固定主螺杆转速180转/分。
将以上制备的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料1、2、3、4和对比例1、2、3的进行性能测试，其性能测试结果如下表1。
备注：力学性能按照GB标准拉伸弯曲缺口冲击样条，其中拉伸强度测试按GB1040测试，拉伸样条是国标1040.2中规定的1A型哑铃样条，拉伸测试速度为50mm/min；弯曲模量测试按GB9341测试，弯曲样条尺寸80*10*4mm，测试速度为2mm/min；IZOD缺口冲击强度按GB1843测试，IZOD缺口冲击样条80*10*4mm，其中缺口深度2mm，冲击摆锤能量2.75J，阻燃性能依据UL94，阻燃样条尺寸12.87*1.6*3.2mm；导热系数依据GB/T 22588-2008测试导热系数，导热系数样品尺寸10*10*1mm，测试温度150℃。
从上表1数据可以看出，使用本发明制备的导热无卤阻燃聚烯烃，与对比例1、2、3相比，制备的材料导热性能更高，同时保证强度及阻燃性能。因此，本发明可根据客户需求，生产更高效的导热无卤阻燃聚烯烃。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份组成：聚丙烯34-62份、聚乙烯10-20份、无卤阻燃剂24-34份、立方氮化硼1-5份、氧化石墨烯1-5份、抗氧剂0.2-0.6份、相容剂0.1-0.3份、分散剂0.2-0.5份、润滑剂0.1-0.3份。
2.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种；所述聚乙烯是高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯中的一种。
3.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述无卤阻燃剂为低烟无卤膨胀型阻燃剂。
4.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述立方氮化硼粉为平均粒径为20nm-100nm的纳米级粉料。
5.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述氧化石墨烯为大片径氧化石墨烯，其层数为1-6层，片径为5μm-10μm。
6.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂DSTDP、抗氧剂168中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料，其特征在于：所述相容剂为硅烷类偶联剂；所述分散剂为硅酮类高效分散剂；所述润滑剂为硬脂酸钙、硬脂酸、季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种。
8.如权利要求1-7任一项所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：按配比将聚丙烯、聚乙烯、无卤阻燃剂、立方氮化硼、氧化石墨烯、抗氧剂、相容剂、分散剂、润滑剂混合均匀后得到混合物料；然后将混合物料加入挤出机中，经熔融共混挤出、牵引、造粒，注塑成型即得目标产物。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述挤出机为同向双螺杆挤出机，其长径比为32～40，挤出机的转速为180-400转/分，挤出温度为170-195℃。
10.如权利要求1-7任一项所述的导热无卤阻燃聚烯烃复合材料在电动汽车电池模块、电机电控、充电桩绝缘散热相关产品中的应用。
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| CN202011032668.6A CN114276611A (zh) | 2020-09-27 | 2020-09-27 | 一种导热无卤阻燃聚烯烃复合材料及其制备方法和应用 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115746447A (zh) * | 2022-12-02 | 2023-03-07 | 哈尔滨理工大学 | 一种无卤阻燃耐高温导热聚烯烃复合材料及其制备方法和应用 |
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2020
- 2020-09-27 CN CN202011032668.6A patent/CN114276611A/zh active Pending
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