CN118085549A - 一种低烟防火片材及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及防火片材技术领域，提供了一种低烟防火片材及其制备方法和应用。本发明提供的低烟防火片材包括以下质量份数的组分：阻燃母粒100份，硅系阻燃剂15～45份，二氧化钛0～15份，高温粘结剂0～15份；阻燃母粒的组分包括热塑性聚氨酯和聚磷酸铵，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2。在制备时，先将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵进行熔融共混和挤出造粒，然后再添加其他原料进行混炼和出片即可。本发明提供的低烟防火片材制备工艺简单，可大规模生产，制备周期短，施工方便，且具有极低的烟释放量，阻燃和抑烟性能优异，火灾危害性很低，可作为阻燃隔热层直接热压或粘贴到钢板表面，快速提高钢结构的耐火性能。
Description
技术领域
本发明涉及防火片材技术领域，尤其涉及一种低烟防火片材及其制备方法和应用。
背景技术
热塑性聚氨酯(TPU)是一种应用广泛的热塑性工程塑料，也是一种常用的胶黏剂，具有优异的耐磨、耐油、绝缘、高拉伸性、粘结性等性能，被广泛应用于电线电缆、防护涂层、航空航天绝缘等工业领域。但是，纯TPU极易燃烧，TPU一旦被点燃，会出现熔融滴落的现象，释放出大量黑烟，对生命和财产安全造成了极大的威胁。所以，需要对TPU进行阻燃改性，以保证其在某些防火要求严格的产品中的应用。
火灾中，烟雾引起的窒息是致人死亡的主要原因。所以，在对材料进行阻燃改性时，既要提升材料的阻燃性能，又要保证材料在引燃后具有低的烟释放量，最大限度的降低材料的火灾危害性，保障生命和财产安全。因此，开发低烟防火TPU材料势在必行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低烟防火片材及其制备方法和应用。本发明提供的低烟防火片材粘接性能好，烟释放低，防火效率高，并且具有制备过程简单，制备周期短，厚度可调的优点。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种低烟防火片材，包括以下质量份数的组分：阻燃母粒100份，硅系阻燃剂15～45份，二氧化钛0～15份，高温粘结剂0～15份；所述阻燃母粒的组分包括热塑性聚氨酯和聚磷酸铵，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2。
优选的，所述热塑性聚氨酯的平均相对分子质量为70000～150000；所述聚磷酸铵为II型聚磷酸铵。
优选的，所述硅系阻燃剂包括纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅中的一种或多种。
优选的，所述纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅的平均粒径为1～100nm。
优选的，所述二氧化钛为纳米锐钛型二氧化钛和纳米金红石型二氧化钛中的一种或两种，所述二氧化钛的粒径小于等于100nm。
优选的，所述高温粘结剂为硅酸钠和低熔点玻璃粉中的一种或两种。
优选的，所述低烟防火片材的厚度为0.5～3mm。
本发明还提供了上述方案所述低烟防火片材的制备方法，包括以下步骤：
将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵熔融共混后挤出造粒，得到阻燃母粒；
将所述阻燃剂母粒、硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂混炼后出片，得到所述低烟防火片材；当所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的质量份数为0时，省略所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的加入。
优选的，所述熔融共混的温度为170～190℃；所述混炼的温度为25～90℃。
本发明还提供了上述方案所述的低烟防火片材或上述方案所述制备方法制备的低烟防火片材在制备防火隔热钢结构材料中的应用。
本发明提供了一种低烟防火片材，包括以下质量份数的组分：阻燃母粒100份，硅系阻燃剂15～45份，二氧化钛0～15份，高温粘结剂0～15份；所述阻燃母粒的组分包括热塑性聚氨酯和聚磷酸铵，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2。本发明在低烟防火片材中添加聚磷酸铵和硅系阻燃剂，二者可以起到协同阻燃的作用，聚磷酸铵在高温下能够分解释放出水蒸气和氨气，稀释可燃物的浓度；还能分解生成多聚磷酸、偏磷酸和焦磷酸，催化基体脱水成炭，形成屏蔽炭层，发挥出阻燃效果；同时，本发明添加了二氧化钛以及高温粘结剂，硅系阻燃剂与二氧化钛，以及聚磷酸铵与二氧化钛在高温下可以发生陶瓷化反应，生成类陶瓷炭层；高温粘结剂在高温下能够进一步提高了炭层的致密性；这些协同作用提升了炭层的屏蔽、隔热和防火性能。综上，本发明提供的低烟防火片材具有极低的烟释放量，并具有优异的阻燃和抑烟性能，火灾危害性很低，应用前景良好。
