一种隔热阻燃聚碳酸酯板材及其制备方法与流程

1.本发明属于板材制备技术领域，具体地，涉及一种隔热阻燃聚碳酸酯板材及其制备方法。


背景技术：

2.聚碳酸酯(polycarbonate，pc)，为一种性能优良的非结晶热塑性工程塑料，无色透明，耐热，具有突出的抗冲击能力，在普通使用温度内都有良好的机械性能。
3.耐力板是一种以聚碳酸酯为主体原料制成的透明或半透明板材，又叫聚碳酸酯板或卡普隆板，由于其具有透明度高、质轻、抗冲击、隔音、隔热等特点，有其他建筑装饰材料无法比拟的优势，因而被塑料建筑材料广泛用于挡光遮雨顶棚、隔音屏障、路牌、灯箱广告等场合。但现有的聚碳酸酯板的隔热性能差、不具有阻燃效果，限制了其在很多领域的应用，因此，提供一种隔热阻燃聚碳酸酯板材是目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种隔热阻燃聚碳酸酯板材，以解决上述背景技术中所提出的问题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种隔热阻燃聚碳酸酯板材，包括以下重量份原料：聚碳酸酯100-120份、abs 10-20份、改性气凝胶5-8份、抗紫外线剂1份、分散剂0.3份、稳定剂1份和加工助剂0.5-1份；
7.该隔热阻燃聚碳酸酯板材由以下步骤制成：
8.第一步、将聚碳酸酯在115-125℃鼓风烘箱中干燥7-8h后，和剩余原料一起加入高速混合机中进行混合，转速1000-1500r/min条件下混合1-2h，得到混合料；
9.第二步、将混合料在255-265℃双螺杆挤出机中熔融混炼挤出，螺杆转速200rpm，然后通过冷切机造粒，注塑成型，再于120-123℃烘箱中干燥3-4h，冷却至室温，得到隔热阻燃聚碳酸酯板材。
10.进一步地，改性气凝胶由以下步骤制成：
11.步骤s1、将改性碳纤维置于梳理机中进行蓬松处理得到纤维薄层，将正硅酸乙酯、无水乙醇和去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀，加入质量分数17％的盐酸溶液调节ph至3-4，升温至45℃搅拌8h，然后冷却至室温，加入浓度0.5mol/l的氨水溶液调节ph至7，加入纤维薄层，45℃水浴下搅拌6-8h，然后加入偶联剂kh-590，45-50℃水浴中搅拌18-24h，然后过滤，滤饼分别于60℃、80℃和120℃下干燥12h，得到杂化气凝胶；
12.其中正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和纤维薄层的用量比为1mol：10mol：2-6mol：0.5-1.1g，通过改性碳纤维增强二氧化硅气凝胶，克服现有二氧化硅气凝胶骨架脆弱、机械强度低、韧性差、阻燃性能差的缺陷；
13.步骤s2、将杂化气凝胶、丙烯酸十二氟庚酯和甲苯溶剂加入三口烧瓶中，通入氮气，升温至40℃，加入催化剂三乙胺，回流反应30-60min，得到改性气凝胶。
14.其中杂化气凝胶、丙烯酸十二氟庚酯、甲苯和三乙胺的用量比为2.1-2.3g：1.1-1.3g：25-28ml：0.2-0.4g，利用偶联剂kh-590的-sh与丙烯酸十二氟庚酯的c＝c发生加成反应，得到改性气凝胶。
15.进一步地，改性碳纤维由以下步骤制成：
16.步骤1、将碳纤维置于硝酸溶液中超声30min后，升温至45℃搅拌反应3h，然后加入去离子水洗涤，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，再于80℃下干燥至恒重，得到酸化碳纤维；
17.其中预处理碳纤维和硝酸溶液的用量比为3.1-3.5g：30-35ml；硝酸溶液质量分数65％，利用硝酸对碳纤维进行处理，使碳纤维富含羧基；
18.步骤2、向三口瓶中加入酸化碳纤维、二氯亚砜和dmf，升温至58-62℃，转速60-80r/min条件下搅拌反应1h，然后控制反应温度0-5℃，滴加对氨基苯甲醛的氯仿溶液；边滴加边搅拌反应，滴加结束后，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液调节ph至9；升温至19-21℃，搅拌反应2h，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体1；
