TPU/ATH/云母复合材料的制备及阻燃性能研究

李来丙，龚必珍

（湖南工学院材料与化学工程学院，湖南 衡阳421008）

0 前言

TPU作为一种集橡胶的高弹性与热塑性塑料的成型加工性于一体的特殊材料，具有优良的耐磨、拉伸、抗撕、耐油及耐老化等性能，可应用于汽车轮胎、输送带、鞋跟等。但TPU的价格昂贵，产品成本较高，且TPU的加工温度范围窄，难于加工，给TPU的推广应用带来了一些影响。通过适当途径来改善TPU的物理性能，提高加工性并降低原材料成本已势在必行。马晓燕等[1-2]对 TPU的动态热力学性能、耐油性、耐空气老化性能和力学性能等进行了研究，陈福泰等[3]也对TPU弹性体的力学性能进行了研究，但使用ATH加入TPU弹性体中实现阻燃未见报导，云母作为填料来降低TPU弹性体的成本也未见有研究。本文研究内容是将膨胀型阻燃填充剂ATH加入TPU弹性体，研究了其用量对弹性体的阻燃性能的影响；再通过加入云母降低产品成本、改善弹性体的加工性能和力学性能[4-5]。

1 实验部分

1.1 主要原料

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

云母，平均粒径约为30μm，超细粉末，密度2.6×103kg/m3，合肥中科阻燃新材料有限公司；

ATH，超细粉末，密度2.2×103kg/m3，平均粒径约为2.7μm，合肥中科阻燃新材料有限公司；

硬脂酸，1801，广州市义和化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

氧指数仪，HC-2，江宁仪器厂；

转矩流变仪，Brabender，德国Brabender公司；

垂直燃烧仪，CZF-2，上海丽驰计量仪器有限公司；

恒温干燥箱，DHG-9149A，上海善志仪器设备有限公司；

高速搅拌器，SFJ-400，山东龙兴化工机械集团有限公司；

挤压机，880T，无锡市万俊纺织机械有限公司。

1.3 样品制备

ATH表面处理：将ATH粉体在110℃干燥10 h，投入高速搅拌器中，加热至一定温度，用1%的硬脂酸喷洒于粉体，持续搅拌25 min，得到表面改性的 ATH[6]；

TPU/ATH复合材料的制备：将不同质量比的ATH与TPU混合，人工搅拌；利用转矩流变仪将ATH与TPU共混均匀，其中TPU的质量固定为100 g，混炼条件为：转子转速20r/min，混炼温度有4个温度区（170、172、175、180℃）内进行，这样可以避免温度在200℃之上时ATH的吸热分解；混合物在烘箱中110℃温度下烘干6 h，使TPU中水的质量分数小于0.0003% ；在100℃下固化20 h成条形，在145℃和42 k Pa条件下压制10 min[7]，并维持冷却到室温，再对样品进行性能测试；

TPU/ATH/云母复合材料的制备：在确定ATH的阻燃浓度后，按照同样方法将云母加入到TPU/ATH复合材料中，在100℃下固化20 h成条形，再在同样的条件下进行极限氧指数测试和垂直燃烧试验。

1.4 性能测试与结构表征

加工性能测试：设置转矩流变仪转速为45r/min，温度为185 ℃[8]；

极限氧指数按GB/T 2406—1980进行测定极限氧指数[9]；

UL 94垂直燃烧性能测试按FMVSS302/ZSO3975标准，样条尺寸为127 mm×12.7 mm×3 mm[10]。

2 结果与讨论

2.1 ATH用量对TPU阻燃性能的影响

分别将30、60、70、80 g未经表面处理有ATH加入到TPU弹性体中，考察体系获得阻燃性能时的填充物的最小浓度，结果显示含30 g ATH的TPU弹性体迅速烧了；含60 g ATH的TPU弹性体缓慢燃烧；而含70 g和80 g ATH对TPU弹性体表现出明显的阻燃性。

2.2 云母用量对TPU/ATH复合材料加工性能的影响

确定TPU阻燃体系中ATH用量（70 g和80 g）后，将不同含量的云母加入TPU/ATH复合材料中以改善其加工性能（如表1所示）。经混合后的材料逐渐加入到挤压机，因为该设备的扭矩极限为160 N·m，这样可以获得复合材料稳定的扭矩值。

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

2.3 云母用量对TPU/ATH复合材料阻燃性的影响

2.3.1 垂直燃烧性能

表2中显示了不同复合材料根据UL 94垂直燃烧测试结果。从试验结果来看，表2中样品的第一次有焰燃烧的时间（t1）、第二次有焰燃烧时间（t2）、移去火焰后灼热燃烧时间（t3）平均值变化非常小，且都具有V-2燃烧等级。这说明TPU/ATH体系已经具有一定的阻燃性能，而云母的加入延长了体系的燃烧时间，降低了阻燃效果，但这些都不足以改变复合材料的燃烧等级（V-2）。

表2 TPU/ATH/云母复合材料的UL 94垂直燃烧测试结果Tab.2results and classification of TPU/ATH/mica composites through the vertical burning test UL 94

2.3.2 极限氧指数

TPU/ATH/云母复合材料（ATH为70 g和80 g，云母为0和20 g）的极限氧指数测试结果如表3所示。由于TPU熔化非常迅速而造成火焰熄灭，不可测定其极限氧指数。但添加了ATH之后，复合材料则能测量出极限氧指数值，且云母的加入也不会影响体系的极限氧指数。有资料表明[4-5]，云母并不会降低ATH的阻燃性能。云母与TPU/ATH形成了复合体，提高了材料的易加工性，降低了产品的成本，增强了弹性体的力学性能。

表3 TPU/ATH云母复合材料的极限氧指数测试结果Tab.3 Oxygenindex of TPU/ATH/mica composites

2.4 表面处理的ATH用量对TPU阻燃性能的影响

表面处理的ATH代替未表面处理的ATH制备成同样的TPU/ATH复合材料，并对其各项性能进行垂直燃烧测试，结果如表4所示。

表4 含表面处理的ATH的TPU/ATH/云母复合材料垂直燃烧的测试UL 94等级结果Tab.4 UL 94results of TPU/ATH/mica composites using ATH with surface treatment

从表4中可以看出，表面处理的TPU/ATH复合材料同样能达到燃烧V-2等级。但是，燃烧时间的平均值更低。因此，表面处理的ATH具有更好的阻燃效果。但是，这类弹性体要达到更好的燃烧等级，则必须加大表面处理ATH的用量，但在目前的加工性能的要求下还需要做进一步的研究。

3 结论

（1）TPU与 ATH 质量比为100/（70～80）时，复合材料具有很好的阻燃性能；

（2）加入云母不影响TPU/ATH复合材料的阻燃性能；对于未进行表面处理的ATH，虽然延长了燃烧时间，降低了阻燃效果，但也不会改变弹性体的燃烧等级（UL 94 V-2级）；在TPU/ATH复合材料中加入云母能改善了材料的加工性能，降低产品价格；

（3）使用表面处理的ATH可以进一步改善复合材料阻燃性能，但要达到更高的燃烧等级（V-0或V-1级）就必须加入大量的ATH，这在低温下是难以实现的（受ATH高温分解的限制），并且大量地添加填充物会降低其加工性能。

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