本发明还提供了上述方案所述的低烟防火片材的制备方法，本发明通过简单的共混挤出造粒、双辊混炼、出片即可得到本申请的低烟防火片材，工艺简单，可大规模生产，制备周期短，施工方便。
本发明还提供了上述方案所述低烟防火片材在制备防火隔热钢结构材料中的应用。本发明提供的低烟防火片材可以快速地粘附在钢板上，且其与钢板基材的粘结强度高，不易脱落、开裂，起到了防火涂层的功能，在火灾中能够有效地保护钢结构，提升钢结构的耐火性能。
附图说明
图1为本发明实施例1～实施例4制备的低烟防火片材的比光密度曲线。
图2为本发明对比例1和应用例1～应用例5制备的防火隔热钢结构材料的烃类火背温测试曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种低烟防火片材，包括以下质量份数的组分：阻燃母粒100份，硅系阻燃剂15～45份，二氧化钛0～15份，高温粘结剂0～15份；所述阻燃母粒的组分包括热塑性聚氨酯和聚磷酸铵，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2。
如无特殊说明，本发明采用的各个原料均为市售。
以质量份计，本发明提供的低烟防火片材包括阻燃母粒100份；所述燃母粒(记为TPU/APP阻燃母粒)的组分包括热塑性聚氨酯(TPU)和聚磷酸铵(APP)，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2，优选为2:3；所述热塑性聚氨酯的平均相对分子质量优选为70000～150000，更优选为70000～120000，进一步优选为70000，在本发明的具体实施例中，所述热塑性聚氨酯优选为聚酯类热塑性聚氨酯；所述聚磷酸铵优选为II型聚磷酸铵。
以质量份计，本发明提供的低烟防火片材包括硅系阻燃剂15～45份，优选为20～25份；所述硅系阻燃剂优选包括纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅中的一种或多种；所述改性纳米二氧化硅包括硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅、聚二甲基硅氧烷改性的纳米二氧化硅中的一种或多种；所述硅烷偶联剂改性的纳米二氧化硅中使用的硅烷偶联剂优选包括KH560或KH550；所述纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅的粒径优选为1～100nm，更优选为100nm；在本发明的具体实施例中，所述纳米二氧化硅的粒径为100nm。
以质量份计，本发明提供的低烟防火片材包括二氧化钛0～15份，优选大于0小于等于15份，更优选为1～15份，进一步优选为5～15份；所述二氧化钛优选为纳米锐钛型二氧化钛和纳米金红石型二氧化钛中的一种或两种，更优选为纳米锐钛型二氧化钛；所述二氧化钛的粒径优选小于等于100nm，具体为大于0小于等于100nm，更优选为50nm。
以质量份计，本发明提供的低烟防火片材包括高温粘结剂0～15份，优选大于0小于等于15份，更优选为1～15份，进一步优选为5～15份；所述高温粘结剂优选为硅酸钠和低熔点玻璃粉中的一种或两种，所述低熔点玻璃粉的熔程优选为350℃～650℃；在本发明的具体实施例中，所述高温粘结剂优选为低熔点玻璃粉。
在本发明中，所述阻燃母粒、硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂的质量比优选为20:3:3:3。
在本发明中，所述低烟防火片材的厚度优选为0.5～3mm，更优选为1mm。
本发明还提供了上述方案所述低烟防火片材的制备方法，包括以下步骤：
将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵熔融共混后挤出造粒，得到阻燃母粒；
将所述阻燃剂母粒、硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂混炼后出片，得到所述低烟防火片材；当所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的质量份数为0时，省略所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的加入。
本发明将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵熔融共混后挤出造粒，得到阻燃母粒。在本发明中，所述熔融共混的温度优选为170～190℃，更优选为180℃；本发明优选先将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵在室温下混匀，然后再加入挤出机中进行熔融共混和挤出造粒。
