TWI839811B - 防延燒熱塑性複合材料 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種含有增韌劑、無毒阻燃劑以及無機填充物的防延燒熱塑性複合材料。無毒阻燃劑為聚磷酸金屬鹽類
、三聚氰胺磷酸鹽類
、氰尿酸三聚氰胺、磷酸酯類、硼酸鹽類或其混和物。增韌劑為聚烯烴彈性體(POE)、三元乙丙橡膠(EPDM)或其混和物接枝馬來酸酐。無機填充物為金屬氧化物及其衍生物、金屬氫氧化物及其衍生物或矽酸金屬鹽類。藉此,本發明所提供的熱塑性高分子材料能夠抑制延燒現象並具備隔熱效果,應用熱塑成型,故可製成多種應用產品,可應用於航太、建材、鐵路軌道系統、電動汽機車、儲能設備、燃料電池等領域。
Description
本發明是有關於一種防延燒熱塑性材料,包含特定添加劑及特定比例的組合,特別是具有增韌劑與無毒阻燃劑之組合,此組合具備在燃燒反應下產生化學反應生成相疊的多個碳化層,且該些碳化層不因重力而崩塌、穿孔,達成抑制不同區劃空間的延燒現象。
燃燒的三要素:可燃物如高分子材料;助燃物如氧氣或其他強氧化劑如氯、硝酸等鹽類;火源或達到燃點的熱源。物質燃燒的循環機制是熱源加熱可燃物表面,可燃物在高溫條件下解離出可燃性氣體,可燃性氣體與空氣中的氧氣混和且溫度達到燃點後起火燃燒。燃燒的火焰釋放出光與熱能,熱能再次加熱可燃物表面使物質進行燃燒的連鎖反應,使物質持續燃燒,直到物質完全燃燒碳化,或助燃物等物質消耗完。
高分子材料要達到阻燃效果,已發展出多種類的阻燃劑。目前應用在高分子材料的阻燃劑有無機阻燃劑、鹵素阻燃劑、阻燃助劑如:硼酸鹽類、三氧化二銻等、含磷阻燃劑、含氮阻燃劑、膨脹型阻燃劑、有機矽阻燃劑等。
其中無鹵含磷阻燃劑的防火機制說明如下:
1、覆蓋原理
阻燃劑在受熱熔融時形成的高粘稠性液體或者碳化發泡時形成的泡沫結構覆蓋在可燃性材料表面,阻止了外部熱源對材料的熱傳遞和氧氣的傳遞,同時也隔斷可燃性材料分解產生可燃性氣體的逸出,從而達到阻燃目的。
2、自由基捕捉原理
當可燃材料達到熱分解或自燃的溫度時,依靠阻燃劑釋放出的自由基抑制劑,能捕捉材料燃燒反應釋放出的自由基,與之反應生成不燃物,破壞燃燒反應的鏈增長,從而達到阻燃的目的。
3、成碳機理
磷系阻燃劑受熱分解產生有吸水或脫水效果的強酸如聚磷酸和焦磷酸等,主要作用是促進多羥基化合物脫水碳化,形成具有一定厚度且不易燃燒的碳層,將可燃材料與氧化劑、熱源隔開,阻止物質和熱量的傳遞,以阻斷燃燒的進行。
4、連鎖反應阻止機理(熱機理)
以阻燃劑的熱分解產生的氣體為催化劑,與可燃材料熱解產生的可燃性氣體,從而中斷可燃性氣體的連鎖反應。針對高分子材料先吸熱後放熱的過程,阻燃劑的作用分為隔熱、吸熱與熱傳導三個方面:(1)在高分子未燃燒前,阻止熱源向其表面傳熱;(2)當阻燃劑分解後,以反應熱量、熔融相變或放出結晶水等形式來吸收熱量,以阻止材料達到熱分解或著火點的溫度;(3)釋放出氣體,使熱量迅速擴散,降低材料的溫度及熱量累積。
5、氫結合原理
阻燃劑受熱分解產生的磷酸鹽中的-OH、-NH等基團與高分子材料中的H結合,形成不燃物,抑制材料的熱分解,從而達到阻燃的目的。
其中膨脹型阻燃劑的防火機制說明如下:膨脹型阻燃劑主要由三部分組成:碳源、酸源以及氣源。碳源一般是含碳豐富物質,如季戊四醇(PER)等。酸源一般是可在加熱條件下釋放無機酸的化合物,如聚磷酸銨(APP)。氣源為受熱放出惰性氣體的化合物,一般是銨類和醯胺類物質,如尿素、三聚氰胺等。
膨脹型阻燃劑受熱時,碳源在無機酸催化劑作用下脫水成碳,碳化物在膨脹劑分解的氣體作用下形成蓬鬆有孔封閉結構的碳層。一旦形成,其本身不燃,且可削弱聚合物與熱源間的熱傳導,並阻止氣體擴散。一旦燃燒得不到足夠的燃料和氧氣,燃燒的聚合物便會自熄。此碳層經歷以下步驟形成:
