CN114479437B - 一种阻燃聚酰胺复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻燃聚酰胺复合材料及其制备方法和应用,本发明以聚酰胺树脂作为树脂基体,通过添加一定配比的二氧化硅气凝胶和次膦酸盐阻燃剂制得阻燃聚酰胺复合材料,具有一定比表面积的二氧化硅气凝胶与次膦酸盐阻燃剂复配,次膦酸盐阻燃剂吸附于二氧化硅气凝胶内壁上,使得次膦酸盐阻燃剂分散均匀同时免于受热而发生降解,并吸附一定量在加工过程中生成的小分子物质,因此所制得的阻燃聚酰胺复合材料具有优异的阻燃性能和耐热性,减少次膦酸盐阻燃剂使用量,保证材料良好机械性能,另外,本发明的制备方法不需要复杂的设备,操作简便,所制得的阻燃聚酰胺复合材料可以广泛应用于电子电器领域中。
Description
技术领域
本发明涉及工程塑料技术领域,更具体地,涉及一种阻燃聚酰胺复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
阻燃聚酰胺材料已经在生活中领域得到广泛的应用,但是目前这种材料还是有不少待解决的技术问题。例如为了得到阻燃等级高的阻燃聚酰胺材料,需要添加大量的阻燃剂才能达到V0级别,但是添加阻燃剂多了以后,对材料的负面影响较大,因此需要进一步优化提高阻燃聚酰胺材料的性能。
二氧化硅气凝胶一般是以水玻璃为原料,盐酸作为催化剂,结合超临界工艺制备得到的一种多孔结构的气凝胶,中国专利CN111730926A(公开日2020.10.2)采用二氧化硅(二氧化钛、二氧化锆)气凝胶涂敷在隔热板上下表面,采用热压成型得到隔热阻燃板材,但是工艺复杂,且阻燃效果仅限于表面层。
中国专利CN106009656A(公开日2016.10.12)采用无机填料、聚氨酯-石墨烯复合轻质泡沫填料等制得改性聚酰胺材料,提高其阻燃耐高温性能,但是石墨烯价格较贵同时聚氨酯和聚酰胺的相容性较差,在性能上并不利好。
中国专利CN109897371A(公开日2019.6.18)采用蒙脱土凝胶与卤素阻燃剂混合制备纳米蒙脱土凝胶封装的卤素阻燃剂,再与其它组分一起制备阻燃聚酰胺,来降低低分子量卤素阻燃剂的迁移速率以及降低材料燃烧时的烟气量,但是该发明制备工艺复杂,需要将母粒再干燥,同时烟气量大,应用空间有限。
中国专利CN111269567A(公开日2020.6.12)公开了一种聚酰胺气凝胶的制备方案,用于生产聚乙烯复合材料,虽然提升了耐明火性能,但是该发明中添加了大量的莫来石、氢氧化铝等无机填料,对材料的机械性能损伤极大,材料基本上没有实用价值,无法满足工程技术领域的使用,更无法满足电子电器等领域的对材料机械性能要求高等要求。因此,亟需制得一种阻燃聚酰胺复合材料,同时具有较好的阻燃性能、耐热性能和机械性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有阻燃聚酰胺复合材料的无法同时具有较好的阻燃性能、耐热性能和机械性能的缺陷和不足,提供一种阻燃聚酰胺复合材料,利用聚酰胺树脂改性二氧化硅气凝胶,得到稳定的三维结构,二氧化硅气凝胶还有助于提高次膦酸盐阻燃剂的分散性,所制得的阻燃聚酰胺复合材料的阻燃性能、耐热性能和机械性能均得到提高。
本发明的又一目的是提供一种阻燃聚酰胺复合材料。
本发明的另一目的是提供一种阻燃聚酰胺复合材料的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现:
一种阻燃聚酰胺复合材料,包括如下按照重量份计算的组分:
其中二氧化硅气凝胶的比表面积为200-700m2/g。
本发明利用聚酰胺树脂作为基体,次膦酸盐作为阻燃剂,将具有一定比表面积的二氧化硅气凝胶添加分散在材料树脂体系中,由于二氧化硅气凝胶多孔,具有一定的比表面积,且表面有羟基,在与聚酰胺树脂、次膦酸盐阻燃剂的接触过程中,二氧化硅气凝胶表面的羟基与次磷酸盐阻燃剂表面的基团在分子间作用力下吸附集合,在二氧化硅气凝胶的孔洞中可以形成大量的微小单元,不仅可以使次膦酸盐阻燃剂分散更为均匀,有效提升复合材料的阻燃性能以及材料刚性;而且二氧化硅气凝胶还可以保护次膦酸盐阻燃剂,使其避免在制备过程中因生热而发生降解,有效的提升材料耐热性;同时,降低次膦酸盐阻燃剂的分解,提高次膦酸盐阻燃剂利用率,减少次膦酸盐阻燃剂使用量,减少次膦酸盐阻燃剂分解带来的负面作用,在注塑时保证复合材料良好的机械性能。
优选地,包括如下按照重量份计算的组分:
优选地,所述二氧化硅气凝胶的比表面积为300-500m2/g。
所述二氧化硅气凝胶的比表面积采用GB/T 20020-2012进行测试。
优选地,所述聚酰胺树脂为PA6和/或PA66。
优选地,所述玻璃纤维为E玻璃纤维。
优选地,所述玻璃纤维的Mg与Si摩尔含量的比例为1:5-1:9。
更优选地,所述玻璃纤维的Mg与Si摩尔含量的比例为1:5。
优选地,选用在室温下,用体积分数为10%HCl溶液浸泡24h,失重量≤3%的玻璃纤维。满足该要求玻璃纤维的耐酸性好。
更优选地,选用在室温下,用体积分数10%HCl溶液浸泡24h,失重量≤1.5%的玻璃纤维。
优选地,所述次膦酸盐阻燃剂为二乙基次膦铝和/或羟甲基苯基次膦酸。
优选地,所述分散剂为甲酸、浓硫酸或乙二醇中的一种或几种。
优选地,所述浓硫酸的质量分数为90%-95%。
