CN115197473A - 阻燃剂材料和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了阻燃剂材料和系统。描述了将含有阻燃剂的吸附剂与基材结合的系统、设备和方法，该阻燃剂能够对温度升高作出响应以防止、抑制、延迟临近的热事件的蔓延或以其他方式减轻临近的热事件。阻燃剂系统具有被结合到基质吸附剂材料中的阻燃剂材料，该基质吸附剂材料被结合到基材中。基质吸附剂材料被构造成在暴露于升高的温度（例如，在一个实施例中大于300℃的温度）时释放阻燃剂材料。

Description

阻燃剂材料和系统
背景技术
装置和系统可能经历热事件。可能需要防止、抑制、延迟热事件的蔓延和/或以其他方式减轻热事件。
发明内容
本文中所描述的概念体现在将含有阻燃剂（flame retardant，或为“火焰延缓剂”）的吸附剂与基材结合的系统、设备和方法中，该阻燃剂能够对温度升高作出响应以防止、抑制、延迟临近的热事件的蔓延或以其他方式减轻临近的热事件。
本公开的一个方面是一种阻燃剂系统，其具有被结合到基质吸附剂材料中的阻燃剂材料，该基质吸附剂材料被结合到基材中。基质吸附剂材料被构造成在暴露于升高的温度（例如，在一个实施例中大于300℃的温度）时释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括阻燃剂材料在一个实施例中是与水菱镁矿结合的碳酸钙镁石，或在一个实施例中是与氢氧化铝结合的碳酸钙镁石，或在一个实施例中是与氢氧化镁结合的碳酸钙镁石。
本公开的另一个方面包括基质吸附剂材料是金属有机框架（MOF）材料。
本公开的另一个方面包括MOF材料是微孔铝基MOF。
本公开的另一个方面包括微孔铝基MOF具有1.0 mL/g的孔隙体积（pore volume）和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括MOF材料是锆基MOF。
本公开的另一个方面包括锆基MOF具有1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括MOF材料是热稳定的MOF，其具有3.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括MOF材料是等网状的（isoreticular）MOF，其具有3.0mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括基质吸附剂材料是沸石材料，其具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的释放温度以释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括基质吸附剂材料被构造成在暴露于大于300℃的温度时释放阻燃剂材料。
本公开的另一个方面包括基材是网眼织物。
本公开的另一个方面包括基材是液化涂层材料。
本公开的另一个方面包括结合阻燃剂材料的液化涂层材料被涂覆到复合材料，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
本公开的另一个方面包括结合阻燃剂材料的液化涂层材料被涂覆到固体表面，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
本公开的另一个方面包括具有阻燃剂材料的基材是电缆护套，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
本公开的另一个方面包括具有阻燃剂材料的基材是布置在柔性带材料上的薄膜，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
本公开的另一个方面包括具有阻燃剂材料的基材是布置在箔包裹材料上的薄膜，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
因而，基材可以是材料包裹物，例如电工胶带、箔包裹物。基材可以是泡沫绝缘物。基材可以是织物。基材可以是用于配线线束的导线护套上的油漆或涂层，该配线线束包括电缆和连接器。当在车辆上被采用时，基材可以是用于燃料箱和管线的壳体。
本发明还公开了如下技术方案：
方案1. 一种阻燃剂系统，其包括：
被结合到基质吸附剂材料中的阻燃剂材料，所述基质吸附剂材料被结合到基材中；
其中，所述基质吸附剂材料被构造成在暴露于升高的温度时释放所述阻燃剂材料。
方案2. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与水菱镁矿结合的碳酸钙镁石。
方案3. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与氢氧化铝结合的碳酸钙镁石。
方案4. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与氢氧化镁结合的碳酸钙镁石。
方案5. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述基质吸附剂材料包括金属有机框架（MOF）材料。
方案6. 根据方案5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括微孔铝基MOF。
方案7. 根据方案6所述的阻燃剂系统，其中，所述微孔铝基MOF具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
