基本信息
- 项目名称：
- 聚乙烯及其共聚物膨胀阻燃材料
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明采用了新型无卤膨胀阻燃剂，对聚乙烯及其共聚物材料进行膨胀阻燃。添加该阻燃剂的材料燃烧时，不释放有毒及腐蚀性气体。本发明材料与现有的聚乙烯及其共聚物阻燃材料相比，氧指数可达30以上，阻燃性能达到UL-94标准的V0级。本发明材料可以应用于化工、包装、机械、建筑以及电线电缆等行业。
- 详细介绍：
- 聚乙烯是目前产量最大的通用塑料之一，具有良好的机械强度、优良的电绝缘性能、耐化学腐蚀性能以及易成型加工等优点，被广泛应用于生产生活中的各个领域。然而聚乙烯极易燃烧，其极限氧指数(LOI)仅为17.0%，而且起火后伴有熔滴和延流起火现象，极易导致火灾蔓延。因此人们越来越重视对聚乙烯材料的阻燃改性。应用于聚乙烯的阻燃剂主要包括卤素阻燃剂、无机阻燃剂以及膨胀阻燃剂三类。 卤素阻燃剂虽然阻燃效率高，价格相对低廉，但其对环境污染严重，使用已经受到限制。无机阻燃剂虽然对环境无污染，但其阻燃效率低下，所需添加量较大，这必然对聚合物材料的力学性能破坏较大。而膨胀阻燃剂由于无卤、低毒、生烟量小和对材料力学性能破坏较小，故已成为阻燃领域的研究热点。 本发明系统的研究了阻燃剂中APP与CFA的质量配比、阻燃协效剂的种类和用量等因素对膨胀阻燃聚乙烯及其共聚物材料阻燃性能的影响。研究发现，APP/CFA为3/1时膨胀阻燃剂的阻燃效果最佳；Na-MMT，各种改性蒙脱土和4A 分子筛都具有一定的阻燃协效能力。其中有机蒙脱土 (OMMT)在提高材料阻燃性能方面作用更明显。不同的协效剂的最佳添加量也不同，其中OMMT的最佳添加量为IFR的8%，而4A 分子筛的最佳添加量为IFR的7%。 本发明的具体加工工艺：将膨胀阻燃材料上述各组分在高速混合机中混合后，再在双螺杆挤出机中进行共混、挤出、拉条、切粒，即得膨胀阻燃材料，其中双螺杆挤出机各区温度为160℃、170℃、185℃、190℃、190℃和185℃，螺杆转速为20MHz。 简例： 当以OMMT为协效剂，阻燃剂添加量为28份时，膨胀阻燃LLDPE材料可达到UL-94 V0级，氧指数提高到32.2%。 当以4A分子筛为协效剂，阻燃剂添加量为28份时，膨胀阻燃EVA材料可达到UL-94 V0级，氧指数提高到36.5%。 当以OMMT为协效剂，阻燃剂添加量为28份时，膨胀阻燃LLDPE/EVA材料可达到UL-94 V0级，氧指数提高到32.7%。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本发明的目的是解决现有的阻燃剂在烧然过程中释放出毒性气体的问题，提供了一种膨胀阻燃聚乙烯材料。 创新性在于采用了新型无卤膨胀阻燃剂，对PE材料进行膨胀阻燃。添加该阻燃剂的PE材料燃烧时，不释放有毒及腐蚀性气体。本发明材料与现有的聚乙烯及其共聚物阻燃材料相比，氧指数可达30以上，阻燃性能达到UL-94标准的V0级。 本发明的技术关键：膨胀阻燃材料按重量份数由65-80份的树脂基复合材料、20-35份的无卤膨胀阻燃剂、0.5-2.0份的加工助剂和0-1份的抗滴落剂组成。 本发明中所述的所述的树脂基复合材料为聚乙烯、聚乙烯醋酸乙烯酯中的一种或两者的共混物；树脂基复合材料为共混物，按重量份数由60-86重量份的聚乙烯与14-40重量份的聚乙烯醋酸乙烯酯组成；聚乙烯为线型低密度聚乙烯、低密度聚乙烯或高密度聚乙烯；无卤膨胀阻燃剂按重量份数由10-60份的三嗪系成炭―发泡剂、40-90份的聚磷酸铵和0-15份的阻燃协效剂组成；阻燃协效剂为4A分子筛、二氧化硅、蒙脱土或有机蒙脱土；加工助剂按重量份数由20-30份的抗氧剂1010、20-30份的N，N-乙撑双硬脂酸酰胺EBS和30-50份的PE蜡组成；所述的抗滴落剂为SN-3300抗滴落剂。 具体实施方式：将膨胀阻燃材料上述各组分在高速混合机中混合后，再在双螺杆挤出机中进行共混、挤出、拉条、切粒，即得膨胀阻燃材料，其中双螺杆挤出机各区温度为160℃、170℃、185℃、190℃、190℃和185℃，螺杆转速为20MHz。