优选地,所述甲酸的pH值为4.5~5.5。
优选地,所述pH值为4.5~5.5的甲酸的制备方法,包括如下步骤:
将甲酸和纯净水加入混合搅拌容器中,搅拌速度为100~200r/min,时间为10~25秒,温度为10~25℃,配置成pH值为4.5~5.5的甲酸溶液。
本发明保护上述阻燃聚酰胺复合材料的制备方法,包括如下步骤:
将聚酰胺树脂溶解于分散剂中,然后加入二氧化硅气凝胶,混合均匀后,再加入次膦酸盐阻燃剂,分散均匀,然后添加玻璃纤维进行熔融混合,挤出造粒,得到阻燃聚酰胺复合材料。
优选地,所述溶解温度为50-80℃,时间为3-4h。
优选地,所述熔融混合在双螺杆挤出机中进行。
优选地,所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为40~48:1,螺筒温度为250~270℃,螺杆转速为200~550rpm。
优选地,所述分散采用超声分散。
优选地,所述超声分散的频率为10-15Hz,时间为3-6min。
本发明还保护上述阻燃聚酰胺复合材料在制备电子电器产品或制品中的应用。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明提供的阻燃聚酰胺复合材料,以聚酰胺树脂作为树脂基体,利用二氧化硅气凝胶对聚酰胺树脂进行改性,并添加次膦酸盐阻燃剂,具有一定比表面积的二氧化硅气凝胶与次膦酸盐阻燃剂复配,在后续的制备过程中,次膦酸盐阻燃剂吸附于二氧化硅气凝胶内壁上,使得次膦酸盐阻燃剂分散均匀,具有隔热性能的二氧化硅气凝胶还可以使次膦酸盐阻燃剂免于受热而发生降解,保证材料的阻燃性能,提高次膦酸盐阻燃剂利用率,减少次膦酸盐阻燃剂用量,并吸附加工过程中生成的小分子物质,因此所制得的阻燃聚酰胺复合材料可以同时具有优异的阻燃性能和耐热性,保证材料良好的机械性能,另外,本发明的制备方法不需要复杂的设备,采用通用挤出造粒方式即可,操作简便,所制得的阻燃聚酰胺复合材料可以广泛应用于电子电器领域中。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明,本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
以下各实施例和对比例使用的原料:
PA66:PA66 50FWFS,工业级,ASCEND公司。
PA6:PA6 800A,工业级,海洋化纤公司。
次膦酸盐阻燃剂A:二乙基次膦酸铝,工业级,OP1230,克莱恩。
次膦酸盐阻燃剂B:羟甲基苯基次膦酸,工业级,HMPPA,山东淄博都邦化工。
玻璃纤维:E玻璃纤维,Mg与Si含量的比例为1:5,购买时已经经过如下处理:在室温下,用体积分数10%HCl溶液浸泡24h,失重量为0.5%,E7CS10-03-568H,巨石集团有限公司。
分散剂:甲酸,工业甲酸,济南梦乔化工有限公司。
二氧化硅气凝胶A:表面积为200m2/g,HL-200,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶B:表面积为700m2/g,HL-700,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶C:表面积为300m2/g,HL-300,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶D:表面积为500m2/g,HL-500,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶E:表面积为600m2/g,HL-600,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶F:表面积为150m2/g,HL-150,汇富纳米。
二氧化硅气凝胶G:表面积为800m2/g,HL-800,汇富纳米。
实施例1~11和对比例1~5
实施例1~11所述阻燃聚酰胺复合材料,包括如下表1所述按照重量份计算的组分。
表1各实施例的组分及其重量份
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 | 实施例7 | 实施例8 | 实施例9 | 实施例10 | 实施例11 | |
PA66 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 | 120 | 80 | 90 | |
PA6 | 110 | ||||||||||
玻璃纤维 | 65 | 65 | 65 | 65 | 65 | 65 | 65 | 65 | 70 | 50 | 55 |
分散剂 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 | 40 | 20 | 25 |
次膦酸盐阻燃剂A | 15 | ||||||||||
次膦酸盐阻燃剂B | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 | 20 | 1 | 6 | |
二氧化硅气凝胶A | 9 | ||||||||||
二氧化硅气凝胶B | 9 | ||||||||||
