CN114953692A - 一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热塑性聚氨酯阻燃和电磁屏蔽领域，具体涉及一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法。所述原料按质量份数构成如下：热塑性聚氨酯弹性体36.0‑60.0份，硅包裹聚磷酸铵阻燃剂12.0份，短切碳纤维3.0‑12.0份，60.0份浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液制得的碳化钛薄膜。本发明所制得的热塑性聚氨酯复合材料不仅可以明显改善热塑性聚氨酯的火灾危险性，减少其燃烧过程中的热量和有毒烟气的释放，而且可以大幅度提高热塑性聚氨酯的电磁屏蔽效能，有效拓宽其在航空航天、电子通信、交通运输等领域的应用。

Description

一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料 及其制备方法
技术领域
本发明属于热塑性聚氨酯阻燃和电磁屏蔽领域，具体涉及一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法。
背景技术
热塑性聚氨酯是一种集高弹性和热塑性为一体的多功能工程材料。热塑性聚氨酯具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐热、耐磨等优异的物理和化学性能，在石油化工、电子配件、纺织、家居和航空航天等领域被广泛应用。然而，由于热塑性聚氨酯化学结构的限制，其极度易燃，并且燃烧时可能造成重大人员伤亡和财产损失。因此，提高热塑性聚氨酯的阻燃性能具有至关重要的作用。此外，随着现代电子工业的快速发展和电器设备的普及，电磁干扰对设备运行和人体健康产生了影响。聚合物基电磁屏蔽材料的设计与制备是提高电子器件抗电磁干扰能力的重要途径。不幸的是，热塑性聚氨酯的电绝缘性和可燃性限制了其作为电磁屏蔽材料的广泛应用。因此，开发兼具阻燃性和电磁屏蔽性能的热塑性聚氨酯复合材料具有重大意义。
目前，国内外学者对热塑性聚氨酯阻燃和电磁屏蔽的研究可分为三种类型。第一，只考虑电磁屏蔽性能。例如，碳化钛粉末（28.60 wt%）、多壁碳纳米管/氮化硼复合材料混合物（10.00 wt%）、石墨烯纳米片/碳纳米管混合物（10.00 wt%）和Fe3O4修饰的还原氧化石墨烯（10.00 wt%）的加入将热塑性聚氨酯的电磁屏蔽效能分别提高到50.7分贝、54.8分贝、47.0分贝和15.5分贝。第二种，只研究阻燃性能。例如，Zhao等人将15.00 wt%聚磷酸铵和5.00 wt%碳纤维混合物加入热塑性聚氨酯，使其热释放速率峰值降低91.2%。Cai等人分别将2.00 wt%单宁功能化的黑磷和2.00 wt% Diels-Alder法制备的黑磷引入热塑性聚氨酯中，其热释放速率峰值分别降低56.6%和61.7%。第三，综合比较阻燃和电磁屏蔽性能。Wei等人制备了镍-席夫碱功能化石墨烯，发现其1.00 wt%的添加量可使热塑性聚氨酯样品的热释放速率峰值降低37.6%，而电磁屏蔽效能只能提高到11.5分贝。Ji等人在热塑性聚氨酯中加入1.00 wt%碳纳米管和10.00 wt%膨胀型阻燃剂，发现其热释放速率峰值降低92.0%，但是电磁屏蔽效能仅有20.0分贝。
目前，如何让阻燃热塑性聚氨酯兼有优异的电磁屏蔽性能仍是一个巨大的挑战。将阻燃剂和导电填料复配到聚合物中是一种提高聚合物的阻燃和电磁屏蔽性能的有效策略。因此，本发明利用熔融共混和空气辅助热压技术，以热塑性聚氨酯弹性体、硅包裹聚磷酸铵阻燃剂、短切碳纤维组成上下面层，以碳化钛薄膜为夹心层，构建三明治夹层结构的热塑性聚氨酯复合材料，提高热塑性聚氨酯的阻燃和电磁屏蔽性能。
发明内容
本发明的目的是利用短切碳纤维导电填料、硅包裹聚磷酸铵阻燃剂、碳化钛薄膜，制备一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，同时提高热塑性聚氨酯的阻燃性能和电磁屏蔽效能。
为实现上述目的，本发明采用的具体制备方案如下：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中复合材料是以由热塑性聚氨酯弹性体、硅包裹聚磷酸铵阻燃剂、短切碳纤维组成的热塑性聚氨酯复合材料作为上下面层，以质量份数计，所述热塑性聚氨酯弹性体36.0-60.0份，硅包裹聚磷酸铵阻燃剂12.0份，短切碳纤维3.0-12.0份；以碳化钛薄膜作为夹心层，碳化钛薄膜的厚度为24.48±1.19微米。
进一步地，所述的热塑性聚氨酯/硅包裹聚磷酸铵阻燃剂/短切碳纤维的质量配比为45:12:3，42:12:6，36:12:12中的任意一种；
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料的制备方法具体步骤包括：
其中原料按重量份计，
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤、干燥得到碳化钛薄膜。
（2）取36.0-60.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，3.0-12.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，获得热塑性聚氨酯复合材料。
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料。
进一步地，步骤（1）所述真空干燥具体为在80摄氏度下真空干燥30分钟。
进一步地，步骤（4）所述的空气辅助热压法，包括以下步骤：
①先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热（注意此处不进行加压）。一定时间后，取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
②将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
③将步骤①中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤②中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压），取下即可。
进一步地，步骤①和步骤②中，平板硫化机上升前，加热时间随着热塑性聚氨酯复合材料的厚度不同而改变；步骤①和步骤③中，平板硫化机上升后，加热时间随着热塑性聚氨酯复合材料的厚度不同而改变。
进一步地，步骤①和步骤②中，平板硫化机上升前，热塑性聚氨酯复合材料的厚度为1.0毫米，加热时间为5分钟；热塑性聚氨酯复合材料的厚度为0.5毫米，加热时间为3分钟。
进一步地，步骤①和步骤③中，平板硫化机上升后，热塑性聚氨酯复合材料的厚度为1.0毫米，加热时间为2分钟；热塑性聚氨酯复合材料的厚度为0.5毫米，加热时间为80秒。
由于采用上述制备方案，本发明具有以下优点与优异效果：夹层热塑性聚氨酯复合材料具有良好的界面相容性、高热稳定性、优异的防火安全性和电磁屏蔽性能。此外，通过测试数据的综合比较，结果表明热塑性聚氨酯弹性体、硅包裹聚磷酸铵阻燃剂、短切碳纤维质量配比为36:12:12时，并且夹层热塑性聚氨酯复合材料的厚度为1.0毫米时阻燃和电磁屏蔽性能最佳。
附图说明
图1 热塑性聚氨酯复合材料的锥形量热仪测试；其中（a）热释放速率；（b）总热释放量；（c）烟释放速率；（d）总烟释放量；（e）CO释放速率；（f）CO2释放速率；