19.其中酸化碳纤维、二氯亚砜、dmf和对氨基苯甲醛的氯仿溶液的用量比为3.5-4.1g：1-2ml：48-52ml：4.2-5.4ml，对氨基苯甲醛的氯仿溶液由氨基苯甲醛和氯仿按照1.2-1.5g：10ml混合而成，首先利用二氯亚砜使酸化碳纤维表面的羧基酰氯化，再与对氨基苯甲醛发生消去hcl反应，得到中间体1；
20.步骤3、向三口烧瓶中加入中间体1和dmf，搅拌10min，滴加对氨基苯磺酸溶液，控制滴加速度3秒/滴，边滴加边搅拌，滴加结束后，回流反应24h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体2；
21.其中中间体1、dmf和对氨基苯磺酸溶液的用量比为4.9-5.2g：100ml：50ml，对氨基苯磺酸溶液由氢氧化钾、对氨基苯磺酸和蒸馏水按照0.05mol：0.05mol：50ml混合而成，利用中间体1的-cho与对氨基苯磺酸的-nh2发生缩合反应，得到含有c＝n双键的中间体2；
22.步骤4、将中间体2、dopo和1,4-二氧六环加入三口烧瓶中，回流反应24h，反应结束后，旋蒸去除1,4-二氧六环，得到改性碳纤维；
23.其中中间体2、dopo和1,4-二氧六环的用量比为0.01mol：0.01mol：50-68ml，利用dopo的p-h键活性与中间体2的席夫碱发生加成反应，得到改性碳纤维。
24.进一步地，抗紫外线剂由纳米二氧化钛和至少一种苯并三唑类紫外线吸收剂混合而成。
25.进一步地，分散剂为硬脂酸、聚乙烯蜡、液体石蜡中的一种或多种混合而成。
26.进一步地，稳定剂为受阻胺类稳定剂。
27.进一步地，加工助剂为抗氧剂1010和白油按照质量比1：1混合而成。
28.本发明的有益效果：
29.本发明在聚碳酸酯板材中加入改性气凝胶，赋予聚碳酸酯板材优异的隔热阻燃性能，其中改性气凝胶为改性碳纤维增韧二氧化硅气凝胶，通过偶联剂kh-590改性处理后接枝丙烯酸十二氟庚酯，不仅克服现有气凝胶机械性能差的问题，还赋予其优异的阻燃性和疏水、耐溶剂性，首先由酸化后的碳纤维接枝对氨基苯甲醛得到中间体1，利用中间体1的-cho与对氨基苯磺酸的-nh2发生缩合反应，得到含有c＝n双键的中间体2；利用dopo的p-h键
活性与中间体2的c＝n双键发生加成反应，得到改性碳纤维，改性碳纤维因含有dopo环、苯磺酸结构、c-n键，具有较好的热稳定性和成炭能力，起到有效的隔热隔氧效果，具有优异的阻燃能力，因此，本发明制备的碳酸酯板材具有优异的隔热阻燃性能同时还具有疏水、耐腐蚀的特点。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.本实施例提供一种改性气凝胶，制备步骤如下：
33.步骤s1、将改性碳纤维置于梳理机中进行蓬松处理得到纤维薄层，将1mol正硅酸乙酯、10mol无水乙醇和2mol去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀，加入质量分数17％的盐酸溶液调节ph至3，升温至45℃搅拌8h，然后冷却至室温，加入浓度0.5mol/l的氨水溶液调节ph至7，加入0.5g纤维薄层，45℃水浴下搅拌6h，然后加入偶联剂kh-590，45℃水浴中搅拌18h，然后过滤，滤饼分别于60℃、80℃和120℃下干燥12h，得到杂化气凝胶；
34.步骤s2、将2.1g杂化气凝胶、1.1g丙烯酸十二氟庚酯和25ml甲苯溶剂加入三口烧瓶中，通入氮气，升温至40℃，加入0.2g三乙胺，回流反应30min，得到改性气凝胶。
35.其中，改性碳纤维由以下步骤制成：
36.步骤1、将3.1g碳纤维置于30ml硝酸溶液中超声30min后，升温至45℃搅拌反应3h，然后加入去离子水洗涤，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，再于80℃下干燥至恒重，得到酸化碳纤维，硝酸溶液质量分数65％；
