TPU/ATH/云母復(fù)合材料的制備及阻燃性能研究

李來丙，龔必珍

（湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 衡陽421008）

0 前言

TPU作為一種集橡膠的高彈性與熱塑性塑料的成型加工性于一體的特殊材料，具有優(yōu)良的耐磨、拉伸、抗撕、耐油及耐老化等性能，可應(yīng)用于汽車輪胎、輸送帶、鞋跟等。但TPU的價(jià)格昂貴，產(chǎn)品成本較高，且TPU的加工溫度范圍窄，難于加工，給TPU的推廣應(yīng)用帶來了一些影響。通過適當(dāng)途徑來改善TPU的物理性能，提高加工性并降低原材料成本已勢(shì)在必行。馬曉燕等[1-2]對(duì) TPU的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)性能、耐油性、耐空氣老化性能和力學(xué)性能等進(jìn)行了研究，陳福泰等[3]也對(duì)TPU彈性體的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但使用ATH加入TPU彈性體中實(shí)現(xiàn)阻燃未見報(bào)導(dǎo)，云母作為填料來降低TPU彈性體的成本也未見有研究。本文研究?jī)?nèi)容是將膨脹型阻燃填充劑ATH加入TPU彈性體，研究了其用量對(duì)彈性體的阻燃性能的影響；再通過加入云母降低產(chǎn)品成本、改善彈性體的加工性能和力學(xué)性能[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

TPU，Elastollan 1185 A，聚醚型多羥基化合物，球狀，密度1.12 g/cm3，肖（A）硬度為36D，杭州普拉司塑化有限公司；

云母，平均粒徑約為30μm，超細(xì)粉末，密度2.6×103kg/m3，合肥中科阻燃新材料有限公司；

ATH，超細(xì)粉末，密度2.2×103kg/m3，平均粒徑約為2.7μm，合肥中科阻燃新材料有限公司；

硬脂酸，1801，廣州市義和化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

氧指數(shù)儀，HC-2，江寧儀器廠；

轉(zhuǎn)矩流變儀，Brabender，德國(guó)Brabender公司；

垂直燃燒儀，CZF-2，上海麗馳計(jì)量?jī)x器有限公司；

恒溫干燥箱，DHG-9149A，上海善志儀器設(shè)備有限公司；

高速攪拌器，SFJ-400，山東龍興化工機(jī)械集團(tuán)有限公司；

擠壓機(jī)，880T，無錫市萬俊紡織機(jī)械有限公司。

1.3 樣品制備

ATH表面處理：將ATH粉體在110℃干燥10 h，投入高速攪拌器中，加熱至一定溫度，用1%的硬脂酸噴灑于粉體，持續(xù)攪拌25 min，得到表面改性的 ATH[6]；

TPU/ATH復(fù)合材料的制備：將不同質(zhì)量比的ATH與TPU混合，人工攪拌；利用轉(zhuǎn)矩流變儀將ATH與TPU共混均勻，其中TPU的質(zhì)量固定為100 g，混煉條件為：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速20r/min，混煉溫度有4個(gè)溫度區(qū)（170、172、175、180℃）內(nèi)進(jìn)行，這樣可以避免溫度在200℃之上時(shí)ATH的吸熱分解；混合物在烘箱中110℃溫度下烘干6 h，使TPU中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.0003% ；在100℃下固化20 h成條形，在145℃和42 k Pa條件下壓制10 min[7]，并維持冷卻到室溫，再對(duì)樣品進(jìn)行性能測(cè)試；

TPU/ATH/云母復(fù)合材料的制備：在確定ATH的阻燃濃度后，按照同樣方法將云母加入到TPU/ATH復(fù)合材料中，在100℃下固化20 h成條形，再在同樣的條件下進(jìn)行極限氧指數(shù)測(cè)試和垂直燃燒試驗(yàn)。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

加工性能測(cè)試：設(shè)置轉(zhuǎn)矩流變儀轉(zhuǎn)速為45r/min，溫度為185 ℃[8]；

極限氧指數(shù)按GB/T 2406—1980進(jìn)行測(cè)定極限氧指數(shù)[9]；

UL 94垂直燃燒性能測(cè)試按FMVSS302/ZSO3975標(biāo)準(zhǔn)，樣條尺寸為127 mm×12.7 mm×3 mm[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 ATH用量對(duì)TPU阻燃性能的影響