图2 夹层热塑性聚氨酯复合材料的电磁屏蔽效能测试；（a）厚度为1.0毫米，不含碳化钛薄膜；（b）厚度为2.0毫米，不含碳化钛薄膜；（c）厚度为1.0毫米，含碳化钛薄膜；（d）厚度为2.0毫米，含碳化钛薄膜。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明中的技术方案进行描述。所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
Figure 29003DEST_PATH_IMAGE002
实施例1：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，3.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为0.5毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热3分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热80秒（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）80秒，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF5/MXene SW-1mm）。
实施例2：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，6.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为0.5毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热3分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热80秒（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）80秒，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF10/MXene SW-1mm）。
实施例3：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，12.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为0.5毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热3分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热80秒（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）80秒，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF20/MXene SW-1mm）。
实施例4：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，3.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为1.0毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热5分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热2分钟（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）2分钟，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF5/MXene SW-2mm）。
实施例5：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，6.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为1.0毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热5分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热2分钟（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）2分钟，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF10/MXene SW-2mm）。
实施例6：
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，碳化钛薄膜和上下面层的热塑性聚氨酯复合材料，按照以下步骤进行制备：
（1）在塑料离心试管中加入20.00毫升盐酸，1.00份碳铝钛，1.56份氟化锂，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，将产物水洗至中性，超声剥离后得到浓度为19毫克/毫升的碳化钛的水溶液，取60.0份碳化钛的水溶液真空抽滤，滤膜在80摄氏度下真空干燥30分钟得到碳化钛薄膜。
（2）取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185摄氏度，使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，12.0份短切碳纤维进行熔融共混。
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到厚度为1.0毫米的热塑性聚氨酯复合材料。
一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其中，夹层结构的构建，按照以下步骤进行制备：
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃电磁屏蔽性能的夹层TPU复合材料。先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热5分钟，取出模具并确认复合材料面板已经软化。然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热2分钟（注意此处不进行加压），取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板。
（5）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化。
（6）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热（注意此处不进行加压）2分钟，得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF20/MXene SW-2mm）。
比较例1：
取60.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，在185摄氏度下使其完全熔化，待其冷却后剪成块状、烘干，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到热塑性聚氨酯（TPU）。
比较例2：
取48.0份热塑性聚氨酯、12.0份硅包裹聚磷酸铵阻燃剂于双辊磨机中，在185摄氏度下使其完全熔化，待其冷却后剪成块状、烘干，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiA）。