37.步骤2、向三口瓶中加入3.5g酸化碳纤维、1ml二氯亚砜和48ml dmf，升温至58℃，转速60r/min条件下搅拌反应1h，然后控制反应温度0℃，滴加4.2ml对氨基苯甲醛的氯仿溶液；边滴加边搅拌反应，滴加结束后，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液调节ph至9；升温至19℃，搅拌反应2h，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体1，氨基苯甲醛的氯仿溶液由氨基苯甲醛和氯仿按照1.2g：10ml混合而成；
38.步骤3、向三口烧瓶中加入4.9g中间体1和100ml dmf，搅拌10min，滴加50ml对氨基苯磺酸溶液，控制滴加速度3秒/滴，边滴加边搅拌，滴加结束后，回流反应24h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体2，对氨基苯磺酸溶液由氢氧化钾、对氨基苯磺酸和蒸馏水按照0.05mol：0.05mol：50ml混合而成；
39.步骤4、将0.01mol中间体2、0.01mol dopo和50ml 1,4-二氧六环加入三口烧瓶中，回流反应24h，反应结束后，旋蒸去除1,4-二氧六环，得到改性碳纤维。
40.实施例2
41.本实施例提供一种改性气凝胶，制备步骤如下：
42.步骤s1、将改性碳纤维置于梳理机中进行蓬松处理得到纤维薄层，将1mol正硅酸乙酯、10mol无水乙醇和4mol去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀，加入质量分数17％的盐酸溶液调节ph至3，升温至45℃搅拌8h，然后冷却至室温，加入浓度0.5mol/l的氨水溶液调
节ph至7，加入0.8g纤维薄层，45℃水浴下搅拌7h，然后加入偶联剂kh-590，48℃水浴中搅拌20h，然后过滤，滤饼分别于60℃、80℃和120℃下干燥12h，得到杂化气凝胶；
43.步骤s2、将2.2g杂化气凝胶、1.2g丙烯酸十二氟庚酯和27ml甲苯溶剂加入三口烧瓶中，通入氮气，升温至40℃，加入0.3g三乙胺，回流反应40min，得到改性气凝胶。
44.其中，改性碳纤维由以下步骤制成：
45.步骤1、将3.2g碳纤维置于32ml硝酸溶液中超声30min后，升温至45℃搅拌反应3h，然后加入去离子水洗涤，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，再于80℃下干燥至恒重，得到酸化碳纤维，硝酸溶液质量分数65％；
46.步骤2、向三口瓶中加入3.8g酸化碳纤维、1.5ml二氯亚砜和50ml dmf，升温至60℃，转速70r/min条件下搅拌反应1h，然后控制反应温度2℃，滴加4.8ml对氨基苯甲醛的氯仿溶液；边滴加边搅拌反应，滴加结束后，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液调节ph至9；升温至20℃，搅拌反应2h，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体1，氨基苯甲醛的氯仿溶液由氨基苯甲醛和氯仿按照1.4g：10ml混合而成；
47.步骤3、向三口烧瓶中加入5.0g中间体1和100ml dmf，搅拌10min，滴加50ml对氨基苯磺酸溶液，控制滴加速度3秒/滴，边滴加边搅拌，滴加结束后，回流反应24h，反应结束后，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体2，对氨基苯磺酸溶液由氢氧化钾、对氨基苯磺酸和蒸馏水按照0.05mol：0.05mol：50ml混合而成；
48.步骤4、将0.01mol中间体2、0.01mol dopo和58ml 1,4-二氧六环加入三口烧瓶中，回流反应24h，反应结束后，旋蒸去除1,4-二氧六环，得到改性碳纤维。
