TWI545183B - 阻燃聚烯烴組成物 - Google Patents

Description

阻燃聚烯烴組成物

本發明是有關於一種阻燃組成物，特別是指一種阻燃聚烯烴組成物。

塑膠材料，亦即高分子材料，被廣泛地當作建築材料應用。隨著安全意識的抬頭，人們對於高分子材料的防火要求日趨嚴格，也因此市面上有各種具有阻燃功效的高分子材料。依UL-94測試標準，所述阻燃功效可區分為V-0、V-1，以及V-2三個等級，其中，V-0等級最佳，V-2等級最差。

在傳統的阻燃配方中，是使用含有鹵素成分的鹵素難燃劑，然而鹵素難燃劑在阻燃完成前的短暫燃燒過程中，存在產生有毒物質的疑慮，因而有磷系難燃劑的問世。磷系難燃劑雖可改善在燃燒過程中產生有毒物質的缺點，但卻會衍生易水解及造成河川湖泊優養化的問題。此外，磷系難燃劑不僅本身價格較高，若要達成與鹵素難燃劑相同的阻燃效果，用量較之於鹵素難燃劑，通常需提高約20%，故使用磷系難燃劑也會產生成本大幅增加的問題。

本案申請人前所申請之第I440702號發明專利案，公開了一種相當環保的阻燃聚烯烴組成物。該專利案是在100重量份的聚烯烴中，添加50~240重量份的碳酸鈣、20~140重量份的金屬氫氧化物，以及20~100重量份的活性碳。此組成物不僅免用鹵素及磷系難燃劑而相當環保，所採用的碳酸鈣也相當便宜，故亦具有成本低廉的優點，惟美中不足的地方在於難燃助劑的使用量會排擠到聚烯烴的使用量，會損及成品的柔軟度。因此，如何開發出一種能保持現有的環保、低成本的優點，同時能讓製得的成品具有優良的阻燃效果與柔軟度，為阻燃聚烯烴組成物開發上待解決的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種阻燃聚烯烴組成物，除了具有環保與低成本的優點外，同時能讓製得的成品具有優良的阻燃效果與柔軟度。

於是，本發明阻燃聚烯烴組成物包含：70~78重量份的聚烯烴材料，以及與前述成分合計100重量份的金屬氫氧化物、活性碳與三聚氰胺。該活性碳的使用量為20~25重量份。該金屬氫氧化物的所使用的重量份不小於該三聚氰胺所使用的重量份。

本發明所述的聚烯烴材料可為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、低密度聚乙烯(LDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚醋酸乙烯(PVA)，或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。當所述的聚烯烴材料的使用量過少，利用本發明所製得 的成品，其柔軟度較差，而當所述的聚烯烴材料的使用量過多，又會排擠到如金屬氫氧化物、活性碳與三聚氰胺等的阻燃成分，使阻燃效果不佳。因此，在柔軟度與阻燃效果的雙重因素考量下，該聚烯烴材料所使用的重量份較佳為70~78重量份。

所述的金屬氫氧化物可為氫氧化鋁、氫氧化鎂、水菱鎂石，或前述材料的任一組合，且金屬氫氧化物在燃燒時，可產生具有阻燃效果的結晶水與低污染的金屬氧化物。所述的結晶水雖然有助於阻燃效果的提升，但該金屬氫氧化物添加太多時，會排擠聚烯烴材料的使用量，導致成品的柔軟度降低。因此，較佳地，該金屬氫氧化物的使用量為1~9重量份。

所述的活性碳在受熱時，體積可膨脹為原來的數十至數百倍，因而具有阻隔熱源與阻燃的功效。此外，活性碳優異的吸附效果，還具有淨煙、防垂流等效果。當活性碳的使用量太少時阻燃效果不佳，而當活性碳使用量太多時，會導致成品之柔軟度降低。因此，較佳地，該活性碳的使用量為20~25重量份。

進一步分析第I440702號發明專利，其雖然使用金屬氫氧化物、活性碳及碳酸鈣之配合，可以達到阻燃及環保的問題，但是碳酸鈣的熱裂解溫度過高(約800℃)，因而在燃燒初期時，無法有效地產生二氧化碳來阻燃，且每一莫耳的碳酸鈣僅能產生一莫耳的二氧化碳，因此，碳酸鈣產生不可燃氣體的效率不夠高，此亦為前述發明專利 必需使用較高含量之阻燃助劑的原因。

針對前述缺點，本案發明人使用三聚氰胺(Melamine,C₃H₆N₆)來和金屬氫氧化物及活性碳配合。所述的三聚氰胺除了熱裂解溫度較低外(約340℃)，每一莫耳的三聚氰胺，在熱裂解時還可產生三莫耳的二氧化碳、氮氣，以及水氣。因此，三聚氰胺不論是在產生不可燃氣體的效率或種類，都遠優異於碳酸鈣，並因其優異的阻燃能力，而可降低金屬氫氧化物及活性碳。此外，三聚氰胺的價格相較於習知的磷系難燃劑也相當便宜，故亦可降低生產成本。

