Патент на изобретение №2346017

(54) ОГНЕСТОЙКИЙ ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к огнестойким композиционным материалам, включающим полимерную основу и наполнитель – антипирен. Огнестойкий полимерный композиционный материал содержит полимерную основу и огнестойкий наполнитель в полимерной основе, а также включает затравочный порошкообразный бемит, имеющий коэффициент формы частиц не менее 3:1, причем композиционный материал имеет класс огнестойкости V-0 или V-1 согласно методу UL 94. Представлены другие варианты огнестойкого композиционного материала, а также способ получения такого материала. Достигается улучшение эксплуатационных свойств огнестойких композиционных материалов. 4 н. и 36 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Область техники

Данное изобретение в общем относится к огнестойким композиционным материалам и, более конкретно, к огнестойким композиционным материалам, которые включают полимерную основу и наполнитель – антипирен – для повышения огнестойкости.

Уровень техники

Вследствие быстрого развития технологии в последние десятилетия появилась все возрастающая потребность в материалах с хорошими эксплуатационными характеристиками, включая керамику, металлы и полимеры, используемые в самых разных областях. Например, в случае микроэлектронных приборов рынок диктует необходимость создания компактных качественных продуктов, которые занимают меньший объем и работают при высоких плотностях электрического тока. Эти высокие величины плотности электрического тока приводят к увеличению образования тепла и часто к повышению рабочих температур. В этом контексте стали очень важными вопросы безопасности при применении упаковочных материалов для микроэлектроники, которые обеспечивают огнестойкость. Применение огнестойких упаковочных материалов является только одним из многих примеров, когда дизайнеры устройств используют огнестойкие материалы. Например, огнестойкие термопластичные полимеры находят применение в качестве конструкционных материалов.

Кроме того, существует потребность в огнестойких материалах для удовлетворения все возрастающих требований к безопасности в некоторых областях. Соответственно, промышленность продолжает нуждаться в усовершенствованных композиционных материалах, например в улучшенных материалах на основе полимеров, которые обладают желаемой огнестойкостью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним аспектом данного изобретения предусмотрен огнестойкий полимерный композиционный материал. Этот композиционный материал включает полимерную основу, огнестойкий наполнитель, содержащий затравочный порошкообразный бемит, который имеет коэффициент формы не менее чем 2:1, обычно не менее чем 3:1, и класс огнестойкости V-0 или V-1 согласно методу UL 94.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Данное изобретение будет более понятным, а его многочисленные цели, признаки и преимущества станут более очевидными специалистам из прилагаемых чертежей.

На фиг.1 показана схема получения полимерного композиционного материала в соответствии с вариантом данного изобретения.

Фиг.2 иллюстрирует данные термогравиметрического анализа (TGA) зародышевого бемита по сравнению с обычным АТН.

Применение одних и тех же обозначений на разных чертежах показывает похожие или идентичные положения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

В соответствии с одним из аспектов данного изобретения предусмотрен огнестойкий полимерный композиционный материал, который включает полимерную основу и огнестойкий наполнитель. Огнестойкий наполнитель включает затравочный порошкообразный бемит, который имеет коэффициент формы не менее чем примерно 3:1. Обычно полимерная основа представляет собой материал, который имеет коммерческое значение и применяется в промышленности, но часто не имеет собственной огнестойкости. Количественно огнестойкость может быть измерена согласно методу UL 94, применяемому в лабораториях страховых компаний, так называемому методу вертикального горения. Метод UL 94 осуществляется согласно стандартам ASTM D635, материалы располагаются по шкале V на основе нескольких наблюдаемых характеристик, включая время распространения пламени, время тления, степень горения, а также способность образца воспламенять хлопок. Обычно материалы на основе полимеров, которые представляют интерес с точки зрения огнестойкости, имеют показатель по UL 94, равный V-2 или выше, указывающий летучесть (volatility) при некоторых условиях. Дополнительные свойства полимерной основы согласно вариантам данного изобретения указаны ниже. Вначале мы рассмотрим огнестойкий наполнитель, затравочный порошкообразный бемит по изобретению, который значительно повышает огнестойкость.

Согласно конкретному варианту порошкообразный затравочный бемит предпочтительнее применять, чем бемит, полученный без зародышеобразования, включая незатравочную гидротермическую обработку и осаждение. Как более подробно указано ниже, данное изобретение обеспечило огнестойкость, даже без дополнительных огнестойких компонентов, улучшающих эксплуатационные характеристики.