49.实施例3
50.本实施例提供一种改性气凝胶，制备步骤如下：
51.步骤s1、将改性碳纤维置于梳理机中进行蓬松处理得到纤维薄层，将1mol正硅酸乙酯、10mol无水乙醇和6mol去离子水加入三口烧瓶中，搅拌均匀，加入质量分数17％的盐酸溶液调节ph至4，升温至45℃搅拌8h，然后冷却至室温，加入浓度0.5mol/l的氨水溶液调节ph至7，加入1.1g纤维薄层，45℃水浴下搅拌8h，然后加入偶联剂kh-590，50℃水浴中搅拌24h，然后过滤，滤饼分别于60℃、80℃和120℃下干燥12h，得到杂化气凝胶；
52.步骤s2、将2.3g杂化气凝胶、1.3g丙烯酸十二氟庚酯和28ml甲苯溶剂加入三口烧瓶中，通入氮气，升温至40℃，加入0.4g三乙胺，回流反应60min，得到改性气凝胶。
53.其中，改性碳纤维由以下步骤制成：
54.步骤1、将3.5g碳纤维置于35ml硝酸溶液中超声30min后，升温至45℃搅拌反应3h，然后加入去离子水洗涤，抽滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，再于80℃下干燥至恒重，得到酸化碳纤维，硝酸溶液质量分数65％；
55.步骤2、向三口瓶中加入4.1g酸化碳纤维、2ml二氯亚砜和52ml dmf，升温至62℃，转速80r/min条件下搅拌反应1h，然后控制反应温度5℃，滴加5.4ml对氨基苯甲醛的氯仿溶液；边滴加边搅拌反应，滴加结束后，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液调节ph至9；升温至21℃，搅拌反应2h，过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体1，氨基苯甲醛的氯仿溶液由氨基苯甲醛和氯仿按照1.5g：10ml混合而成；
56.步骤3、向三口烧瓶中加入5.2g中间体1和100ml dmf，搅拌10min，滴加50ml对氨基苯磺酸溶液，控制滴加速度3秒/滴，边滴加边搅拌，滴加结束后，回流反应24h，反应结束后，
过滤，滤饼用去离子水洗涤至洗涤液呈中性，80℃下干燥24h，得到中间体2，对氨基苯磺酸溶液由氢氧化钾、对氨基苯磺酸和蒸馏水按照0.05mol：0.05mol：50ml混合而成；
57.步骤4、将0.01mol中间体2、0.01mol dopo和68ml 1,4-二氧六环加入三口烧瓶中，回流反应24h，反应结束后，旋蒸去除1,4-二氧六环，得到改性碳纤维。
58.对比例1
59.将实施例1中的改性碳纤维替换成碳纤维，其余原料及制备过程不变。
60.对比例2
61.将实施例2中的改性碳纤维去除，其余原料及制备过程不变。
62.对比例3
63.本对比例为上海外电国际贸易有限公司出售的二氧化硅气凝胶。
64.将实施例1-3和对比例1-3的气凝胶材料进行性能测试，拉伸强度及断裂伸长率：根据astm d638 2003测定；导热系数：按照国标gb/t10801.1-2002测定；极限氧指数：按照astm d 2863-2009测试极限氧指数；测试结果如表1所示：
65.表1
[0066][0067]
由表1可以看出，实施例1-3所得改性气凝胶导热系数有些上升，但其阻燃性能、机械性能更为突出，相比于对比例1-3，具有较高的阻燃性、良好的机械性能。
[0068]
实施例4
[0069]
一种隔热阻燃聚碳酸酯板材，包括以下重量份原料：聚碳酸酯100份、abs 10份、实施例1的改性气凝胶5份、抗紫外线剂1份、分散剂0.3份、稳定剂1份和加工助剂0.5份；
[0070]
该隔热阻燃聚碳酸酯板材由以下步骤制成：
[0071]
第一步、将聚碳酸酯在115℃鼓风烘箱中干燥7h后，和剩余原料一起加入高速混合机中进行混合，转速1000r/min条件下混合1h，得到混合料；
[0072]
第二步、将混合料在255℃双螺杆挤出机中熔融混炼挤出，螺杆转速200rpm，然后通过冷切机造粒，注塑成型，再于120℃烘箱中干燥3h，冷却至室温，得到隔热阻燃聚碳酸酯板材。
