CN116515279A - 一种新能源高压线用耐高温阻燃材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源高压线用耐高温阻燃材料，按重量份数计，包含改性热塑性弹性体60‑80份、聚丙烯树脂5‑10份、润滑剂1‑3份、抗氧剂1‑2份和增塑剂1‑2份；所述改性热塑性弹性体通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂共混制得；所述硅磷阻燃剂具有如下式Ⅰ所示结构。本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料具有优异的耐高温能力，并且阻燃性能强。
Description
技术领域
本发明涉及热塑性高分子材料领域，具体涉及一种新能源高压线用耐高温阻燃材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济建设不断发展，人民生活水平不断提高，汽车已进入家庭，石油的需求量也越来越大。我国汽车的燃料主要来源于石油，石油的需求量越来越大，因为石油的储量有限所以石油面临枯竭的危险，同时也严重的污染环境，为此国家提倡开发各种新能源汽车。
目前，新能源汽车中主要是电动汽车，电动汽车作为新一代的交通工具，在节能减排、减少人类对传统化石能源的依赖方面具备传统汽车不可比拟的优势。电动汽车的核心部件不再是“三大件”(发动机、变速箱和底盘)，而是三电系统(电池、电机和电控)，占新能源汽车成本的50％以上。其中，动力电池成本占三电成本的90％。因此，动力电池系统可以称为新能源汽车的“心脏”，而动力电池的电力需要通过高压线进行传输，根据ISO6722、DEKRA179以及CQC1122要求，电动汽车内部用高压线具有耐高温、阻燃等性能，这就要对材料有更高的要求。
热塑性聚氨酯弹性体(TPE)既具有橡胶的高弹性，又具有塑料的高强度，同时还具有优异的耐油、耐低温、耐冲击、耐摩擦、耐撕裂等性能并且具有优异的高温和低温绝缘性，在电线、电缆和光缆护套方面均有应用，同时还是传统车内电缆材料PVC的理想替代品。因此现有技术中常使用热塑性聚氨酯弹性体材料作为电动汽车的高压线材。
但随着电动汽车中动力电池性能的不断提升，对电动汽车内其余部件性能的要求也随之提升，而对于作为电力传输的高压线材料的性能要求也越发严格。现有技术中的热塑性聚氨酯弹性体材料虽然具有一定的耐高温能力，但在动力电池性能不断提升的情况下，已经无法满足作为高压线在高温环境下长时间工作的稳定性要求，并且其阻燃性能也难以满足汽车电力安全的需求。
因此，目前亟需一种耐高温能力优异，并且阻燃性能强的新能源高压线用的热塑性弹性体材料。
发明内容
发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种耐高温能力优异，并且阻燃性能强的新能源高压线用的耐高温阻燃材料及其制备方法。
技术方案：
一种新能源高压线用耐高温阻燃材料，按重量份数计，包含改性热塑性弹性体60-80份、聚丙烯树脂5-10份、润滑剂1-3份、抗氧剂1-2份和增塑剂1-2份；
所述改性热塑性弹性体通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂共混制得；
所述硅磷阻燃剂具有如下式Ⅰ所示结构，
所述硅磷阻燃剂中含有大量苯、硅、磷等高耐热性基团，将其通过动态硫化法共混在热塑性弹性体中，将其作为主体材料可以有效提高高压线材料的耐高温性能。
进一步地，所述润滑剂选自聚乙烯蜡类润滑剂或硬脂酸类润滑剂中的至少一种。
进一步地，所述抗氧剂选自抗氧剂1010或抗氧剂168中的至少一种。
进一步地，所述增塑剂选自邻苯类增塑剂、对苯类增塑剂或偏苯类增塑剂中的至少一种。
进一步地，所述改性热塑性弹性体制备的具体方法为：在密炼机中加入聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂，加热至200-230℃共混10-15分钟后加入硫化剂，在转速70-90r/min条件下保温反应10-20分钟，即可制得所述改性热塑性弹性体。
所述改性热塑性弹性体通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂经过动态硫化法共混制得，硅磷阻燃剂中硅元素与磷元素通过协同作用，在聚合物热分解过程中会迅速转化为不可燃成分，并且与聚氨酯酯化交联促进基体成炭，进而覆盖在基体的表面，可以有效隔绝热量和可燃挥发物的逸散。
进一步地，所述聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂的质量比为(5-6)：(4-5)：(0.5-1)。
进一步地，所述硫化剂选自过氧化二异丙苯、三乙撑四胺、N，N'-二(亚肉桂基-1,6-己二胺)或1,3,5-三疏基-2,4,6-均三嗪中的一种。
进一步地，所述硅磷阻燃剂的制备方法为：在反应器中依次加入双(2-氯苯基)磷酰氯和二甲基苯基硅醇，在氮气保护下，缓慢加热至45-50℃后，保温反应3-5小时后冷却、萃取、过滤、真空干燥制得所述硅磷阻燃剂。
进一步地，所述双(2-氯苯基)磷酰氯和二甲基苯基硅醇的摩尔比为1：3-3.1。