Затравочный порошок бемита обычно получают способом, который включает введение предшественника бемита и зародышей бемита в суспензию и тепловую обработку (такую как гидротермическая обработка) суспензии (или золь, или суспензия) для превращения предшественника бемита в порошок бемита, состоящий из частиц или кристаллитов. Согласно одному из аспектов порошок бемита имеет довольно удлиненную морфологическую, обычно описываемую ниже в данной заявке отношением длины к диаметру коротких волокон.

Термин “бемит” обычно используется для обозначения гидратов окиси алюминия, включая минерал бемит, обычно представляющий собой Al₂О₃·Н₂O и имеющий содержание воды порядка 15%, а также псевдобемит, содержащий более 15% воды, например 20-38% по весу. Известно, что бемит (включая псевдобемит) состоит из частиц и имеет идентифицируемую кристаллическую структуру и соответственно уникальную дифрактограмму и как таковой отличается от других алюминийсодержащих материалов, включая другие гидраты окиси алюминия, такие как АТН (тригидроксид алюминия), обычный предшественник, используемый здесь для получения порошкообразного бемита.

Коэффициент формы, определяемый как отношение самого большого размера к следующему по величине размеру, перпендикулярного первому, обычно составляет не менее 2:1, предпочтительно не менее 3:1, 4:1 или 6:1. В действительности некоторые материалы имеют довольно удлиненные частицы с отношением не менее 9:1, 10:1, а в некоторых случаях не менее 14:1. В случае иглообразных частиц они могут быть также охарактеризованы со ссылкой на второй коэффициент формы, определяемый как отношение второго по величине размера к третьему по величине размеру. Второй коэффициент формы обычно составляет не более 3:1, обычно не более 2:1 или даже 1,5:1 и часто примерно 1:1. Второй коэффициент обычно описывает поперечную геометрию частиц в плоскости, перпендикулярной самому большому размеру.

Пластинки или пластинообразные частицы обычно имеют удлиненную структуру с коэффициентами формы, описанными выше для иглообразных частиц. Однако пластинообразные частицы обычно имеют противоположные основные поверхности, при этом эти противоположные основные поверхности обычно являются плоскими и обычно параллельными друг другу. Кроме того, пластинообразные частицы могут быть охарактеризованы как имеющие второй коэффициент формы, превышающий величину такового для иглообразных частиц, обычно не менее примерно 3:1, такой как не меньше примерно 6:1 или даже не меньше 10:1. Обычно самый меньший размер или размер кромки, который перпендикулярен противоположным основным поверхностям, имеет размер менее 50 нм.

Морфология затравочного порошка бемита может быть также определена размером частиц, более конкретно средним размером частиц. Затравочный порошок бемита, то есть бемита, полученного методом зародышеобразования (более подробно описанным ниже), имеет сравнительно мелкие частицы или кристаллиты. Обычно средний размер частиц не превышает примерно 1000 нм и находится в пределах от примерно 100 до 1000 нм. Другие материалы имеют частицы даже меньшего размера, такие как не превышающие 800 нм, 600 нм, 500 нм, 400 нм и даже частицы со средним размером менее 300 нм, образуя мелкодисперсный порошок. Согласно некоторым вариантам средний размер частиц составлял менее 200 нм, например находился в пределах от примерно 100 нм до примерно 150 нм.

Используемый здесь термин “средний размер частиц” применяют для обозначения среднего самого длинного размера частиц. Вследствие удлиненной морфологии частиц обычные методы часто не подходят для измерения среднего размера частиц, так как эти методы обычно основаны на предположении, что частицы являются сферическими или почти сферическими. Соответственно, средний размер частиц определяли путем отбора множества образцов и физического измерения размера частиц, находящихся в этих репрезентативных образцах. Такие образцы можно отбирать различными методами, такими как сканирующая электронная микроскопия (SEM).

Было обнаружено, что затравочный порошкообразный бемит по изобретению имеет мелкодисперсные частицы, в то время как часто конкурентные методы без применения зародышеобразования не могут обеспечить получение частиц очень маленького размера в контексте анизотропных частиц. В этом отношении следует заметить, что в литературе часто указанные размеры частиц не являются средними, как в данной заявке, а скорее относятся к номинальным размерам частиц, определенным при физическом осмотре образцов порошка материала. Соответственно, средний размер частиц будет находиться в пределах, указанных в известных источниках, обычно около примерно арифметической средней точки в указанном интервале, для ожидаемого гауссовского распределения частиц по размерам. Если же при описании способов без применения зародышеобразования указано, что частицы являются мелкодисперсными, это обычно обозначает низший предел в распределении частиц по размерам, но не средний размер частиц.