[0073]
其在，抗紫外线剂由纳米二氧化钛和紫外线吸收剂uv-326按照质量比1：1混合而成，分散剂为硬脂酸，稳定剂为光稳定剂944，加工助剂为抗氧剂1010和白油按照质量比1：1混合而成。
[0074]
实施例5
[0075]
一种隔热阻燃聚碳酸酯板材，包括以下重量份原料：聚碳酸酯110份、abs 15份、实施例2的改性气凝胶7份、抗紫外线剂1份、分散剂0.3份、稳定剂1份和加工助剂0.8份；
[0076]
该隔热阻燃聚碳酸酯板材由以下步骤制成：
[0077]
第一步、将聚碳酸酯在118℃鼓风烘箱中干燥7h后，和剩余原料一起加入高速混合机中进行混合，转速1200r/min条件下混合1.5h，得到混合料；
[0078]
第二步、将混合料在258℃双螺杆挤出机中熔融混炼挤出，螺杆转速200rpm，然后通过冷切机造粒，注塑成型，再于121℃烘箱中干燥3.5h，冷却至室温，得到隔热阻燃聚碳酸酯板材。
[0079]
其在，抗紫外线剂由纳米二氧化钛和紫外线吸收剂uv-326按照质量比1：1混合而成，分散剂为硬脂酸，稳定剂为光稳定剂944，加工助剂为抗氧剂1010和白油按照质量比1：1混合而成。
[0080]
实施例6
[0081]
一种隔热阻燃聚碳酸酯板材，包括以下重量份原料：聚碳酸酯120份、abs 20份、实施例1的改性气凝胶8份、抗紫外线剂1份、分散剂0.3份、稳定剂1份和加工助剂1份；
[0082]
该隔热阻燃聚碳酸酯板材由以下步骤制成：
[0083]
第一步、将聚碳酸酯在125℃鼓风烘箱中干燥8h后，和剩余原料一起加入高速混合机中进行混合，转速1500r/min条件下混合2h，得到混合料；
[0084]
第二步、将混合料在265℃双螺杆挤出机中熔融混炼挤出，螺杆转速200rpm，然后通过冷切机造粒，注塑成型，再于123℃烘箱中干燥4h，冷却至室温，得到隔热阻燃聚碳酸酯板材。
[0085]
其在，抗紫外线剂由纳米二氧化钛和紫外线吸收剂uv-326按照质量比1：1混合而成，分散剂为硬脂酸，稳定剂为光稳定剂944，加工助剂为抗氧剂1010和白油按照质量比1：1混合而成。
[0086]
对比例4
[0087]
将实施例1中改性气凝胶去除，其余原料及制备过程不变。
[0088]
对比例5
[0089]
将实施例2中的改性气凝胶替换成对比例3中的气凝胶，其余原料及制备过程不变。
[0090]
对比例6
[0091]
本对比例为上海劲松诺塑胶制品有限公司出售的聚碳酸酯板。
[0092]
将实施例4-6和对比例4-6的聚碳酸酯板进行性能测试，测试标准如下：
[0093]
弯曲强度：参照iso 178：2019方法a；
[0094]
拉伸强度：参照iso-527-1:2012；
[0095]
阻燃性能：参照ul-94垂直燃烧测试；
[0096]
隔热性能：将各组待测板材制成20
×
20
×
20cm的正方体，正方体内部设有温度计，在25℃，湿度为50％的环境下，将聚光灯(欧普照明，型号为lth010301-灵众iii-6w)悬挂距正方体顶部30cm处，并照射30min，计算正方体空间内的温度变化(
△
t)：
[0097]
△
t＝t
1-t2，其中，t1为聚光灯照射前，正方体内温度计的示数(℃)，t2为经聚光灯
照射30min后正方体内温度计的示数(℃)，本发明将正方体内温度变化(
△
t)认定为板材的隔热性能；
[0098]
耐污性能：参照gb/t9780-2013测试；
[0099]
测试结果如表2所示：
[0100]
表2
[0101][0102]
由表2可以看出，实施例4-6的聚碳酸酯板在力学性能、阻燃性能、隔热性能和耐污性测试过程中，测试结果均优于对比例4-6，说明本发明制备的聚碳酸酯板具有良好的机械性能的同时，还具有优异的阻燃隔热性能。
[0103]
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0104]
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。