[发明专利]含有膨胀石墨烯的聚合物复合材料

说明书

本发明涉及聚合物复合材料。具体地，本发明涉及阻燃聚合物复合材料。

对于许多聚合物复合材料应用，阻燃性能仍然是重要问题。尤其是当与性质如物理性质、导热性和导电性结合时，阻燃性经常是难以捉摸的。阻燃性能在诸如地板、建筑物和建筑材料、管线、电线、电缆和包括采矿输送带的输送表面的应用中是特别重要的。导热性和导电性在要求电磁或射频屏蔽的应用中是重要的。

在阻燃技术中，存在三种在电线和电缆中广为应用的基本方法：(1)气相阻燃剂；(2)吸热阻燃剂；和(3)成焦阻燃剂。

气相阻燃剂降低燃烧热(ΔH_C)，从而通过淬灭反应过程中的自由基导致燃烧不完全。一个缺点是气相阻燃剂(例如卤素或磷酸盐/酯化合物)的潜在的环境问题。

吸热阻燃剂从火焰吸取热。它通过吸热释放H₂O在气相和凝固相中起作用，使得聚合物系统冷却和气相稀释。然而，它需要高负荷(例如30-50重量％)，这对机械性质产生负面影响。它通常来自于金属水合物(metal hydrates)如三水合氧化铝(ATH)和氢氧化镁。

成焦阻燃剂在凝聚相中起作用，从而为下面的聚合物提供热绝缘和提供物质输送障碍，以及防止或延迟燃料逸出到气相中。它也需要高负荷(20-50重量％)，这对聚合物系统的机械性质产生负面影响。

如此，需要(1)提高具有较低填料水平的阻燃组合物的氧指数，(2)提供具有改善的自熄行为的组合物，所述改善的自熄行为通过在UL 94平置式燃烧试验中形成均匀膨胀炭(homogeneous intumescent chars)得到证实，和(3)降低锥形量热计试验(Cone Calorimeter test)测量的平均放热速率。还需要添加的包含聚合物复合材料的阻燃剂(1)无毒，(2)无重金属，(3)不含卤素，(4)在水和其它溶剂中不可溶，(5)当暴露于热源时具有改善的烟雾和有毒气体释放，和(6)与气相阻燃剂和吸热阻燃剂协同工作。

本发明的聚合物组合物包含有机聚合物和纳米石墨烯(nanographene)。

适合的有机聚合物包括诸如聚烯烃和聚氯乙烯的聚合物。适合的聚烯烃聚合物包括乙烯聚合物、丙烯聚合物及其共混物。

当在本申请中使用时，乙烯聚合物是乙烯均聚物或乙烯和较小部分的具有3-12个碳原子，并且优选为4-8个碳原子的一种或多种α-烯烃和任选的二烯的共聚物，或者该均聚物和共聚物的混合物或共混物。所述混合物可为机械共混物或原位共混物。α-烯烃的实例为丙烯、1-丁烯、1-己烯、4-甲基-1-戊烯和1-辛烯。所述聚乙烯也可为乙烯和不饱和酯如乙烯基酯(例如，乙酸乙烯酯或丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯)的共聚物、乙烯和不饱和酸如丙烯酸的共聚物或乙烯和乙烯基硅烷(例如，乙烯基三甲氧基硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷)的共聚物。

所述聚乙烯可为均相或非均相的。均相聚乙烯通常具有1.5-3.5的多分散性(Mw/Mn)和基本一致的共聚单体分布，以及特征在于通过差示扫描量热计测量的单一和较低的熔点。非均相聚乙烯通常具有大于3.5的多分散性(Mw/Mn)和缺乏一致的共聚单体分布。将Mw定义为重均分子量，将Mn定义为数均分子量。

所述聚乙烯的密度可为0.860-0.960克/立方厘米，并且优选为0.870-0.955克/立方厘米。它们也可具有0.1-50克/10分钟的熔体指数。如果所述聚乙烯是均聚物，则它的熔体指数优选为0.75-3克/10分钟。熔体指数在ASTM D-1238的Condition E下测定和在190℃和2160克测量。

低压法或高压法可制备聚乙烯。它们可通过常规技术在气相法中或在液相法(即，溶液或浆液法)中制备。低压法通常在低于1000磅/平方英寸(″psi″)的压力运行，而高压法通常在高于15,000psi的压力运行。

用于制备这些聚乙烯的典型催化剂体系包括基于镁/钛的催化剂体系、基于钒的催化剂体系、基于铬的催化剂体系、金属茂催化剂体系和其它过渡金属催化剂体系。经常将这些催化剂体系中的许多称为Ziegler-Natta催化剂体系或Phillips催化剂体系。可用的催化剂体系包括在二氧化硅-氧化铝载体上使用的铬氧化物或钼氧化物的催化剂。

可用的聚乙烯包括高压法制备的乙烯的低密度均聚物(HP-LDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)、极低密度聚乙烯(VLDPE)、超低密度聚乙烯(ULDPE)、中等密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和金属茂共聚物。