上述任意一项所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)在反应器中加入改性热塑性弹性体、聚丙烯树脂、润滑剂、抗氧剂和增塑剂，高速搅拌10-15分钟后停止搅拌，将混合材料放入到双螺杆挤出机中熔融并挤出，挤出温度为190-240℃，螺杆转速为500-800r/min，冷却后制成母料；
(2)将母料在由双阶造粒机组的单螺杆挤出造粒，挤出温度为120-140℃，螺杆转速为60-80r/min，即可制得所述新能源高压线用耐高温阻燃材料。
本发明通过动态硫化法使硅磷阻燃剂和丁苯橡胶均匀分散于聚氨酯的相态结构中，使改性热塑性弹性体具有良好的拉伸强度、耐摩擦、撕裂强度和硬度等力学性能，并且有效提高了材料的稳定性。
有益效果：
(1)本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料中添加改性热塑性弹性体，改性热塑性弹性体通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂经过动态硫化法共混制得，硅磷阻燃剂中硅元素与磷元素通过协同作用，在聚合物热分解过程中会迅速转化为不可燃成分，并且与聚氨酯酯化交联促进基体成炭，进而覆盖在基体的表面，可以有效隔绝热量和可燃挥发物的逸散。
(2)本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料中添加改性热塑性弹性体，通过动态硫化法使硅磷阻燃剂和丁苯橡胶均匀分散于聚氨酯的相态结构中，使改性热塑性弹性体具有良好的拉伸强度、耐摩擦、撕裂强度和硬度等力学性能，并且有效提高了材料的稳定性。
(3)本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料中通过改性热塑性弹性体作为主体材料，其中共混的硅磷阻燃剂中含有大量苯、硅、磷等高耐热性基团，有效提高了材料的耐高温性能。
具体实施方式
以下将结合具体实施方案来说明本发明。需要说明的是，下面的实施例为本发明的示例，仅用来说明本发明，而不用来限制本发明。在不偏离本发明主旨或范围的情况下，可进行本发明构思内的其他组合和各种改良。
市售热塑性弹性体材料是从昕旺达塑胶科技(东莞)有限公司购买的TPE 50A；聚丙烯树脂是从东莞市启航塑胶有限公司购买的PPK8003；聚氨酯是从山东晟合伟业新材料有限公司购买的PM200 M20S；其余试剂、设备为本技术领域常规试剂和设备。
硅磷阻燃剂-1制备
通过以下方法制备硅磷阻燃剂-1：
在三口烧瓶中依次加入0.05mol的双(2-氯苯基)磷酰氯和0.15mol的二甲基苯基硅醇，在氮气保护下，缓慢加热至50℃后，保温反应3小时后萃取，冷却过滤后进行真空旋干，然后加入到真空干燥箱中，真空干燥12小时后制得所述硅磷阻燃剂-1。
硅磷阻燃剂-1的质谱数据：采用LC-MS对产物进行分析，产物的m/z为684.19(100.0％)，685.22(55.9％)，686.21(25.3％)，687.22(7.8％)，688.22(2.0％)。
硅磷阻燃剂-2制备
基本同硅磷阻燃剂-1制备，所不同的是二甲基苯基硅醇改为等量的苯酚。
硅磷阻燃剂-2的质谱数据：采用LC-MS对产物进行分析，产物的m/z为552.17(100.0％)，553.21(37.3％)，554.21(7.0％)。
硅磷阻燃剂-3制备
基本同硅磷阻燃剂-1制备，所不同的是双(2-氯苯基)磷酰氯改为等量的三氯苯。
硅磷阻燃剂-3的质谱数据：采用LC-MS对产物进行分析，产物的m/z为506.23(100.0％)，507.23(50.3％)，508.23(22.1％)，509.23(6.4％)，510.23(1.5％)。
改性热塑性弹性体-1制备
按重量份数计，通过以下方法制备改性热塑性弹性体-1：
在密炼机中加入5份聚氨酯、4份丁苯橡胶和1份硅磷阻燃剂-1，加热至230℃共混15分钟后加入0.05份过氧化二异丙苯，在转速90r/min条件下保温反应20分钟，即可制得所述改性热塑性弹性体-1。
改性热塑性弹性体-2制备
基本同改性热塑性弹性体-1制备，所不同的是不添加硅磷阻燃剂-1。
改性热塑性弹性体-3制备
基本同改性热塑性弹性体-1制备，所不同的是硅磷阻燃剂-1改为等量硅磷阻燃剂-2。
改性热塑性弹性体-4制备
基本同改性热塑性弹性体-1制备，所不同的是硅磷阻燃剂-1改为等量硅磷阻燃剂-3。
实施例1
按重量份数计，通过以下步骤制备新能源高压线用耐高温阻燃材料：
(1)在反应器中加入80份改性热塑性弹性体-1、10份聚丙烯树脂、1份聚乙烯蜡类润滑剂、1份抗氧剂1010和1份邻苯类增塑剂，高速搅拌15分钟后停止搅拌，将混合材料放入到双螺杆挤出机中熔融并挤出，挤出温度为230℃，螺杆转速为700r/min，冷却后制成母料；
(2)将母料在由双阶造粒机组的单螺杆挤出造粒，挤出温度为130℃，螺杆转速为80r/min，即可制得所述新能源高压线用耐高温阻燃材料。
实施例2
基本同实施例1，所不同的是80份改性热塑性弹性体-1改为70份改性热塑性弹性体-1。
实施例3
基本同实施例1，所不同的是聚乙烯蜡类润滑剂改为等量硬脂酸类润滑剂，抗氧剂1010改为等量抗氧剂168，邻苯类增塑剂改为等量对苯类增塑剂。
对比例1
市售热塑性弹性体材料。
对比例2
基本同实施例1，所不同的是改性热塑性弹性体-1改为等量聚氨酯。
对比例3
基本同实施例1，所不同的是改性热塑性弹性体-1改为等量改性热塑性弹性体-2。
对比例4