方案8. 根据方案5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括锆基MOF。
方案9. 根据方案8所述的阻燃剂系统，其中，所述锆基MOF具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
方案10. 根据方案5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括热稳定的MOF，所述热稳定的MOF具有至少3.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
方案11. 根据方案5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括等网状的MOF，所述等网状的MOF具有至少3.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
方案12. 根据方案5所述的阻燃剂系统，其中，所述基质吸附剂材料包括沸石材料，所述沸石材料具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的释放温度以释放所述阻燃剂材料。
方案13. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述基质吸附剂材料被构造成在暴露于大于250℃的温度时释放所述阻燃剂材料。
方案14. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述基材包括网眼织物。
方案15. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，所述基材包括液化涂层材料。
方案16. 根据方案15所述的阻燃剂系统，其中，结合所述阻燃剂材料的所述液化涂层材料被涂覆到复合材料，所述阻燃剂材料被结合到所述基质吸附剂材料中。
方案17. 根据方案15所述的阻燃剂系统，其中，结合所述阻燃剂材料的所述液化涂层材料被涂覆到固体表面，所述阻燃剂材料被结合到所述基质吸附剂材料中。
方案18. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，结合所述阻燃剂材料的所述基材包括电缆护套，所述阻燃剂材料被结合到所述基质吸附剂材料中。
方案19. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，结合所述阻燃剂材料的所述基材包括布置在柔性带材料上的薄膜，所述阻燃剂材料被结合到所述基质吸附剂材料中。
方案20. 根据方案1所述的阻燃剂系统，其中，结合所述阻燃剂材料的所述基材包括布置在箔包裹材料上的薄膜，所述阻燃剂材料被结合到所述基质吸附剂材料中。
以上发明内容并不旨在代表本公开的每个可能的实施例或每个方面。相反，前述发明内容旨在举例说明本文中所公开的一些新颖方面和特征。当结合附图和所附权利要求书理解时，从对用于实施本公开的代表性实施例和模式的以下详细描述中，本公开的以上特征和优点以及其他特征和优点将容易得以阐明。
附图说明
现在将参考附图通过示例来描述一个或多个实施例，其中：
图1示意性地图示了根据本公开的阻燃剂系统的侧视图。
图2示意性地图示了根据本公开的车辆的侧视图。
附图不一定按比例绘制，并且可呈现如本文中所公开的本公开的各种优选特征的稍微简化的表示，包括例如特定的尺寸、取向、位置和形状。与这种特征相关联的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。
具体实施方式
如本文中所描述和图示的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的构型来布置和设计。因此，以下详细描述不旨在限制如所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。另外，虽然在以下描述中阐述了众多特定细节以便提供对本文中所公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚的目的，没有详细描述在相关领域中所理解的某些技术材料，以便避免不必要地混淆本公开。仅出于方便和清楚的目的，可相对于附图使用诸如顶部、底部、左侧、右侧、向上、上面、上方、下方、下面、后方和前方之类的方向术语。这些和类似的方向术语将不被解释为限制本公开的范围。此外，如本文中所图示和描述的，可在不存在本文中未具体公开的元件的情况下实践本公开。
以下详细描述本质上仅仅是示例性的，并且不旨在限制应用和用途。此外，不意图受本文中所呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
如本文中所使用的，术语“系统”可指代呈布置成提供所描述的功能的材料和部件形式的元素之一或元素的组合。
在包括所附权利要求书的本说明书中的参数的（例如，数量或条件的）所有数值将被理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，无论“约”是否实际出现在数值之前。“约”指示所陈述的数值允许一些轻微的不精确（一定程度上接近该值的精确值；大约或合理地接近该值；几乎）。如果由“约”提供的不精确性在本领域不另外地以该普通意义来理解，则如本文中所使用的“约”至少指示可由测量和使用这种参数的普通方法产生的变化。