Точно так же, вышеуказанные коэффициенты формы обычно соответствуют средней величине этого отношения для репрезентативного образца, а не верхнему или нижнему пределам, связанным с величинами отношения для порошкообразного материала. Часто в литературе указанные величины этого отношения не указаны как средние, как в данной заявке, а скорее относятся к номинальным пределам этих отношений, полученным при физическом осмотре образцов порошка материала. Соответственно, средняя величина отношения будет находится в указанных пределах в случае известного способа, обычно вблизи арифметической средней точки в этих пределах для ожидаемого гауссовского распределения частиц по их морфологии. Если же при описании способов без применения зародышеобразования указано, что частицы являются мелкодисперсными, это обычно обозначает низший предел в распределении частиц по размерам, но не средний размер частиц.

Кроме коэффициента формы частиц и среднего размера частиц порошка материала морфология порошкообразного материала может быть также охарактеризована величиной удельной поверхности. Общедоступная методика BET (Брунауэра – Эммета – Теллера) использовалась для измер ения удельной поверхности порошкового материала. Согласно изобретению порошковый бемит обладает довольно большой удельной поверхностью, обычно не менее 10 м²/г, например не менее примерно 50 м²/г, 70 м²/г или не менее 90 м²/г. Так как площадь удельной поверхности представляет собой функцию морфологии частиц, а также размера частиц, величина площади удельной поверхности составляла обычно менее примерно 400 м²/г, например менее примерно 350 или 300 м²/г.

Что касается подробностей способов, которыми может быть получен порошок бемита, то обычно из предшественника бемита, как правило, алюминийсодержащего материала, включающего бокситы, получают эллипсоидальные, иглообразные или пластинчатые частицы бемита путем гидротермической обработки, как описано в патенте США №4797139. Более конкретно, порошок бемита может быть получен путем смешения предшественника бемита и зародышей бемита в суспензии, тепловой обработки суспензии (золя или суспензии) с целью превращения сырого материала в порошок бемита, который затем подвергается воздействию зародышей бемита, содержащихся в суспензии. Нагревание обычно проводят в аутогенной среде, то есть в автоклаве, при этом давление во время процесса повышается. Величина рН суспензии обычно устанавливается равной менее 7 или более 8, и размер частиц затравочного бемита составляет менее примерно 0,5 мк. Обычно частицы зародышей содержатся в количестве, превышающем 1% по весу в расчете на предшественник бемита (определенный как Al₂О₃), а нагревание проводят при температуре более примерно 120°С, например более примерно 125°С или даже более примерно 130°С, и при давлении, превышающем примерно 85 ф/дюйм² (586 кПа), например более примерно 90 ф/дюйм² (620,5 кПа), 100 ф/дюйм² (689,4 кПа) или даже более 110 ф/дюйм² (758,4 кПа).

Порошкообразный материал может быть получен при гидротермических условиях с относительно небольшим количеством зародышей и при кислом рН, что приводит к предпочтительному росту частиц бемита вдоль одной оси или двух осей. Более продолжительная гидротермическая обработка может быть применена для образования даже более длинных частиц бемита с более высоким коэффициентом формы и/или вообще к получению больших частиц.

После тепловой обработки, такой как гидротермическая обработка, и превращения бемита жидкие компоненты обычно удаляются, например, путем ультрафильтрации или путем тепловой обработки для удаления оставшейся жидкости. Затем полученную массу обычно измельчают, например, до 100 меш. Следует заметить, что размер частиц, указанный в данной заявке, обычно относится к единичным кристаллитам, образовавшимся в процессе обработки, а не к агрегатам, которые могут оставаться иногда (например, в случае тех продуктов, которые требуют получения агрегированного материала).

Согласно данным, полученным изобретателями, во время обработки исходного бемита несколько переменных величин могут быть изменены для обеспечения нужной морфологии. Эти переменные обычно включают весовое отношение, то есть отношение предшественника бемита к зародышам бемита, конкретный вид кислоты или основания, применяемых во время проведения процесса (а также величину относительного рН) и температуру (величина которой прямо пропорциональна давлению в аутогенной гидротермической среде) системы.