得到阻燃母粒后，本发明将所述阻燃剂母粒、硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂混炼后出片，得到所述低烟防火片材。在本发明中，所述混炼的温度优选为25～90℃，更优选为40℃；所述混炼优选在双辊开炼机中进行；在本发明的具体实施例中，优选先将所述阻燃母粒加入双辊开炼机中，然后依次加入硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂，混炼均匀后出片，即可得到低烟防火片材。
在本发明中，当所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的质量份数为0时，省略所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的加入即可，其他操作条件相同。
本发明还提供了上述方案所述的低烟防火片材或上述方案所述制备方法制备的低烟防火片材在制备防火隔热钢结构材料中的应用；在本发明的具体实施例中，可以通过热压法或胶粘法将本发明的低烟防火片材附在钢结构表面，得到防火隔热钢结构，具体操作方法本发明不做限定。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下列实施例中，热塑性聚氨酯为聚酯型热塑性聚酰胺，平均相对分子质量为70000，聚磷酸铵为II型聚磷酸铵，纳米二氧化硅的粒径为100nm，纳米二氧化钛的粒径为50nm，高温粘结剂为低熔点玻璃粉，熔程350℃～650℃，钢板为经过喷砂处理的Q235钢板，钢板的厚度为1mm。
实施例1
准确称取400g热塑性聚氨酯(TPU)和600g聚磷酸铵(APP)，将其混合均匀；在180℃下，将上述TPU和APP的混合物加入到挤出机中，通过熔融共混、挤出造粒得到TPU/APP阻燃母粒。准确称取100g的TPU/APP阻燃母粒；在40℃下，将上述100g TPU/APP阻燃母粒置于双辊开炼机中，依次加入15g纳米二氧化硅、15g纳米锐钛型TiO2、15g低熔点玻璃粉混炼；混炼均匀后，调整合适的双辊间距，出片，得到1mm厚的低烟防火片材。将所制备的低烟防火片材切割成125mm×6.5mm×1mm、125.0mm×12.5mm×1mm和75mm×75mm×1mm的试样。
实施例2
准确称取400g热塑性聚氨酯(TPU)和600g聚磷酸铵(APP)，将其混合均匀；在180℃下，将上述TPU和APP的混合物加入到挤出机中，通过熔融共混、挤出造粒得到TPU/APP阻燃母粒。准确称取100g的TPU/APP阻燃母粒；在40℃下，将上述100g TPU/APP阻燃母粒置于双辊开炼机中，依次加入30g纳米二氧化硅、15g纳米锐钛型TiO2混炼；混炼均匀后，调整合适的双辊间距，出片，得到1mm厚的低烟防火片材。将所制备的低烟防火片材切割成125mm×6.5mm×1mm、125.0mm×12.5mm×1mm和75mm×75mm×1mm的试样。
实施例3
准确称取400g热塑性聚氨酯(TPU)和600g聚磷酸铵(APP)，将其混合均匀；在180℃下，将上述TPU和APP的混合物加入到挤出机中，通过熔融共混、挤出造粒得到TPU/APP阻燃母粒。准确称取100g的TPU/APP阻燃母粒；在40℃下，将上述100g TPU/APP阻燃母粒置于双辊开炼机中，依次加入30g纳米二氧化硅、15g低熔点玻璃粉混炼；混炼均匀后，调整合适的双辊间距，出片，得到1mm厚的低烟防火片材。将所制备的低烟防火片材切割成125mm×6.5mm×1mm、125.0mm×12.5mm×1mm和75mm×75mm×1mm的试样。
实施例4
准确称取400g热塑性聚氨酯(TPU)和600g聚磷酸铵(APP)，将其混合均匀；在180℃下，将上述TPU和APP的混合物加入到挤出机中，通过熔融共混、挤出造粒得到TPU/APP阻燃母粒。准确称取100g的TPU/APP阻燃母粒；在40℃下，将上述100g TPU/APP阻燃母粒置于双辊开炼机中，加入45g纳米二氧化硅混炼；混炼均匀后，调整合适的双辊间距，出片，得到1mm厚的低烟防火片材。将所制备的低烟防火片材切割成125mm×6.5mm×1mm、125.0mm×12.5mm×1mm和75mm×75mm×1mm的试样。
应用例1
将实施例1制备的低烟防火片材切割成与钢板相同的尺寸。通过热压法将所制备的1mm厚的与钢板相同尺寸的低烟防火片材贴附在钢板表面，在150℃下热压6min，从而使其牢固地粘附在钢板上，得到一种防火隔热钢结构材料。
应用例2
将实施例1制备的低烟防火片材切割成与钢板相同的尺寸。将所制备的1mm厚与钢板相同尺寸的低烟防火片材通过环氧基底漆粘附在钢板上，室温放置24h后得到一种防火隔热钢结构材料。
应用例3
将实施例2制备的低烟防火片材切割成与钢板相同的尺寸。通过热压法将所制备的1mm厚的与钢板相同尺寸的低烟防火片材贴附在钢板表面，在150℃下热压6min，从而使其牢固地粘附在钢板上，得到一种防火隔热钢结构材料。