现在参考附图，提供这些附图仅是为了图示某些示例性实施例的目的而不是为了限制这些实施例的目的，图1示意性地图示了阻燃剂系统10的实施例，该阻燃剂系统包括具有基质吸附剂材料30的基材20，该基质吸附剂材料具有通过吸附或另一种过程所结合的阻燃剂材料40。基质吸附剂材料30被构造成在暴露于升高的温度时释放阻燃剂材料40，以防止、抑制、延迟临近的热事件的蔓延或以其他方式减轻临近的热事件。在一个实施例中，升高的温度是大于300℃的温度。
阻燃剂材料40包括旨在在区域中防止热事件和/或减缓热事件的蔓延的物质。阻燃剂通过物理地阻挡热事件抑或通过引发化学反应以阻止热事件来降低材料的可燃性。有几种方式可以延缓燃烧过程，包括通过化学反应来冷却材料、形成防止下面的材料点燃的保护层、或通过稀释，其中，延缓剂在燃烧时释放水和/或二氧化碳。本文中所采用的阻燃剂材料40是基于其分子大小和构型、以及其通过基质吸附剂材料30的实施例被吸附、稳定地含有、解吸或以其他方式释放的能力来选择的。
在一个实施例中，阻燃剂材料40包括与水菱镁矿（hydromagnesite）结合的碳酸钙镁石（huntite）。在一个实施例中，阻燃剂材料40包括与氢氧化铝结合的碳酸钙镁石。在一个实施例中，阻燃剂材料40包括与氢氧化镁结合的碳酸钙镁石。当被加热时，氢氧化铝脱水以形成铝氧化物（氧化铝，Al2O3），从而在该过程中释放水蒸气。该反应吸收大量的热，从而使其中结合有它的材料冷却。附加地，氧化铝的残留物在材料的表面上形成保护层。碳酸钙镁石和水菱镁矿的混合物以类似的方式起作用。它们吸热分解而释放水和二氧化碳两者，从而将阻燃剂性质给予其中结合有它们的材料。
替代地，可采用其他阻燃剂材料，包括含有溴、氯、磷、氮、金属、硼等的材料。
替代地或另外，阻燃剂材料40可被构造成中和、过滤出和/或吸附可能由热事件产生的毒素。
吸附剂是具有通过吸附来收集和保留另一种物质（例如，液体或气体）的分子的性质的材料。基质吸附剂材料是具有基质结构的吸附剂材料，该基质结构能够在第一温度条件下（例如，处于或接近环境条件下）吸附另一种材料、并且在暴露于升高的温度（高于环境）时通过材料分解和/或材料降解来释放所吸附的材料。本文中所描述的基质吸附剂材料30是具有基质结构的吸附剂材料，该基质结构能够在环境温度下吸附阻燃剂材料40、并且在暴露于升高的温度（例如，其中，该温度处于或接近300℃）时释放阻燃剂材料40。应了解，基质吸附剂材料30释放阻燃剂材料40所处的温度可小于解吸温度。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是微孔材料。微孔材料是含有尺寸小于2 nm的互连孔隙的固体。因此，它们拥有大的表面积，例如，如通过气体吸附测得的300-3500m2/g。微孔材料的示例包括沸石和金属有机框架（MOF）。MOF是金属离子或金属簇，其与有机配体配位以形成具有明确孔隙网络的一维、二维或三维结构以便进行分子输运、分离和储存。骨架网络可以促进和催化分子反应和转化。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是呈微孔铝基MOF形式的金属有机框架（MOF）材料，例如MIL-53。MIL-53的MOF材料具有带有无机[M-OH]链的结构，这些无机[M-OH]链通过基于对苯二甲酸酯（therephthalate）的连接子（linker）分子而连接到四个相邻的无机链。每个金属中心由六个氧原子进行八面体配位。这些氧原子中的四个源自四个不同的羧酸酯基团，并且其余两个氧原子属于两个不同的μ-OH部分，这两个μ-OH部分桥接相邻的金属中心。所得框架结构含有一维菱形孔隙。MIL-53的结构是灵活的，从而允许孔隙截面响应于外部刺激（例如，温度）可逆地改变。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30具有最大化的孔隙体积。在一个实施例中，基质吸附剂材料30具有至少1.0 mL/g的孔隙体积，以最大化所吸附的阻燃剂材料40的体积或质量。换句话说，基质吸附剂材料30具有大于或等于1.0 mL/g的孔隙体积，以最大化所吸附的阻燃剂材料40的体积或质量。在一个实施例中，基质吸附剂材料30具有大于3.0 mL/g的孔隙体积，以最大化所吸附的阻燃剂材料40的体积或质量。换句话说，基质吸附剂材料30具有适应所吸附的阻燃剂材料40实施例的分子的孔隙体积。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是MOF-210，其具有大约3.6 mL/g的数量级的孔隙体积。孔隙体积（也称为内部空隙体积）是一个重要的特性，其可以用于确定基质吸附剂材料对客分子（guest molecule）的渗透性、吸附容量和其他性质。
在一个实施例中，呈微孔铝基MOF形式的基质吸附剂材料30具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度，这允许它释放阻燃剂材料40。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是锆基MOF，例如UiO-66或UiO-67。