比较例3：
取45.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，在185摄氏度下使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，3.0份短切碳纤维进行熔融共混。将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到新型阻燃热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF5）。
比较例4：
取42.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，在185摄氏度下使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，6.0份短切碳纤维进行熔融共混。将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到新型阻燃热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF10）。
比较例5：
取36.0份热塑性聚氨酯于双辊磨机中，在185摄氏度下使其完全熔化，加入12.0份硅包裹聚磷酸铵，12.0份短切碳纤维进行熔融共混。将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190摄氏度、10兆帕，得到新型阻燃热塑性聚氨酯复合材料（TPU/SiAF20）。
实施例1、2、3、4、5、6以及比较例1、2、3、4、5所得阻燃热塑性聚氨酯复合材料在锥形燃烧仪中进行燃烧测试，实验结果见表2。
Figure 249900DEST_PATH_IMAGE004
实施例1、2、3、4、5、6以及比较例1、2、3、4、5所得阻燃热塑性聚氨酯复合材料进行极限氧指数测试，实验结果见表3。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
由表2、表3和附图1-2可知，在对比例中，纯热塑性聚氨酯燃烧时会释放大量的热量和有毒烟气，残炭量很小，极限氧指数仅有20.3%。加入硅包裹聚磷酸铵阻燃剂（山东晨旭化工有限公司）后，热塑性聚氨酯复合材料的热释放量和烟释放量都有了明显的下降，极限氧指数也上升到了26.8%。比较例3、4、5复配了不同比例的硅包裹聚磷酸铵和短切碳纤维，热塑性聚氨酯复合材料的阻燃性能和电磁屏蔽性能呈现出大幅度的提高。实施例1、2、3利用两块厚度为0.5毫米的热塑性聚氨酯复合材料和碳化钛薄膜，构建了总厚度为1.0毫米左右的夹层热塑性聚氨酯复合材料。实施例4、5、6利用两块厚度为1.0毫米的热塑性聚氨酯复合材料和碳化钛薄膜，构建了总厚度为2.0毫米左右的夹层热塑性聚氨酯复合材料。在相同比例的硅包裹聚磷酸铵和短切碳纤维添加量下，夹层热塑性聚氨酯复合材料具有比非夹层结构热塑性聚氨酯复合材料更高的电磁屏蔽效能。此外，总厚度为1.0毫米左右的夹层热塑性聚氨酯复合材料的电磁屏蔽效能优于总厚度为2.0毫米左右的夹层热塑性聚氨酯复合材料。综合判断，实施例3（TPU/SiAF20/MXene SW-1mm）的阻燃和电磁屏蔽性能最好。
以上为本发明（一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料及其制备方法）的详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的制备及应用进行阐述，用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。值得注意的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的情况下，还可以对本发明进行若干修饰与改进，这些修饰与改进也应该落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其特征在于：所述复合材料是以热塑性聚氨酯弹性体、硅包裹聚磷酸铵阻燃剂、短切碳纤维组成的热塑性聚氨酯复合材料为上下面层，以碳化钛薄膜为中间夹层。
2.根据权利要求1所述的具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其特征在于：以质量份数计，所述热塑性聚氨酯复合材料中热塑性聚氨酯弹性体为36.0-60.0份，硅包裹聚磷酸铵阻燃剂为12.0份，短切碳纤维为3.0-12.0份。
3.根据权利要求1所述的具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料，其特征在于：所述碳化钛薄膜的厚度为24.48±1.19微米。
4.如权利要求1-3任一项所述的具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）取盐酸、碳铝钛和氟化锂，在磁力搅拌下，35℃油浴加热48h，将产物水洗至中性，超声剥离后得到碳化钛的水溶液，经真空抽滤、真空干燥得到碳化钛薄膜；
（2）取热塑性聚氨酯于双辊磨机中，设置熔化温度为185℃，使其完全熔化，加入硅包裹聚磷酸铵，短切碳纤维进行熔融共混；
（3）将共混完成后的样品放置于模具中，在平板硫化机中进行热压，热压条件为190℃、10MPa，获得热塑性聚氨酯复合材料；
（4）以步骤（3）获得的热塑性聚氨酯复合材料作为上下面层，以步骤（1）获得的碳化钛薄膜作为中间夹层，采用空气辅助热压法得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述真空干燥具体为在80℃下真空干燥30分钟。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的空气辅助热压法，包括以下步骤：
（1）先将碳化钛薄膜放置于压板模具中，碳化钛薄膜上层放置热塑性聚氨酯复合材料，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中加热，取出模具并确认复合材料面板已经软化；然后，将模具重新放回压板机，先在平板硫化机下预热30秒，再将平板硫化机上升加热，取下已经粘合的热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板；
（2）将另一块同样的热塑性聚氨酯复合材料加热、软化；
（3）将步骤（1）中热塑性聚氨酯复合材料/碳化钛层压薄板、步骤（2）中的软化的热塑性聚氨酯复合材料进行组装，盖上高温布和钢板，放入平板硫化机中先预热30秒，然后上升加热，取下即得到具有阻燃和电磁屏蔽性能的夹层热塑性聚氨酯复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中，平板硫化机上升前，加热时间随着热塑性聚氨酯复合材料的厚度不同而改变；步骤（1）和步骤（3）中，平板硫化机上升后，加热时间随着热塑性聚氨酯复合材料的厚度不同而改变。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中，平板硫化机上升前，热塑性聚氨酯复合材料的厚度为1.0毫米，加热时间为5分钟；热塑性聚氨酯复合材料的厚度为0.5毫米，加热时间为3分钟。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（3）中，平板硫化机上升后，热塑性聚氨酯复合材料的厚度为1.0毫米，加热时间为2分钟；热塑性聚氨酯复合材料的厚度为0.5毫米，加热时间为80秒。
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