科学性、先进性
- 本作品通过一系列实验研究科学的总结出膨胀阻燃剂中各个组分的最佳配比，同时总结出基体树脂中不同种类树脂的最佳配比，而且探讨出性价比最高的阻燃材料的配比。 该阻燃材料燃烧时不产生有毒有害气体，不污染环境，对人体没有伤害，同时其阻燃性能已经达到目前世界先进水平。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 目前本发明已与佳木斯沃尔德电缆厂达成合作协议并且已经进入到生产阶段。
技术转让方式
- 转让发明专利。
作品可展示的形式
- 实物、产品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明材料中不含卤素元素，解决了现有阻燃剂在燃烧中释放有毒气体问题；与现有阻燃材料相比，添加25-30份，本发明材料的氧指数可达30以上，阻燃性能可达UL94标准的V0级。同时拉伸强度可以达到8.5MPa,断裂伸长率也可以达到600%。除了阻燃性能优越，力学性能也很好，此材料燃烧时不释放有毒有害气体，是一种环境友好型材料。 本发明材料技术处于国内领先水平，适用于制备电线电缆护套，现已在佳木斯沃尔德电缆厂正式生产。据企业预测，该阻燃剂前景非常好，投产后可以为企业带来上亿元的产值。
同类课题研究水平概述
- 随着膨胀阻燃技术的不断发展，人们对膨胀阻燃剂各种性能的要求也越来越高，膨胀阻燃材料既要达到一定的阻燃级别，又要具有良好的物理机械性能、加工性能、热稳定性和耐水性等。膨胀阻燃剂的蓬勃发展也为膨胀阻燃LLDPE/EVA材料的发展开阔了更广泛的空间。近年来，开发了许多适用于聚乙烯的膨胀阻燃剂，如美国HoechstCelanese公司推出的Exolit IFR-10 和Exolit IFR-11两种新型的膨胀型阻燃剂，当在聚乙烯中添加30%~35%的上述阻燃剂时，材料氧指数可以达到30%，同时垂直燃烧级别达到UL-94 V0标准，生烟量与未阻燃材料相同，密度仅比未阻燃材料提高了10%~15%。英国Budenheim公司研制的Budit3167适用于PE及其他聚烯烃，当阻燃剂添加量在18%~25%份时，可以使阻燃材料达到UL-94 V0标准。此外还有意大利Montefluos公司的SpinflamMF82/PE，Spinflam MF82/PE可用于阻燃交联聚乙烯（XLPE）以及核电厂和地下工程等军事设施的电缆护套。国外其他商品化的膨胀阻燃剂还有美国Great lakes公司开发的Char-Guard CN329、美国Borg-Warner化学公司研制出的笼状结构Melabis，这些阻燃剂不仅使聚乙烯具有优良阻燃性能，同时对其各种使用性能影响较小。 国内四川大学等也对膨胀阻燃聚乙烯材料进行了研究。谢飞将三季戊四醇酯、聚磷酸铵及三聚氰胺磷酸盐与LDPE复合，制备膨胀型阻燃PE电缆料，在阻燃剂添加总量为30%时，LOI可达29.8%。李明制备的HDPE/EVA/有机蒙脱土纳米复合阻燃材料，当添加35% APP/PER时，其阻燃性能可达到UL-94 V0级，LOI达34%，且熔融过程较短，在较小温度范围内可提供足够强度的膨胀炭层。王玉忠等发明的无卤膨胀型阻燃聚烯烃复合物，不仅具有高氧指数、抗熔滴、低热释放速率、无卤、低毒、低烟尘排放和对基材力学性能影响较小等优点，可用于各种阻燃材料领域，特别适合用于电线电缆、通讯电缆及船泊、汽车等行业。