应用例4
将实施例3制备的低烟防火片材切割成与钢板相同的尺寸。通过热压法将所制备的1mm厚的与钢板相同尺寸的低烟防火片材贴附在钢板表面，在150℃下热压6min，从而使其牢固地粘附在钢板上，得到一种防火隔热钢结构材料。
应用例5
将实施例4制备的低烟防火片材切割成与钢板相同的尺寸。通过热压法将所制备的1mm厚的与钢板相同尺寸的低烟防火片材贴附在钢板表面，在150℃下热压6min，从而使其牢固地粘附在钢板上，得到一种防火隔热钢结构材料。
对比例1
经过喷砂处理后的1mm厚的Q235钢板。
性能测试
根据标准ASTM D 2863和UL 94-2013分别对实施例1～实施例4制备的低烟防火片材进行极限氧指数测试和UL 94垂直燃烧测试；根据标准ISO 5659，在测试功率为50kW/m2、有焰模式下分别对实施例1～实施例4制备的低烟防火片材进行烟密度测试，得到比光密度及其最大值数据。测试结果如表1所示，比光密度曲线如图1所示。
表1低烟防火片材的LOI、UL 94和烟密度测试结果
从表1和图1可以看出，实施例1～实施例4所得片材均具有阻燃抑烟性能，且其中实施例1的阻燃和抑烟性能最好，为最优选配方。
采用ISO 4624:2002中的拉开法测试方法分别对应用例1～应用例4和对比例2所得的防火隔热钢结构材料的附着强度进行表征；在约1100℃下，用自制的设备分别对对比例1、对比例2和应用例1～应用例4所得的防火隔热钢结构材料进行模拟烃类火火灾试验。结果如表2所示，烃类火背温测试的钢板背温曲线如图2所示。
表2防火隔热钢结构材料的附着强度以及烃类火背温测试结果
从表2可以得出，应用例1～应用例5中低烟防火片材与钢板的附着强度均较高。从表2和图2可知，两种不同的粘接方式(热压法和胶粘法)制备的防火隔热钢结构材料在30min时对应的钢板背面温度很接近。而未加防护的钢板在约1100℃的烃类火的作用下，其背面的温度在5min时便可达到614℃，应用例3～应用例5与应用例1相比，背温虽然有所升高，但是和未接任何防护的钢板相比，背温也有明显的降低，说明其具有一定的隔热性能。从表2和图2可知，将本发明的低烟防火片材附着在钢结构表面，钢结构材料的防火隔热性能提高，耐火性能得到了改善。
综上，由本发明技术方案制备的低烟防火片材具有优异的阻燃性能和抑烟性能，其与钢板基材具有良好的附着强度，具有良好的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低烟防火片材，其特征在于，包括以下质量份数的组分：阻燃母粒100份，硅系阻燃剂15～45份，二氧化钛0～15份，高温粘结剂0～15份；所述阻燃母粒的组分包括热塑性聚氨酯和聚磷酸铵，所述热塑性聚氨酯和聚磷酸铵的质量比为2:3～3:2。
2.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述热塑性聚氨酯的平均相对分子质量为70000～150000；所述聚磷酸铵为II型聚磷酸铵。
3.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述硅系阻燃剂包括纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅的平均粒径为1～100nm。
5.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述二氧化钛为纳米锐钛型二氧化钛和纳米金红石型二氧化钛中的一种或两种，所述二氧化钛的粒径小于等于100nm。
6.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述高温粘结剂为硅酸钠和低熔点玻璃粉中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的低烟防火片材，其特征在于，所述低烟防火片材的厚度为0.5～3mm。
8.权利要求1～7任意一项所述低烟防火片材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将热塑性聚氨酯和聚磷酸铵熔融共混后挤出造粒，得到阻燃母粒；
将所述阻燃剂母粒、硅系阻燃剂、二氧化钛和高温粘结剂混炼后出片，得到所述低烟防火片材；当所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的质量份数为0时，省略所述二氧化钛和/或所述高温粘结剂的加入。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述熔融共混的温度为170～190℃；所述混炼的温度为25～90℃。
10.权利要求1～7任意一项所述的低烟防火片材或权利要求8或9所述制备方法制备的低烟防火片材在制备防火隔热钢结构材料中的应用。
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