[发明专利]阻燃矿物填充剂和阻燃聚合物组合物

说明书

技术领域

本发明涉及阻燃聚合物组合物领域，并且因此涉及待被加入到聚合物中作为阻燃添加剂的阻燃剂或阻燃矿物填充剂，其包括钙化合物和镁化合物。

背景技术

将阻燃添加剂或防火剂或进一步的耐火添加剂并入到聚合物基质中，以减缓或阻挡聚合物在着火情况下燃烧。此外，这些阻燃添加剂(在下文中称之为填充剂)的效果可区分为两类，即化学效果和物理效果。

对于化学效果，发现在温度的影响下加速了聚合物链的断裂，这导致了产生熔融聚合物，而该熔融聚合物将滴落并且在火灾中产生热区域。在基于含磷阻燃剂的体系的情况下，发现通过填充剂和聚合物之间的反应形成了炭化层，而该层随后用作阻断层，并且防止有助于火灾的可燃气体的释放。此外，在温度升高时，再次发现填充剂释放不易燃化合物或该填充剂捕获气相中存在的自由基。这些化学效果的一些可通过卤代的填充剂(溴化物和氯化物)而获得，然而卤代的填充剂由于毒理学因素和环境因素而逐渐被放弃。

在物理效果中，发现填充剂的吸热分解反应导致聚合物的冷却，并且释放出如蒸汽或CO₂的惰性气体，该惰性气体随后用作氧化剂和可燃气体的稀释剂。最后，还发现由填充剂的降解而形成了保护层，该层将再次防止可燃气体的释放。这些物理效果通常利用矿物填充剂而获得。

通常，包括一方面为矿物填充剂以及另一方面为聚合物的组合物应当具有一定的特征以便于实际应用。首先，应当量化阻燃效果以评估这种组合物的益处。锥形量热计的标准化方法(ISO 5660-1或ASTM E 1354)被用于确定当聚合物组合物暴露在可控水平的辐射热中时，由可选地含有矿物填充剂的聚合物组合物释放的热释放(HRR表示释放热速率，并且表示为kW/m²)。该方法(下文中称为“火灾测试”)进一步允许确定易燃性、质量损失、烟雾的产生或进一步地确定组合物的燃烧热。对于填充的聚合物，不是特别大量的热表示矿物填充剂的良好的阻燃作用。

存在有用于评估阻燃效果的其它方法。LOI(极限氧指数)被用于根据标准(ASTM D 2863)表示材料的相对易燃性，并且对应于极限氧水平(在O₂-N₂混合物中)，在极限氧指数以下，点火充分，但是燃烧并不进行传播，而在该极限氧指数以上，燃烧传播。由于大气中氧气水平为21％。LOI小于21的材料将被分类为“可燃的”，而对于LOI大于21的材料将被分类为“自熄的”，在没有外部能量供应的情况下，他们的燃烧并不传播。

所谓的“热辐射火焰(epiradiator)”测试(NF P92-505)由使大小为70mm×70mm×4mm的板经受恒定的热辐射(500W)组成，并且可能导致释放的气体点燃。一旦该板失火，在3秒之后移开该辐射器，并且当样品熄灭时，随后将辐射器放回到其初始位置。该操作以5分钟的最小间隔进行更新。该测试给出了能够量化材料的耐燃性(点火时间)以及其自熄灭能力(点火数)。

还存在其它方法，其通常对应于填充的聚合物的具体应用(电缆、电气设备、电部件…)，其中，点燃测试UL94，所谓的“白炽丝”测试(IEC 60695-2)的各种方法，适用于电缆的锥形量热计(EN 50399)…

此外，对于在组合物中给定的高比例的这些矿物填充剂，重要的是，评估矿物填充剂将对聚合物组合物的机械性质的影响。因此，填充的聚合物应当具有可接受的机械强度(牵引、冲击)特性。

这些机械强度特性尤其利用拉伸测试，例如根据50mm/min的延伸率的ASTM D638或ISO 527-1标准来评估。该方法允许以百分比确定断裂延伸率。此外，根据ISO EN 179-2标准来量化耐冲击性，该ISO EN 179-2标准用kJ/m²确定弹性。

与聚合物一起使用以获得阻燃效果的最常见的矿物填充剂主要的氢氧化铝也被称为ATH的Al(OH)₃以及也被称为MDH的氢氧化镁Mg(OH)₂。

氢氧化铝代表了目前市场中用于阻燃添加剂的主要部分。其降解温度为220℃的量级。该吸热降解消耗1050kJ/kg并且导致保护性氧化铝Al₂O₃层的形成。