В частности, когда изменено весовое отношение при неизменности других переменных величин, форма и размер частиц, образующих порошок бемита, меняются. Например, когда обработку проводят при 180°С в течение 2 ч в 2%-ном (вес) растворе азотной кислоты, при отношении АТН:зародыши бемита, равном 90:10, образуются иглообразные частицы (АТН является предшественником бемита). В противоположность этому, когда отношение АТН:зародыши бемита уменьшается до величины 80:20, частицы становятся эллипсоидальными. Далее, когда отношение снижается до 60:40, частицы становятся почти сферическими. Соответственно, наиболее типичным является отношение предшественника бемита к зародышам бемита не менее примерно 60:40, например не менее примерно 70:30 или 80:20. Однако для обеспечения адекватного количества зародышей для ускорения образования мелкодисперсных частиц, что является желательным, весовое отношение предшественника бемита к зародышам бемита обычно не превышает примерно 99:1 или 98:2. Исходя из вышесказанного, увеличение весового отношения обычно приводит к повышению величины коэффициента формы, в то время как уменьшение весового отношения обычно приводит к уменьшению этой величины.

Далее, когда меняется вид кислоты или основания при условии постоянности остальных переменных величин, форма (например, коэффициент формы) и размер частиц меняются. Например, когда процесс проводят при 100°С в течение 2 ч при отношении АТН:зародыши бемита, равном 90:10, в 2%-ном (вес) растворе азотной кислоты, образующиеся частицы обычно являются иглообразными по контрасту со случаем, когда кислотой является HCl в количестве 1 вес.% или менее, и образующиеся частицы становятся почти сферическими. Когда применяют 2 вес.% или более HCl, образующиеся частицы обычно становятся иглообразными. В случае 1 вес.% муравьиной кислоты образующиеся частицы имеют форму пластинок. Далее, при применении раствора основания, такого как 1%-ный (вес) раствор КОН, полученные частицы имеют форму пластин. Если используют смесь кислот и оснований, например 1%-ный (вес) раствор КОН и 0,7%-ный (вес) раствор азотной кислоты, образовавшиеся частицы становятся пластинчатыми.

Подходящие кислоты и основания включают минеральные кислоты, такие как азотная кислота, органические кислоты, такие как муравьиная, галоидсодержащие кислоты, такие как соляная кислота, и кислые соли, такие как нитрат алюминия и сульфат магния. Эффективные основания включают, например, амины, в том числе аммиак, гидроокиси щелочных металлов, такие как гидроокись калия, гидроокиси щелочноземельных металлов, такие как гидроокись кальция, и основные соли.

Далее, когда меняется температура при постоянстве других переменных величин, типичные изменения касаются размера частиц. Например, когда процесс проводят при отношении АТН:зародыши бемита, равном 90:10, в 2%-ном (вес) растворе азотной кислоты при температуре 150°С в течение 2 ч, размер кристаллов по данным дифракционного рентгеновского анализа равен 115 ангстремам. Однако при температуре 160°С средний размер частиц равен 143 ангстремам. Соответственно, по мере повышения температуры увеличивается и размер частиц, то есть существует прямая пропорциональность между размером частиц и величиной температуры.

Нижеследующие примеры относятся к получению затравочного бемита.

Пример 1. Получение частиц пластинчатой формы.

В автоклав загружали 7,42 ф (3,4 кг) Hydral 710 (тригидроксид алюминия), приобретенного в Alcoa, 0,82 ф (3,6 кг) бемита, приобретенного в SASOL под названием псевдобемит Catapal В, 66,5 ф (30,16 кг) деионизированной воды, 0,037 ф (0,016 кг) гидроокиси калия и 0,18 ф (0,082 кг) 22%-ной (вес) азотной кислоты. Бемит предварительно диспергировали в 5 ф (2,26 кг) воды и 0,18 ф (0,082 кг) кислоты перед добавлением тригидроксида алюминия и оставшейся воды и гидроокиси калия.

Автоклав нагревали до 185°С в течение 45 мин и выдерживали при этой температуре в течение 2 ч при перемешивании со скоростью 530 об/мин. Было достигнуто аутогенное давление, равное примерно 163 ф/дюйм² (1113 кПа), которое поддерживалось. Затем дисперсия бемита выгружалась из автоклава. Величина рН золя составляла примерно 10. Жидкие компоненты удаляли при температуре 65°С. Полученную массу измельчали до размера частиц менее 100 меш. Величина удельной поверхности полученного порошка была равна 62 м²/г. Средний размер частиц (длина) находился в пределах от примерно 150 до 200 нм по данным SEM (сканирующая электронная микроскопия). Визуальный осмотр частиц показывает пластинообразные частицы со вторым коэффициентом формы, составляющим по меньшей мере 3:1.

Пример 2. Получение иглообразных частиц.

