TPU/ATH/云母復合材料的制備及阻燃性能研究

李來丙，龔必珍

（湖南工學院材料與化學工程學院，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，具有優良的耐磨、拉伸、抗撕、耐油及耐老化等性能，可應用于汽車輪胎、輸送帶、鞋跟等。但TPU的價格昂貴，產品成本較高，且TPU的加工溫度范圍窄，難于加工，給TPU的推廣應用帶來了一些影響。通過適當途徑來改善TPU的物理性能，提高加工性并降低原材料成本已勢在必行。馬曉燕等[1-2]對 TPU的動態熱力學性能、耐油性、耐空氣老化性能和力學性能等進行了研究，陳福泰等[3]也對TPU彈性體的力學性能進行了研究，但使用ATH加入TPU彈性體中實現阻燃未見報導，云母作為填料來降低TPU彈性體的成本也未見有研究。本文研究內容是將膨脹型阻燃填充劑ATH加入TPU彈性體，研究了其用量對彈性體的阻燃性能的影響；再通過加入云母降低產品成本、改善彈性體的加工性能和力學性能[4-5]。

1 實驗部分

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，超細粉末，密度2.6×103kg/m3，合肥中科阻燃新材料有限公司；

ATH，超細粉末，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 主要設備及儀器

氧指數儀，HC-2，江寧儀器廠；

轉矩流變儀，Brabender，德國Brabender公司；

垂直燃燒儀，CZF-2，上海麗馳計量儀器有限公司；

恒溫干燥箱，DHG-9149A，上海善志儀器設備有限公司；

高速攪拌器，SFJ-400，山東龍興化工機械集團有限公司；

擠壓機，880T，無錫市萬俊紡織機械有限公司。

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，持續攪拌25 min，得到表面改性的 ATH[6]；

TPU/ATH復合材料的制備：將不同質量比的ATH與TPU混合，人工攪拌；利用轉矩流變儀將ATH與TPU共混均勻，其中TPU的質量固定為100 g，混煉條件為：轉子轉速20r/min，混煉溫度有4個溫度區（170、172、175、180℃）內進行，這樣可以避免溫度在200℃之上時ATH的吸熱分解；混合物在烘箱中110℃溫度下烘干6 h，使TPU中水的質量分數小于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，再對樣品進行性能測試；

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

1.4 性能測試與結構表征

加工性能測試：設置轉矩流變儀轉速為45r/min，溫度為185 ℃[8]；

極限氧指數按GB/T 2406—1980進行測定極限氧指數[9]；

UL 94垂直燃燒性能測試按FMVSS302/ZSO3975標準，樣條尺寸為127 mm×12.7 mm×3 mm[10]。

2 結果與討論

2.1 ATH用量對TPU阻燃性能的影響

分別將30、60、70、80 g未經表面處理有ATH加入到TPU彈性體中，考察體系獲得阻燃性能時的填充物的最小濃度，結果顯示含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TPU彈性體表現出明顯的阻燃性。

2.2 云母用量對TPU/ATH復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復合材料中以改善其加工性能（如表1所示）。經混合后的材料逐漸加入到擠壓機，因為該設備的扭矩極限為160 N·m，這樣可以獲得復合材料穩定的扭矩值。

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

2.3 云母用量對TPU/ATH復合材料阻燃性的影響

2.3.1 垂直燃燒性能

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

表2 TPU/ATH/云母復合材料的UL 94垂直燃燒測試結果Tab.2results and classification of TPU/ATH/mica composites through the vertical burning test UL 94

2.3.2 極限氧指數

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

表3 TPU/ATH云母復合材料的極限氧指數測試結果Tab.3 Oxygenindex of TPU/ATH/mica composites

2.4 表面處理的ATH用量對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復合材料，并對其各項性能進行垂直燃燒測試，結果如表4所示。

表4 含表面處理的ATH的TPU/ATH/云母復合材料垂直燃燒的測試UL 94等級結果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復合材料同樣能達到燃燒V-2等級。但是，燃燒時間的平均值更低。因此，表面處理的ATH具有更好的阻燃效果。但是，這類彈性體要達到更好的燃燒等級，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一步的研究。

3 結論

（1）TPU與 ATH 質量比為100/（70～80）時，復合材料具有很好的阻燃性能；

（2）加入云母不影響TPU/ATH復合材料的阻燃性能；對于未進行表面處理的ATH，雖然延長了燃燒時間，降低了阻燃效果，但也不會改變彈性體的燃燒等級（UL 94 V-2級）；在TPU/ATH復合材料中加入云母能改善了材料的加工性能，降低產品價格；

（3）使用表面處理的ATH可以進一步改善復合材料阻燃性能，但要達到更高的燃燒等級（V-0或V-1級）就必須加入大量的ATH，這在低溫下是難以實現的（受ATH高溫分解的限制），并且大量地添加填充物會降低其加工性能。

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