此外，經發明人研究發現，如要達成V-0等級的阻燃效果，除了活性碳的使用量不低於20重量份外，所述的金屬氫氧化物的使用量也不能低於三聚氰胺的使用量。主要是因為當三聚氰胺的使用量太多，會使得金屬氫氧化物無法有效地釋放出結晶水，而不能發揮本來應有之功效。在此一限制下，金屬氫氧化物的使用量勢必隨著三聚氰胺的用量增多而增多。是故，如三聚氰胺的用量較多，會使得前述的金屬氫氧化物用量過多，除造成不必要的浪費外，過多的金屬氫氧化物與三聚氰胺會使本發明的柔軟度不佳。因此，三聚氰胺的使用量以1~4重量份為佳。

本發明在製作過程中會再加入脫模劑，以避免成品黏著於機器上。較佳地，以合計100重量份之金屬氫氧化物、活性碳、三聚氰胺、聚烯烴材料為基準，該脫模劑的使用量為0.5重量份，且該脫模劑之具體例如PE臘(PE Wax)。

本發明之功效在於：前述成分之配合不僅免用鹵素及磷系難燃劑，價格便宜，且使用在燃燒時能有效釋放不可燃氣體的三聚氰胺，亦可在具有優異阻燃效果的同時減少阻燃助劑的使用量，故本發明可以提高聚烯烴材料的使用量，並因此提高成品的柔軟度。

《實施例1》

本實施例先秤取9重量份的氫氧化鋁(購自島久藥品株式會社，工業用微米級，平均粒徑：55μm)、20重量份的活性碳(購自國碳科技股份有限公司，型號AL00-08，平均粒徑50~80mesh)、1重量份的三聚氰胺(購自島久藥品株式會社)、70重量份的EVA(購自台灣塑膠工業股份有限公司，型號7350M)，以及0.5重量份的PE臘(購自永豐工業原料行)，再將前述成分倒入一夾鏈袋內，密封並搖晃該夾鏈袋使前述成分均勻混合。設定一塑譜儀的前、中、後板的溫度皆為140℃，轉速90rpm，並等待溫度升至140℃。在等待的過程中，可將前述成分由該夾鏈袋倒至一燒杯中，並用藥勺將前述藥品再次攪拌均勻，待該塑譜儀預熱至140℃時，將前述藥品倒入。等待10分鐘後，再將混練均勻的混合物取出，並熱壓製成一試片。利用以下所述 的測試方法，測試並評價該試片的阻燃等級與柔軟度，並記錄於表1中。

《阻燃評價測試》

依UL-94測試標準測試進行垂直燃燒試驗，以觀察阻燃性，並透過在試片下方30cm處放置一標識用棉，觀察是否發生由燃燒滴落物引發該標識用棉著火的現象，以檢視實施例1之耐熔化性，以及是否能夠避免熔化液流出。

使用尺寸為長125mm×寬14mm×厚4mm的試片進行測試。測試方法是將燃燒器之火焰，接觸固持為垂直之試片10秒後，熄滅燃燒器，並等待該試片燃燒結束，記錄該試片之「第一次殘焰時間」。間隔20秒後，重新開啟燃燒器火源，對該試片再燃10秒後，關閉燃燒器並記錄該試片「第二次殘焰時間」。觀察試片是否有滴落物產生且導致位於試驗片下端約30cm之標識用棉因試片之滴落物而著火的情形發生。前述的「第一次殘焰時間」與「第二次殘焰時間」是分別指離開著火源後，試片之火焰持續時間的長短。「總殘焰時間」為「第一次殘焰時間」與「第二次殘焰時間」之和。每一組測試使用5個試片。試片與火焰之接觸方式如下：使試片位在高於火源10mm處，並使火焰的長度為20mm，以使試片與火焰重疊之部位為10mm。

UL-94測試標準之測試結果區分為三個等級，評價標準如下，本發明需達成V-0等級方為合格，未符合 V-2標準者判定為F(failure)：

《V-0》

在第一次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片被點燃超過10秒鐘，亦即每一個試片的第一次殘焰時間不超過10秒。

在第二次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片持續燃燒超過30秒鐘，亦即每一個試片的第二次殘焰時間不超過30秒。

在每一組5個試片，且每一個試片燃燒2次，總共10次的火焰燃燒測試中，全部試片的燃燒時間不超過50秒鐘，亦即全部試片的總殘焰時間不超過50秒。

沒有任何試片因被火焰點燃而燃燒到試片被夾住固定的上端。

沒有任何試片滴落的火焰分子會點燃30cm下之乾燥的吸收性外科用棉花。

《V-1》

在第一次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片被點燃超過30秒鐘，亦即每一個試片的第一次殘焰時間不超過30秒。

在第二次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片持續燃燒超過60秒鐘，亦即每一個試片的第二次殘焰時間不超過60秒。

在每一組5個試片，且每一個試片燃燒2次，總共10次的火焰燃燒測試中，全部試片的燃燒時間不超過250秒 鐘，亦即全部試片的總殘焰時間不超過250秒。

沒有任何試片因被火焰點燃而燃燒到試片被夾住固定的上端。

沒有任何試片滴落的火焰分子會點燃30cm下之乾燥的吸收性外科用棉花。

《V-2》

在第一次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片被點燃超過30秒鐘，亦即每一個試片的第一次殘焰時間不超過30秒。