В автоклав загружали 250 г тригидроксида алюминия Hydral 710, приобретенного в Alcoa, 25 г бемита, приобретенного в SASOL под названием псевдобемит Catapal В, 1000 г деионизированной воды и 34,7 18%-ной азотной кислоты. Бемит предварительно диспергировали в 100 г воды и 6,9 г кислоты до добавления к тригидроксиду алюминия и оставшейся воде и кислоте.

Автоклав нагревали до 180°С в течение 45 мин и выдерживали при этой температуре в течение 2 ч при перемешивании со скоростью 530 об/мин. В автоклаве создавалось и поддерживалось аутогенное давление, равное 150 ф/дюйм (1034 кПа). Затем дисперсию бемита удаляли из автоклава. Величина рН золя равнялась примерно 3. Жидкие компоненты удаляли при температуре 95°С. Полученную массу измельчали до величины частиц менее 100 меш. SSA полученного порошка составляла примерно 120 м²/г. Средний размер частиц (длина) находился в пределах от примерно 150 до 200 нм по данным SEM (сканирующая электронная микроскопия). Визуальный осмотр частиц показывает частицы с первым коэффициентом формы, составляющим по меньшей мере 4:1.

Пример 3. Получение частиц эллипсоидной формы.

В автоклав загружали 220 г тригидроксида алюминия Hydral 710, приобретенного в Alcoa, 55 г бемита, приобретенного в SASOL под названием псевдобемит Catapal В, 1000 г деионизированной воды и 21,4 г 18%-ной азотной кислоты. Бемит предварительно диспергировали в 100 г воды и 15,3 г кислоты перед добавлением к тригидроксиду алюминия и оставшейся воде и кислоте.

Автоклав нагревали до 172°С в течение 45 мин и выдерживали при этой температуре в течение 3 ч при перемешивании со скоростью 530 об/мин. В автоклаве создавалось и поддерживалось аутогенное давление, равное примерно 120 ф/дюйм (827,3 кПа). Затем дисперсию бемита выгружали из автоклава. Величина рН золя была равна примерно 4. Жидкие компоненты удаляли при температуре 95°С. Полученную массу измельчали до величины частиц менее 100 меш. SSA полученного порошка составляла примерно 135 м²/г. Средний размер частиц (длина) находился в пределах от примерно 150 до 200 нм по данным SEM (сканирующая электронная микроскопия). Визуальный осмотр частиц показывает частицы с первым коэффициентом формы, составляющим по меньшей мере 2:1.

Пример 4. Получение частиц почти сферической формы.

В автоклав загружали 165 г тригидроксида алюминия Hydral 710, приобретенного в Alcoa, 110 г бемита, приобретенного в SASOL под названием псевдобемит Catapol В, 1000 г деионизированной воды и 35,2 г 18%-ной азотной кислоты. Бемит предварительно диспергировали в 100 г воды и 30,6 г кислоты до добавления к тригидроксиду алюминия и к оставшимся воде и кислоте.

Автоклав нагревали до 160°С в течение 45 мин и выдерживали при этой температуре в течение 2,5 ч при перемешивании со скоростью 530 об/мин. В автоклаве создавалось и поддерживалось давление, равное примерно 689,4 кПа. Затем дисперсию бемита выгружали из автоклава. Величина рН золя составляла примерно 3,5. Жидкие компоненты удаляли при температуре 95°С. Полученную массу измельчали до частиц размером менее 100 меш. SSA полученного порошка составляла около 196 м²/г. Визуальный осмотр частиц показывает частицы с первым и вторым коэффициентом формы, составляющим около 1:1, то есть почти сферические.

Что касается полимерной основы композиционного материала, то она может быть получена из полимеров, включающих эластомерные материалы, такие как полиолефины, сложные полиэфиры, фторполимеры, полиамиды, полиимиды, поликарбонаты, полимеры, содержащие звенья стирола, эпоксидные смолы, полиуретан, полифенол, силикон или их сочетания. По одному из вариантов полимерный композиционный материал получают из силикона, силиконового эластомера и силиконовых гелей. Силикон, силиконовый эластомер и силиконовые гели могут быть получены из различных органосилоксановых мономеров, содержащих функциональные группы, такие как алкильные группы, фенильные группы, винильные группы, глицидилоксигруппы и метакрилоксигруппы, в присутствии катализаторов на основе платины или перекисей. Примеры силиконов могут включать винилполидиметилсилоксан, полиэтилтриэпоксисилан, диметилгидросилоксан или их сочетания. Другие примеры включают силоксаны, замещенные алифатическими, ароматическими, сложноэфирными группами, группами простого эфира и эпоксидными группами. По одному из вариантов полимерный композиционный материал содержит винилполидиметилсилоксан. По другому варианту полимерный композиционный материал содержит диметилгидросилоксан. Силиконовые гели представляют особенный интерес с точки зрения клейкости и могут быть получены с добавлением разбавителя.