分別將30、60、70、80 g未經(jīng)表面處理有ATH加入到TPU彈性體中，考察體系獲得阻燃性能時(shí)的填充物的最小濃度，結(jié)果顯示含30 g ATH的TPU彈性體迅速燒了；含60 g ATH的TPU彈性體緩慢燃燒；而含70 g和80 g ATH對(duì)TPU彈性體表現(xiàn)出明顯的阻燃性。

2.2 云母用量對(duì)TPU/ATH復(fù)合材料加工性能的影響

確定TPU阻燃體系中ATH用量（70 g和80 g）后，將不同含量的云母加入TPU/ATH復(fù)合材料中以改善其加工性能（如表1所示）。經(jīng)混合后的材料逐漸加入到擠壓機(jī)，因?yàn)樵撛O(shè)備的扭矩極限為160 N·m，這樣可以獲得復(fù)合材料穩(wěn)定的扭矩值。

表1 TPU/云母復(fù)合材料的加工性能Tab.1 Processing characteristics? of TPU/mica composites

2.3 云母用量對(duì)TPU/ATH復(fù)合材料阻燃性的影響

2.3.1 垂直燃燒性能

表2中顯示了不同復(fù)合材料根據(jù)UL 94垂直燃燒測(cè)試結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果來看，表2中樣品的第一次有焰燃燒的時(shí)間（t1）、第二次有焰燃燒時(shí)間（t2）、移去火焰后灼熱燃燒時(shí)間（t3）平均值變化非常小，且都具有V-2燃燒等級(jí)。這說明TPU/ATH體系已經(jīng)具有一定的阻燃性能，而云母的加入延長(zhǎng)了體系的燃燒時(shí)間，降低了阻燃效果，但這些都不足以改變復(fù)合材料的燃燒等級(jí)（V-2）。

表2 TPU/ATH/云母復(fù)合材料的UL 94垂直燃燒測(cè)試結(jié)果Tab.2results and classification of TPU/ATH/mica composites through the vertical burning test UL 94

2.3.2 極限氧指數(shù)

TPU/ATH/云母復(fù)合材料（ATH為70 g和80 g，云母為0和20 g）的極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3所示。由于TPU熔化非常迅速而造成火焰熄滅，不可測(cè)定其極限氧指數(shù)。但添加了ATH之后，復(fù)合材料則能測(cè)量出極限氧指數(shù)值，且云母的加入也不會(huì)影響體系的極限氧指數(shù)。有資料表明[4-5]，云母并不會(huì)降低ATH的阻燃性能。云母與TPU/ATH形成了復(fù)合體，提高了材料的易加工性，降低了產(chǎn)品的成本，增強(qiáng)了彈性體的力學(xué)性能。

表3 TPU/ATH云母復(fù)合材料的極限氧指數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Oxygenindex of TPU/ATH/mica composites

2.4 表面處理的ATH用量對(duì)TPU阻燃性能的影響

表面處理的ATH代替未表面處理的ATH制備成同樣的TPU/ATH復(fù)合材料，并對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行垂直燃燒測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 含表面處理的ATH的TPU/ATH/云母復(fù)合材料垂直燃燒的測(cè)試UL 94等級(jí)結(jié)果Tab.4 UL 94results of TPU/ATH/mica composites using ATH with surface treatment

從表4中可以看出，表面處理的TPU/ATH復(fù)合材料同樣能達(dá)到燃燒V-2等級(jí)。但是，燃燒時(shí)間的平均值更低。因此，表面處理的ATH具有更好的阻燃效果。但是，這類彈性體要達(dá)到更好的燃燒等級(jí)，則必須加大表面處理ATH的用量，但在目前的加工性能的要求下還需要做進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

（1）TPU與 ATH 質(zhì)量比為100/（70～80）時(shí)，復(fù)合材料具有很好的阻燃性能；

（2）加入云母不影響TPU/ATH復(fù)合材料的阻燃性能；對(duì)于未進(jìn)行表面處理的ATH，雖然延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間，降低了阻燃效果，但也不會(huì)改變彈性體的燃燒等級(jí)（UL 94 V-2級(jí)）；在TPU/ATH復(fù)合材料中加入云母能改善了材料的加工性能，降低產(chǎn)品價(jià)格；

（3）使用表面處理的ATH可以進(jìn)一步改善復(fù)合材料阻燃性能，但要達(dá)到更高的燃燒等級(jí)（V-0或V-1級(jí)）就必須加入大量的ATH，這在低溫下是難以實(shí)現(xiàn)的（受ATH高溫分解的限制），并且大量地添加填充物會(huì)降低其加工性能。

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