1、在較低溫度下由酸源放出可作為脫水劑的無機酸。
2、在稍高於釋放酸的溫度下,碳源熱裂解形成碳化層,進而受無機酸影響脫水碳化。
3、反應產生的水蒸汽和由氣源產生的不燃性氣體使熔融體系膨脹發泡。
4、反應接近完成時,體系膠化和固化,最後形成膨脹碳化層結構。
由上述磷氮膨脹型阻燃體系阻燃機理得知,為達到材料防延燒之效果,所形成碳化層焦碳產量為其關鍵。
本發明提供一種防延燒熱塑性材料,包含有:高分子聚合物,該高分子聚合物所占重量百分比為25至45%;潤滑劑,該潤滑劑所占重量百分比為0.1至2.0%;抗氧化劑,該抗氧化劑所占重量百分比為0.1至2.0%;表面活性劑,該表面活性劑所占重量百分比為0.1至2.0%;增韌劑,該增韌劑所占重量百分比為3至12%;無毒阻燃劑,該無毒阻燃劑所占重量百分比為10至30%;無機填充物,該無機填充物所占重量百分比為10至45%;補強材,該補強材所占重量百分比為0至20%。
於本發明一實施例中,該增韌劑為聚烯烴彈性體(POE)、三元乙丙橡膠(EPDM)或其混和物接枝馬來酸酐。
於本發明一實施例中,該無毒阻燃劑為聚磷酸金屬鹽類、三聚氰胺磷酸鹽類、氰尿酸三聚氰胺、磷酸酯類、硼酸鹽類或其混和物。
於本發明一實施例中,該高分子聚合物為聚酮、聚醯胺尼龍6、聚醯胺尼龍66或其之組合。
於本發明一實施例中,該無機填充物為金屬氧化物及其衍生物、金屬氫氧化物及其衍生物或矽酸金屬鹽類。
於本發明一實施例中,該補強材為玻璃纖維、礦物纖維或高嶺土。
於本發明一實施例中,該潤滑劑所占重量百分比為0.2%。
於本發明一實施例中,該抗氧化劑所占重量百分比為0.2%。
於本發明一實施例中,該表面活性劑為矽氧樹脂且所占重量百分比為0.5%。
基於上述,本發明防延燒熱塑性材料的關鍵性材料添加劑配方組合為增韌劑及無毒阻燃劑,在此特定比例組合的複合反應與高溫火焰生成相疊
的多個碳化層,且該些碳化層不因重力而崩塌、穿孔,達成阻斷燃燒循環機制劑隔熱之效果,進而實現抑制不同區劃空間的延燒現象。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例作詳細說明如下。
本發明提供一種防延燒熱塑性材料包含有:增韌劑、無毒阻燃劑、高分子聚合物、潤滑劑、抗氧化劑、表面活性劑、補強材以及無機填充物。
其中,該增韌劑所占重量百分比為3至12%,且該增韌劑能夠為聚烯烴彈性體(POE)、三元乙丙橡膠(EPDM)或其混和物接枝馬來酸酐。該增韌劑功能為增加材料的韌性,減少抗延燒時材料燒穿破裂。
該無毒阻燃劑所占重量百分比為10至30%,且該無毒阻燃劑能夠為聚磷酸金屬鹽類、三聚氰胺磷酸鹽類、氰尿酸三聚氰胺、磷酸酯類、硼酸鹽類或其混和物。該無毒阻燃劑功能為抑制材料燃燒,且燃燒時不會產生有毒氣體。
較佳地,該增韌劑所占重量百分比為5至12%,該無毒阻燃劑所占重量百分比為20至27%,當該增韌劑與該無毒阻燃劑在上述特定比例組合,燃燒後形成補強碳化層結構,形成組合火焰及熱的隔火隔熱層。
該高分子聚合物所占重量百分比為25至45%,且該高分子聚合物能夠為聚酮、聚醯胺尼龍6、聚醯胺尼龍66或其之組合。該潤滑劑所占重量百分比為0.1至2.0%。該潤滑劑功能為增加材料潤滑、降低剪切力並增加流動。該抗氧化劑所占重量百分比為0.1至2.0%。抗氧化劑功能為減少材料之氧化、
黃化裂解。該表面活性劑所占重量百分比為0.1至2.0%。表面活性劑功能為增加材料彼此間的相容性。無機填充物所占重量百分比為10至45%,且無機填充物能夠為金屬氧化物及其衍生物、金屬氫氧化物及其衍生物或矽酸金屬鹽類。無機填充物功能為降低材料收縮率。該補強材所占重量百分比為0至20%,且該補強材能夠為玻璃纖維、礦物纖維或高嶺土。補強材功能為加強材料的強度。