Данное изобретение особенно пригодно для полимерных основ, которые не обладают прирожденной большой способностью замедлять горение, таких как полимеры, которые имеют класс огнестойкости V-2 или более. Например, нейлон 6, указанный ниже, был охарактеризован как имеющий огнестойкость, равную V-2. Соответственно, к группе полимеров, которые выигрывают от введения огнестойких добавок согласно данному изобретению, относятся нехлорированные полимеры, нефторированные полимеры, они могут быть выбраны из группы, состоящей из полиолефинов, сложных полиэфиров, полиамидов, полиимидов, поликарбонатов, полимеров на основе стирола, эпоксидных смол, полиуретана, полифенола и их сочетаний.

Полимерный композиционный материал может содержать примерно 0,5-50 вес.% порошка бемита, например, примерно 2-30 вес.%. Согласно одному аспекту высокая огнестойкость может быть достигнута даже при небольшом содержании, например в пределах от примерно 2 до 15 вес.% в расчете на общий вес композита.

Часто композиционный материал находится в виде компонента (отвержденная форма) и может найти практическое применение в качестве полимерного структурного компонента, такого как конструкционный материал. Обычно полимерная основа соединяется с бемитным наполнителем с образованием композиционного материала, например, путем смешения компонентов и в случае структурных компонентов с последующим формованием. В случае композиций для покрытия формование не требуется.

На фиг.1 показан способ получения полимерного компонента, согласно которому полимерная основа соединяется с бемитом. Согласно схеме полимерный компонент получают литьем под давлением. На фиг.1 подробно показана схема получения полимерного компонента на основе нейлона 6, который может иметь различную геометрическую конфигурацию в зависимости от цели применения. Как показано, исходный нейлон 6 вначале подвергают сушке, затем предварительно смешивают с бемитом в различном количестве. Предварительная смесь нейлон – бемит затем экструдируется с получением гранул, охлаждается и высушивается. Конечное изделие затем формуют методом литья под давлением экструдированных гранул. Конкретная геометрическая конфигурация может сильно меняться в зависимости от цели применения, но в данной заявке получали плоские бруски, которые затем применяли как образцы для определения огнестойкости.

Согласно вышеуказанной схеме при испытании огнестойкости иглообразный мелкодисперсный наполнитель бемит вводили в количестве 3 вес.% и 5 вес.% (он называется также нитевидными кристаллами или брусочками). Образцы испытывали по методу UL 94V с применением классифицирующих критериев, приведенных ниже в таблице.

Критерии	94V-0	94V-1	94V-2
Время горения, Т1 или Т2	10 с	30 с	30 с
Время горения Т1+Т2	50 с	250 с	250 с
Время тления, Т3	30 с	60 с	60 с
Горел ли образец до зажима? Да/нет	Нет	Нет	Нет
Воспламенял ли образец хлопок? Да/нет	Нет	Нет	Да

В результате испытаний введение наполнителя как в количестве 3 вес.%, так и в количестве 5 вес.% приводило к получению класса огнестойкости V-0. Такая огнестойкость является примечательной по разным причинам. Например, показатель V-0 был достигнут при умеренных количествах наполнителя и без включения дополнительных наполнителей – антипиренов. Однако следует отметить, что дополнительные наполнители могут вводиться в некоторых случаях для увеличения огнестойкости, хотя затравочный бемит, описанный выше, обеспечивает значительное улучшение огнестойкости без введения дополнительных наполнителей.

Указанные величины огнестойкости имеют еще большее значение с учетом уровня техники. Например, были сообщения, в которых мелкодисперсный бемит был способен придавать ограниченную огнестойкость, в этих сообщениях нет сведений о достижении класса огнестойкости V-0. Однако бемит, использовавшийся в этих других сообщениях, обычно не был затравочным бемитом и получался без применения процесса зародышеобразования, включая гидротермическую обработку без зародышеобразования или осаждения. Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, полагают, что способ зародышеобразования вносит вклад в достижение указанных выше величин огнестойкости. Одно возможное объяснение этого состоит в том, что затравочный бемит имеет уникальные морфологические свойства, которые даже выходят за рамки морфологии, описанной выше в связи с первым и вторым отношениями длины к диаметру частиц, имеющих удлиненную пластинчатую и иглообразную форму. Однако полагают также, что высокие величины коэффициентов формы, полученные в процессе зародышеобразования, также вносят свой вклад в достижение огнестойкости. Частицы с высоким коэффициентом формы могут обеспечивать змеевидные или извилистые проходы для миграции кислорода, тем самым ингибируя распространение пламени вследствие пониженной миграции кислорода к фронту или поверхности распространения пламени.