基本同实施例1，所不同的是改性热塑性弹性体-1改为等量改性热塑性弹性体-3。
对比例5
基本同实施例1，所不同的是改性热塑性弹性体-1改为等量改性热塑性弹性体-4。
性能测试
极限氧指数检测：根据GB/T 2406.1-2008塑料用氧指数法测定燃烧行为检测实施例1-3与对比例1-5的产品的氧指数。
热分解5％温度检测：对实施例1-3与对比例1-5的产品在称重条件下逐渐升温，记录热分解5％温度。
阻燃性能检测：根据GB-T2408-2008塑料燃烧性能的测试-水平法和垂直法，通过垂直法检测实施例1-3与对比例1-5的产品的阻燃能力。
| 极限氧指数(％) | 热分解5％温度(℃) | 阻燃性能 | |
| 实施例1 | 35 | 325 | V-0 |
| 实施例2 | 33 | 310 | V-0 |
| 实施例3 | 34 | 315 | V-0 |
| 对比例1 | 24 | 190 | V-1 |
| 对比例2 | 19 | 140 | V-2 |
| 对比例3 | 26 | 200 | V-1 |
| 对比例4 | 30 | 260 | V-0 |
| 对比例5 | 28 | 230 | V-1 |
根据实施例1-3与对比例1、2的检测结果对比可知，本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料具有很高的极性氧指数，属于难燃烧材料，并且具有较高的热分解温度，具有良好的耐高温能力和阻燃性能。
根据实施例1-3与对比例3-5的检测结果对比可知，本发明提供的新能源高压线用耐高温阻燃材料中添加通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂经过动态硫化法共混制得的改性热塑性弹性体，通过硅元素与磷元素的协同阻燃作用，大幅提高了热塑性弹性体的阻燃能力和耐高温能力，并且通过动态硫化法使硅磷阻燃剂和丁苯橡胶均匀分散于聚氨酯的相态结构中，有效提高了材料的稳定性。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，按重量份数计，包含改性热塑性弹性体60-80份、聚丙烯树脂5-10份、润滑剂1-3份、抗氧剂1-2份和增塑剂1-2份；
所述改性热塑性弹性体通过聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂共混制得；
所述硅磷阻燃剂具有如下式Ⅰ所示结构，
。
2.根据权利要求1所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述润滑剂选自聚乙烯蜡类润滑剂或硬脂酸类润滑剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述抗氧剂选自抗氧剂1010或抗氧剂168中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述增塑剂选自邻苯类增塑剂、对苯类增塑剂或偏苯类增塑剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述改性热塑性弹性体制备的具体方法为：在密炼机中加入聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂，加热至200-230℃共混10-15分钟后加入硫化剂，在转速70-90r/min条件下保温反应10-20分钟，即可制得所述改性热塑性弹性体。
6.根据权利要求5所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述聚氨酯、丁苯橡胶和硅磷阻燃剂的质量比为（5-6）：（4-5）：（0.5-1）。
7.根据权利要求5所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述硫化剂选自过氧化二异丙苯、三乙撑四胺、N，N'-二（亚肉桂基-1,6-己二胺）或1,3,5-三疏基-2,4,6-均三嗪中的一种。
8.根据权利要求1所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料，其特征在于，所述硅磷阻燃剂的制备方法为：在反应器中依次加入双(2-氯苯基)磷酰氯和二甲基苯基硅醇，在氮气保护下，缓慢加热至45-50℃后，保温反应3-5小时后冷却、萃取、过滤、真空干燥制得所述硅磷阻燃剂。
9.根据权利要求8所述的新能源充电桩用阻燃材料，其特征在于，所述双(2-氯苯基)磷酰氯和二甲基苯基硅醇的摩尔比为1：3-3.1。
10.权利要求1-9任意一项所述的新能源高压线用耐高温阻燃材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在反应器中加入改性热塑性弹性体、聚丙烯树脂、润滑剂、抗氧剂和增塑剂，高速搅拌10-15分钟后停止搅拌，将混合材料放入到双螺杆挤出机中熔融并挤出，挤出温度为190-240℃，螺杆转速为500-800r/min，冷却后制成母料；
（2）将母料在由双阶造粒机组的单螺杆挤出造粒，挤出温度为120-140℃，螺杆转速为60-80r/min，即可制得所述新能源高压线用耐高温阻燃材料。
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