在第二次以火焰燃燒試片10秒並移開火焰後，沒有任何一個試片持續燃燒超過60秒鐘，亦即每一個試片的第二次殘焰時間不超過60秒。

在每一組5個試片，且每一個試片燃燒2次，總共10次的火焰燃燒測試中，全部試片的燃燒時間不超過250秒鐘，亦即全部試片的總殘焰時間不超過250秒。

沒有任何試片因被火焰點燃而燃燒到試片被夾住固定的上端。

試片滴落的火焰分子會有短暫的燃燒，且會點燃30cm之下的乾燥的吸收性外科用棉花層。

《柔軟度測試》

在本案中，是以材料的拉伸率大小來代表柔軟度的好壞。當材料的拉伸率較大時，代表材料的柔軟度較佳，而當材料的拉伸率較小時，代表材料的柔軟度較差。所述的拉伸率，是以ASTM D638所載之標準試驗方法測試 可得拉伸之倍數，記載於表1、表2及表3中。當拉伸倍數不足2倍時，評價為極差；當拉伸倍數不足5倍時，評價為差，當拉伸倍數在5倍以上時，評價為佳。

《實施例2~6》

實施例2~6與該實施例1類似，不同的地方在於：各實施例所使用的氫氧化鋁、活性碳、三聚氰胺，以及聚烯烴材料的份量不同。

《比較例1~6》

比較例1~6與該實施例1類似，不同的地方在於各比較例的氫氧化鋁、活性碳，或三聚氰胺所使用的重量份，分別有一者超出本發明所限定的範圍。阻燃測試及柔軟度測試記錄於表2中。

《比較例7》

比較例7與該實施例1類似，差別在於雖然氫氧化鋁、活性碳，以及三聚氰胺的使用量在本發明所限定的範圍中，但氫氧化鋁的使用量少於三聚氰胺的使用量。阻燃測試及柔軟度測試記錄於表3中。

觀察實施例1~6，當該氫氧化鋁的使用量為1~9重量份、該活性碳的使用量為20~25重量份、該三聚氰胺的使用量為1~4重量份，且該金屬氫氧化物所使用的重量份不小於該三聚氰胺所使用的重量份時，所製得的試片皆可達到V-0的阻燃等級，且柔軟度評價為佳。

由實施例1以及比較例1、2的實驗結果得知，當氫氧化鋁(金屬氫氧化物)的使用量低於1重量份時(參見 比較例1)，無法具有V-0等級的阻燃效果，而當氫氧化鋁的使用量高於4重量份時(參見比較例2)，成品的柔軟度評價為差。

由實施例1、2以及比較例3、4的實驗結果得知，當活性碳的使用量低於20重量份(如比較例3)，無法具有V-0等級的阻燃效果，當活性碳的使用量高於25重量份(如比較例4)，成品的柔軟度評價為差。

再由實施例1、3以及比較例5、6的實驗結果證實，不添加三聚氰胺(如比較例5)，無法具有V-0等級的阻燃效果，但是當三聚氰胺的使用量大於5重量份時(如比較例6)，也會損及成品的柔軟度，使成品柔軟度的評價為差。

觀察比較例7可以發現，當三聚氰胺的使用量大於氫氧化鋁的使用量時，該比較例7無法具有V-0等級的阻燃效果。

綜上所述，本發明阻燃聚烯烴組成物不僅免用鹵素及磷系難燃劑，就可達到阻燃效果佳的優點，所添加的三聚氰胺除了價格便宜外，也可以在燃燒時有效釋放不可燃氣體，並因此在具有優異阻燃效果的同時減少阻燃助劑的使用量，由於阻燃助劑使用量的降低，可使本發明包含較高比例的聚烯烴材料，故較之於使用碳酸鈣的配方，成品能有更好的柔軟度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專 利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (5)

1. 一種阻燃聚烯烴組成物，包含：70~78重量份的聚烯烴材料；及與前述成分合計100重量份的金屬氫氧化物、活性碳及三聚氰胺，其中，該活性碳的使用量為20~25重量份，且該金屬氫氧化物所使用的重量份不小於該三聚氰胺所使用的重量份；其中，該金屬氫氧化物的使用量不超過9重量份。
2. 如請求項1所述的阻燃聚烯烴組成物，其中，該金屬氫氧化物的使用量為1~9重量份。
3. 如請求項1或2所述的阻燃聚烯烴組成物，該三聚氰胺的使用量為1~4重量份。
4. 如請求項1所述的阻燃聚烯烴組成物，其中，該烯烴類聚合物為聚乙烯、聚丙烯、聚低密度乙烯、聚線性低密度乙烯，或乙烯-醋酸乙烯共聚物。
5. 如請求項1所述的阻燃聚烯烴組成物，以合計100重量份之金屬氫氧化物、活性碳、三聚氰胺、聚烯烴材料為基準，該組成物還包含0.5重量份的脫模劑。