二氧化硅气凝胶C | 9 | 8 | 9 | 9 | 12 | 6 | 9 | ||||
二氧化硅气凝胶D | 9 | ||||||||||
二氧化硅气凝胶E | 9 |
对比例1~5与实施例1的区别在于,组分及其用量不同,具体如下表2所示。
表2各对比例的组分及其重量份
对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 | |
PA66 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 |
玻璃纤维 | 65 | 65 | 65 | 65 | 65 |
分散剂 | 35 | 35 | 35 | 35 | 35 |
次膦酸盐阻燃剂B | 15 | 15 | 15 | 15 | 15 |
二氧化硅气凝胶B | 4 | 18 | |||
二氧化硅气凝胶F | 9 | ||||
二氧化硅气凝胶G | 9 |
上述各实施例和对比例的阻燃聚酰胺复合材料的制备方法,包括如下步骤:
首先将上述组分中的甲酸和纯净水加入混合搅拌容器中,搅拌速度控制在200r/min,时间在25秒中,温度为30℃,配置成pH值为5.5的甲酸溶液;将聚酰胺树脂加入甲酸溶液分散,温度加热到75℃,便于聚酰胺的溶解制成聚酰胺的甲酸溶液,再将二氧化硅气凝胶加入该溶液中,充分搅拌,搅拌速度为350r/min,时间为60s,使得组分充分分散均匀,然后加入次膦酸盐阻燃剂,采用超声波振动,频率为15hz,时间为3min,将聚酰胺、二氧化硅气凝胶以及次膦酸盐阻燃剂三种组分充分混合,晾干,粉碎备用;将上述组分与玻璃纤维按照一定比例投入双螺杆挤出机中进行熔融混合,玻璃纤维侧喂料,并挤出造粒,得到阻燃聚酰胺增强材料;其中双螺杆挤出机的螺杆长径比为48:1,螺筒温度为270℃,螺杆转速为550rpm。
性能测试
1、测试方法
(1)燃烧等级:按UL-94-2018标准,厚度1.5mm。
(2)极限氧指数:采用GB/T 2406-1993标准进行测试。
(3)弯曲模量:按ISO 178-2012标准测试,测试条件为2mm/min。
2、测试结果
将各实施例和对比例所制得的阻燃聚酰胺材料先按ISO178-2004标准尺寸注塑成测试用的标准样条,然后按上述测试方法进行各性能测试;各例试样的性能测试数据见表3所示。
表3各实施例和对比例的性能测试结果
对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 | |
燃烧等级 | V1 | V1 | V1 | V0 | V2 |
极限氧指数(%) | 30 | 30 | 31 | 31 | 28 |
弯曲模量(MPa) | 7200 | 7568 | 7560 | 7800 | 5600 |
由表3测试结果可以看出,各实施例所制得的阻燃聚酰胺复合材料的阻燃性能、耐热性能好,弯曲模量高。而对比例1在相同配比的情况下,将二氧化硅气凝胶替换为表面积小的二氧化硅气凝胶,阻燃和耐热性能均下降。
而对比例1和对比例2所采用的二氧化硅气凝胶的比表面积过小或过大,都会影响材料极限氧指数,因为比表面积过小时二氧化硅气凝胶接近实心颗粒,会在材料中部分团聚,不利于阻燃剂以及自身的分散,表面积过大时会对阻燃剂的吸附和作用力有影响而导致材料阻燃性能、耐热性能以及弯曲模量下降;对比例3和对比例4所添加的二氧化硅气凝胶过少或过多,添加量过少时与阻燃剂的匹配无法准确均匀地完成,从而在材料中无法起到应有的作用,而添加量过高时会降低材料本来的阻燃效果以及弯曲模量,达不到最佳的效果;而对比例5由于不含有二氧化硅气凝胶,所以材料整体性能较差,燃烧等级不足,弯曲模量也偏低。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
3.根据权利要求1或2所述阻燃聚酰胺复合材料,其特征在于,所述二氧化硅气凝胶的比表面积为300-500m 2/g。
4.根据权利要求1所述阻燃聚酰胺复合材料,其特征在于,所述聚酰胺树脂为PA6和/或PA66。
5.根据权利要求1所述阻燃聚酰胺复合材料,其特征在于,所述玻璃纤维为E玻璃纤维。
6.权利要求1-5任一项所述阻燃聚酰胺复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将聚酰胺树脂溶解于分散剂中,然后加入二氧化硅气凝胶,混合均匀后,再加入次膦酸盐阻燃剂,分散均匀,然后添加玻璃纤维进行熔融混合,挤出造粒,得到阻燃聚酰胺复合材料。
7.根据权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述熔融混合在双螺杆挤出机中进行。
8.根据权利要求7所述制备方法,其特征在于,所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为40~48:1,螺筒温度为250~270℃,螺杆转速为200~550rpm。
9.根据权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述分散采用超声分散。
10.权利要求1-5任一项所述阻燃聚酰胺复合材料在制备电子电器产品或制品中的应用。
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