本發明材料使用特定的增韌劑取代習知的聚醯胺(或聚酮),相較於先前技術的碳化形成機制步驟2,本發明所使用的特定增韌劑,其熱裂解溫度較聚醯胺(或聚酮)低,可比聚醯胺(或聚酮)提早轉換成阻燃所需的碳源,迅速形成多層碳化結構,使其更適合與複配型阻燃劑的酸源在燃燒初期脫水,與阻燃劑形成良好的協效循環,並在短時間內生成大量碳層,顯著提升材料抗延燒的效果。
本發明材料在接觸火焰燃燒受熱時,由無毒阻燃劑釋放出具脫水功能的酸,與馬來酸酐接枝增韌劑熱裂解出的碳源脫水,由於增韌劑裂解溫度較低(參考表1)且富含碳源,迅速碳化,進而提前阻隔火焰對材料之破壞,與阻燃劑形成良好的協效循環;隨著燃燒溫度進一步提升,胺類便會大量分解並產生難燃性氣體,達到氣體稀釋的效果,並進一步協助濃稠的焦碳層發泡形成多孔性結構,最終隨著碳層的結晶化,在樹脂表面生成一層緻密且多孔泡沫狀的難燃性碳層,達到有效抗延燒功能。
以下為本發明材料所進行之抗延燒實驗結果。表2為該抗延燒實驗結果比較表,可以看出本實施方式準備的數個實施例之材料試片均不會被火焰燒穿(大於3分鐘以上),提供良好的抗延燒性能。
實驗條件:1、試片大小:150*150*1mm;2、火焰長度與溫度:125mm,溫度>850℃;3、火焰與試片距離:100mm;4、火焰持續時間:5分鐘;若試片燒穿即停止實驗;5、判定是否燒穿:當孔洞>0.3mm,判定為燒穿。
上述實驗結果顯示,實施例中增韌劑與無毒阻燃劑在本發明所揭露的特定比例組合時,經火槍持續燃燒300秒時試片仍不會被燒穿;相對比較例一,其無毒阻燃劑即使加到30%可達到UL 94 V-0等級,但火槍持續燃燒到59秒時便燒穿破孔。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作些許的更動與潤飾,故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
Claims (7)
- 一種防延燒熱塑性材料,包含有:增韌劑,該增韌劑所占重量百分比為3至12%,且該增韌劑為聚烯烴彈性體(POE);無毒阻燃劑,該無毒阻燃劑所占重量百分比為10至30%;高分子聚合物,該高分子聚合物所占重量百分比為25至45%;潤滑劑,該潤滑劑所占重量百分比為0.1至2.0%;抗氧化劑,該抗氧化劑所占重量百分比為0.1至2.0%;表面活性劑,該表面活性劑所占重量百分比為0.1至2.0%;補強材,該補強材所占重量百分比為0至20%;以及無機填充物,該無機填充物所占重量百分比為10至45%,且該無機填充物為金屬氧化物及其衍生物、金屬氫氧化物及其衍生物或矽酸金屬鹽類。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該無毒阻燃劑為聚磷酸金屬鹽類、三聚氰胺磷酸鹽類、氰尿酸三聚氰胺、磷酸酯類、硼酸鹽類或其混和物。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該高分子聚合物為聚酮、聚醯胺尼龍6、聚醯胺尼龍66或其之組合。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該補強材為玻璃纖維、礦物纖維或高嶺土。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該潤滑劑所占重量百分比為0.2%。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該抗氧化劑所占重量百分比為0.2%。
- 如請求項1所述的防延燒熱塑性材料,其中該表面活性劑為矽氧樹脂且所占重量百分比為0.5%。
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