На фиг.2 показаны результаты термогравиметрического анализа (ТГА) для нитевидных (игольчатых) частиц бемита по сравнению с данными для обычного АТН. Как показано, иглообразные частицы порошка бемита теряют кристаллическую (в противоположность абсорбированной или адсорбированной) воду при более низких температурах и продолжают терять воду при температурах, простирающихся до 500°С. Динамика потери воды, связанной с частицами зародышевого порошка бемита, может также частично объяснить величины огнестойкости, указанные выше.

Хотя предыдущие разделы описания были сосредоточены на компонентах полимерного композиционного материала, таких как структурные компоненты, следует также отметить, что полимерный композиционный материал может быть также в виде раствора для покрытия поверхности, такого как состав краски на основе полимера. Конечно, как и полимерный компонент, описанный выше, показатели огнестойкости обычно связаны с отвержденным материалом. Соответственно, в случае раствора для получения покрытий огнестойкость ассоциируется с отвержденным высушенным покрытием. Дополнительные подробности о растворах для получения покрытий можно найти в сопутствующей заявке США на патент №10/823400, поданный 13 апреля 2004 г., номер дела 1055-А4363, включенной в данное описание в качестве ссылки.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения огнестойкий наполнитель может быть также в виде смеси огнестойких компонентов, включающих окись железа и застекловывающий компонент, такой как бораты металлов, предпочтительно борат цинка, вместе с зародышевым порошкообразным бемитом, описанным подробно выше. Может быть также введен обычный АТН. Другие наполнители могут включать такие материалы, как стеклянные волокна, наноглины, окись алюминия (например, субмикронную альфа-окись алюминия) и углерод.

Полимерный композиционный материал может также включать термопроводящие наполнители, такие как окись алюминия и нитрид бора. В результате композиционный материал может иметь величины термической проводимости не менее примерно 0,5 В/м·К, например не менее 1,0 В/м·К или не менее 2,0 В/м·К, особенно подходящие для областей применения, требующих теплопередачи, например для пограничного термического материала, применяемого в микроэлектронике.

Хотя данное изобретение было проиллюстрировано и описано в контексте конкретных вариантов, оно не ограничивается описанными деталями, так как различные модификации и замены могут быть сделаны без выхода за рамки изобретения. Например, могут быть предусмотрены дополнительные или эквивалентные замены, а также дополнительные или эквивалентные стадии способа. Как таковые дополнительные модификации и эквиваленты данного изобретения могут использоваться специалистами в данной области с применением рутинных экспериментов, все такие модификации и эквиваленты входят в объем настоящего изобретения, определяемый нижеследующей формулой изобретения.

Формула изобретения

1. Огнестойкий полимерный композиционный материал, содержащий полимерную основу и огнестойкий наполнитель в полимерной основе, включающий затравочный порошкообразный бемит, имеющий коэффициент формы частиц не менее 3:1, причем композиционный материал имеет класс огнестойкости V-0 или V-1 согласно методу UL 94.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он имеет класс огнестойкости V-0.

3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он сохраняет указанную огнестойкость в отвержденной форме.

4. Композиционный материал по п.3, отличающийся тем, что он является полимерным составляющим элементом.

5. Огнестойкий полимерный композиционный материал, содержащий полимерную основу и огнестойкий наполнитель в полимерной основе, включающий затравочный порошкообразный бемит, имеющий коэффициент формы частиц не менее 3:1, отличающийся тем, что он находится в виде раствора для покрытия поверхности, при этом характеризуется указанной огнестойкостью в покрытии, причем полимерная основа имеет класс огнестойкости V-2 или выше, и наполнитель действует для увеличения огнестойкости композиционного материала до V-1 или V-0 согласно методу UL 94.

6. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что полимерная основа выбрана из группы, состоящей из полиолефинов, сложных полиэфиров, фторполимеров, полиамидов, полиимидов, поликарбонатов, полимеров, содержащих звенья стирола, эпоксидных смол, полиуретана, полифенола, силикона и их сочетаний.

7. Композиционный материал по п.6, отличающийся тем, что полимерный основой является нехлорированный полимер и нефторированный полимер и он выбран из группы, состоящей из полиолефинов, сложных полиэфиров, полиамидов, полиимидов, поликарбонатов, полимеров, содержащих звенья стирола, эпоксидных смол, полиуретана, полифенола и их сочетаний.

8. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что огнестойкий наполнитель содержит также дополнительные компоненты.

9. Композиционный материал по п.8, отличающийся тем, что дополнительные компоненты выбраны из группы, состоящей из окиси железа и застекловывающего агента.

10. Композиционный материал по п.9, отличающийся тем, что застекловывающий агент включает борат цинка.

11. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теплопроводный наполнитель.

12. Композиционный материал по п.11, отличающийся тем, что теплопроводный наполнитель выбран из группы, состоящей из нитрида бора и окиси алюминия.

13. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что композиционный материал содержит от примерно 0,5 до 50,0 вес.% огнестойкого наполнителя.

14. Композиционный материал по п.13, отличающийся тем, что композиционный материал содержит от примерно 2,0 до 30,0 вес.% огнестойкого наполнителя.

15. Композиционный материал по п.14, отличающийся тем, что композиционный материал содержит от примерно 2,0 до 15,0 вес.% огнестойкого наполнителя.

16. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что затравочный порошкообразный бемит имеет коэффициент формы частиц не менее 4:1.

17. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что затравочный порошкообразный бемит имеет коэффициент формы частиц не менее 6:1.

18. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что затравочный порошкообразный бемит имеет коэффициент формы частиц не менее 9:1.

19. Огнестойкий полимерный композиционный материал, содержащий полимерную основу и огнестойкий наполнитель в полимерной основе, включающий затравочный порошкообразный бемит, имеющий коэффициент формы частиц не менее 3:1, причем затравочный порошкообразный бемит в основном содержит пластинчатые частицы, имеющие второй коэффициент формы частиц не менее 3:1.

20. Композиционный материал по п.19, отличающийся тем, что второй коэффициент формы частиц составляет не менее 6:1.

21. Композиционный материал по п.20, отличающийся тем, что второй коэффициент формы частиц составляет не менее 10:1.

22. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что затравочный порошкообразный бемит в основном содержит иглообразные частицы.

23. Композиционный материал по п.22, отличающийся тем, что иглообразные частицы имеют второй коэффициент формы не более 3:1.

24. Композиционный материал по п.23, отличающийся тем, что второй коэффициент формы составляет не более 2:1.

25. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что средний размер частиц затравочного порошкообразного бемита составляет не более 1000 нм.

26. Композиционный материал по п.25, отличающийся тем, что величина среднего размера частиц затравочного порошкообразного бемита находится между примерно 100 и 1000 нм.

27. Композиционный материал по п.26, отличающийся тем, что средний размер частиц составляет не более 800 нм.

28. Композиционный материал по п.27, отличающийся тем, что средний размер частиц составляет не более 600 нм.

29. Композиционный материал по п.28, отличающийся тем, что средний размер частиц составляет не более 500 нм.

30. Композиционный материал по п.29, отличающийся тем, что средний размер частиц составляет не более 400 нм.

31. Композиционный материал по п.30, отличающийся тем, что средний размер частиц составляет не более 300 нм.

32. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что порошкообразный бемит имеет удельную поверхность не менее примерно 10 м²/г.

33. Композиционный материал по п.32, отличающийся тем, что удельная поверхность составляет не менее примерно 50 м²/г.

34. Композиционный материал по п.33, отличающийся тем, что удельная поверхность составляет не менее примерно 70 м²/г.

35. Композиционный материал по п.34, отличающийся тем, что удельная поверхность составляет не менее примерно 400 м²/г.

36. Способ получения огнестойкого полимерного композиционного материала, включающий использование полимерной основы и соединение огнестойкого наполнителя с полимерной основой с образованием огнестойкого полимерного композиционного материала, причем огнестойкий наполнитель содержит затравочный порошкообразный бемит, имеющий коэффициент формы частиц не менее 3:1, где композиционный материал имеет класс огнестойкости V-0 или V-1 согласно методу UL 94.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что он дополнительно включает формование после соединения, при этом огнестойкий композиционный материал представляет собой полимерный структурный компонент.

38. Способ по п.36, отличающийся тем, что огнестойкий композиционный материал представляет собой раствор для покрытия поверхности.

39. Способ по п.36, отличающийся тем, что композиционный материал имеет класс огнестойкости V-0.

40. Способ по п.36, отличающийся тем, что полимерная основа имеет класс огнестойкости V-2 или выше, причем наполнитель действует для увеличения огнестойкости композиционного материала до V-1 или V-0 согласно методу UL 94.

РИСУНКИ