在一个实施例中，锆基MOF具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是热稳定的MOF，例如，具有处于或约1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料40的Al基MOF。在一个实施例中，Al基MOF是MIL-53。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30包括等网状的MOF，其具有至少3.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放阻燃剂材料40。网状化学是指将对称的构造单元（例如，二级构造单元或SBU）连接成具有强共价键的扩展多孔框架。对于给定的一种形状或一对形状，存在少量可能的高对称拓扑，这些拓扑形成设计合成的主要目标。特别地，具有一种连接的结构（“边传递网络”）是有利的。因此，对于给定的一种形状，可制备一系列化合物，它们具有相同的拓扑但连接的性质和大小不同以形成等网状的系列。等网状意指改变连接子（有机配体）的大小以扩展孔隙的大小。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30是沸石材料，其具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的释放温度以便释放阻燃剂材料。本公开的另一个方面包括基质吸附剂材料是沸石材料，其具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的释放温度以释放阻燃剂材料。沸石在300℃下不分解，但能够释放阻燃剂材料40。
在一个实施例中，基质吸附剂材料30被构造成在暴露于大于300℃的温度时释放阻燃剂材料40。
基材20为基质吸附剂材料30和阻燃剂材料40提供结构支撑。在一个实施例中，基材20可以是材料包裹物，例如电工胶带、箔包裹物。在一个实施例中，基材20可以是泡沫绝缘物。在一个实施例中，基材20可以是织造织物。在一个实施例中，基材20可以是液化油漆或涂层材料，其被涂覆在用于配线线束的导线护套上，该配线线束包括电缆和连接器。在一个实施例中，基材20可以是用于燃料箱和管线的壳体。
当基材20是织造织物时，基质吸附剂材料30可以被结合到织造织物的纱线中，其中在织造织物已产生之后，阻燃剂材料40被基质吸附剂材料30吸附。
在一个实施例中，结合阻燃剂材料40的液化涂层材料被涂覆到复合材料，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料30中。
结合阻燃剂材料的液化涂层材料被涂覆到固体表面（诸如，金属、玻璃、木头、塑料等），该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料中。
在一个实施例中，结合阻燃剂材料40的基材20是为信号引线或电源引线提供电绝缘的电缆护套，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料30中。替代地，结合阻燃剂材料40的基材20是布置在柔性带材料上的薄膜，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料30中。替代地，结合阻燃剂材料40的基材20是布置在箔包裹材料上的薄膜，该阻燃剂材料被结合到基质吸附剂材料30中。
图2示意性地示出了车辆100的侧视图，以指示参考图1所描述的阻燃剂系统10的实施例的各种实施方式的放置。这包括用于高压电池110、发动机/舱室舱壁120、电配线线束130、燃料箱和燃料管线140、以及舱室地板织物150的包裹物和/或单元间（intercell）元件。通过非限制性示例的方式，其他材料可包括座椅泡沫、车顶棚内衬材料、仪表板材料、发动机罩下绝缘材料等。
详细描述和附图或图支持并描述本教导，但是本教导的范围仅由权利要求书限定。虽然已详细描述了用于实施本教导的最佳模式和其他实施例中的一些，但是存在用于实践所附权利要求书中定义的本教导的各种替代性设计和实施例。

Claims (10)

1.一种阻燃剂系统，其包括：
被结合到基质吸附剂材料中的阻燃剂材料，所述基质吸附剂材料被结合到基材中；
其中，所述基质吸附剂材料被构造成在暴露于升高的温度时释放所述阻燃剂材料。
2.根据权利要求1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与水菱镁矿结合的碳酸钙镁石。
3.根据权利要求1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与氢氧化铝结合的碳酸钙镁石。
4.根据权利要求1所述的阻燃剂系统，其中，所述阻燃剂材料包括与氢氧化镁结合的碳酸钙镁石。
5.根据权利要求1所述的阻燃剂系统，其中，所述基质吸附剂材料包括金属有机框架（MOF）材料。
6.根据权利要求5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括微孔铝基MOF。
7.根据权利要求6所述的阻燃剂系统，其中，所述微孔铝基MOF具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
8.根据权利要求5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括锆基MOF。
9.根据权利要求8所述的阻燃剂系统，其中，所述锆基MOF具有至少1.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
10.根据权利要求5所述的阻燃剂系统，其中，所述MOF材料包括热稳定的MOF，所述热稳定的MOF具有至少3.0 mL/g的孔隙体积和接近300℃的分解温度以释放所述阻燃剂材料。
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