[发明专利]芳纶纤维及其改性体作为阻燃剂的阻燃热塑性塑料

说明书

技术领域

本发明属于阻燃热塑性塑料的技术领域，具体涉及芳纶纤维及其改性体作为阻燃剂的阻燃热塑性塑料。

背景技术

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）是目前世界上比较常用的塑料之一，它兼具了塑料的加工工艺性能与橡胶的物理机械性能，具有高弹性、高强度、高耐磨性、耐辐射性、耐油性、耐低温脆性，并且硬度在很大范围内可调等力学性能，在国民经济的许多领域有广泛的应用。但是TPU由于本身结构特殊，极容易燃烧，TPU燃烧时火焰剧烈并且伴有浓烈的黑烟，热释放量大，同时具有严重的熔滴滴淌现象，使其直接应用到工业具有很大的局限性，所以阻燃热塑性聚氨酯材料的研究一直是当今聚氨酯材料研究的热点。据《阻燃剂的发展及在塑料中的应用》（塑料，31:11-15，2002）介绍，传统的阻燃剂（如卤系阻燃剂）在火灾中往往会产生很多有害烟气，甚至提高了烟气的毒性和腐蚀性，易造成重大人员伤亡。而传统无卤阻燃剂，如铝镁氢氧化物等阻燃效果好、低烟无毒，但所需阻燃剂的添加量较大，使材料的力学性能如拉伸强度，断裂强度下降。

芳纶全称为"聚对苯二甲酰对苯二胺"，英文为Aramid fiber，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，其强度是钢丝的 5～6倍 ，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的1/5左右，在560 ^oC的温度下不分解不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。

芳纶纤维分为两种，分别是间位芳纶纤维和对位芳纶纤维。这两大类芳纶的主要区别是，酰胺键与苯环上的C原子相连接的位置不同。

间位芳纶的极限氧指数(LOI)大于28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧。间位芳纶的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数降低或丧失阻燃性能。间位芳纶具有很好的热稳定性，在205℃的条件下可以连续使用，在大于205℃高温条件下仍能保持较高的强力。间位芳纶具有较高的分解温度，而且在高温条件下不会熔融、融滴，当温度大于370℃时才开始炭化。对位芳纶的耐温性能要高于间位芳纶，连续使用温度范围为-196 ℃ ～ 204 ℃，在560℃高温下不分解、不熔化。对位芳纶最显著的特性是高强度、高模量，其强度大于25克/旦，是优质钢材的5～6倍、玻纤的3倍、高强尼龙工业丝的2倍； 模量是优质钢材或玻璃纤维的2～3倍、高强尼龙工业丝的10倍。

尽管芳纶具有高强度、高模量、耐高温、密度低等优异性能，但因为芳纶是由刚性分子链组成，具有独特的皮-芯结构，芯部棒状分子通过氢键平行排列，皮部由结晶度高的刚性分子链沿纤维轴向平行排列，皮部厚度约为整个纤维直径的1%-40%，刚性分子链中，苯环对酰胺官能团上的氢具有屏蔽作用，使得该氢原子不活泼，难于被其它基团替代，且表面结晶度高，表面光滑，浸润性差，限制了其在复合材料领域中的应用。

芳纶的整体结构中存在大量的微缺陷，当受力时，断裂也往往从微缺陷展开，导致纤维力学性能降低。因而对芳纶纤维表面进行改性，增加表面活性基团，以及对纤维结构进行改性优化，减少内部微缺陷显得尤为重要。

目前，芳纶纤维表面改性大体分为物理方法和化学方法两种。物理法又包括表面涂层、高能射线、等离子体、超声浸渍等；化学方法包括表面活性化、表面接枝等。

芳纶纤维由于其优异的耐高温阻燃性能，已经引起了各方面的广泛关注。在国内曾有人将芳纶纤维与羊毛、棉按照一定比例进行混纺，研究不同比例的纺织物的耐高温阻燃性能，结果表明芳纶纤维的添加对纺织物的耐高温性能有显著提高。还有报道称采用芳纶纤维、阻燃粘胶以及导电纤维混纺，利用该混纺纱开发阻燃抗静电复合功能织物。在国外，芳纶纤维已经被广泛应用于如高温过滤袋、消防服、消防面罩、军警作训服，飞机、汽车、高铁的阻燃内饰及织物，制成防火毯、逃生绳、阻燃窗帘等。但是国内外并没有将芳纶纤维用于阻燃TPU的相关研究，目前TPU的应用领域日益广泛，对阻燃TPU的要求也愈加强烈。因此，研究芳纶纤维对TPU的阻燃性能，是十分有必要和有意义的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种芳纶纤维及其改性体作为阻燃剂的阻燃热塑性塑料，阻燃剂的阻燃效率高、用量少、低毒，并将其用于阻燃热塑性塑料，尤其是热塑性聚氨酯弹性体，克服现有热塑性聚氨酯弹性体燃烧热释放量大、生烟多且毒性高的缺点。