TWI732195B

TWI732195B - 阻燃耐磨的複合材料

Info

Publication number: TWI732195B
Application number: TW108110158A
Authority: TW
Inventors: 鍾幸真; 蕭暐翰; 余建源
Original assignee: 利機企業股份有限公司
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-07-01
Also published as: TW201946979A; CN110499019A; US11208533B2; US20190352473A1; KR20190132268A; EP3569650A1; CN110499019B

Abstract

一種阻燃耐磨的複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料，包括多個粉體，該粉體的粒徑小於20微米、該粉體的比表面積為50至3000平方米/克以及該粉體的用量為50百萬分率(ppm)至30質量百分比；及一聚合物，該奈米多孔材料分散地結合在該聚合物之中；其中該複合材料的限氧指數大於等於24%。

Description

阻燃耐磨的複合材料

本發明係關於一種複合材料；特別關於一種由奈米多孔材料及聚合物組成的阻燃耐磨的複合材料。

為了維護人員及居家安全或特殊用途的使用，具有阻燃性的纖維製品、工程塑料及建材的開發與發展確實有其必要性。傳統的阻燃材料一般皆以塗料的方式設置在物體的表面，這樣的塗料往往還存在防火時間短，保護範圍局限等缺點容易因磨擦而掉落，或是在雨水沖刷或清洗的過程中除著水分流失、耐用性低、使用壽命短等缺點，即使利用在聚合物製品中加入經過加熱的阻燃劑溶液進行熱處理，均有以下缺點：添加量大不符合成本節約原則，且兼容性差、阻燃劑滲出、毒性、發煙性、耐水洗性、阻燃的持久性、甲醛或重金屬含量超過標準等不環保和不合法等問題。再者，鹵素系阻燃劑的添加常會造成環境的污染，影響使用者的健康，而且仍然無法解決容易破損等問題。

傳統的奈米多孔材料由於內部存在大量孔洞，因此，在壓力下容易碎裂。此外，奈米多孔材料的機械強度低、缺乏伸展性以及易吸水受潮造成結構坍塌等缺點，使其難以在產業上應用。

有鑒於此，本發明提供一種阻燃耐磨的複合材料，以解决現有技術的複合材料無法同時兼具阻燃的持久性及耐用性的問題。

本發明的主要目的在於提供一種阻燃耐磨的複合材料，該阻燃耐磨的複合材料具有自熄性(或難燃性)、防火時間長、耐水洗性及耐用性，以達到長期重覆使用而不易磨損，即使長期在高溫下仍能正常作用。

本發明的次要目的在於提供一種阻燃耐磨的複合材料，該阻燃耐磨的複合材料具有良好的兼容性、價格低、製造簡單、質地輕柔、可具有彈性，同時起到阻燃、耐磨的作用。

為達成本發明的前述目的，本發明一實施例提供一種阻燃耐磨的複合材料，該複合材料包括：一奈米多孔材料，包括多個粉體，該粉體的粒徑小於20微米，該奈米多孔材料的多個粉體的比表面積為50至3000平方米/克以及該奈米多孔材料的多個粉體的用量為50百萬分率(ppm)至30質量百分比；及一聚合物，該奈米多孔材料分散地結合在該聚合物之中；其中該複合材料的限氧指數大於等於24%。

在本發明的一實施例中，該複合材料滿足以下不等式：A_c>A_p，其中A_c為該複合材料的耐磨轉數，以及A_p為該聚合物的耐磨轉數。

在本發明的一實施例中，該聚合物是選自於由聚酯、聚烯、尼龍(PA)、壓克力、聚碳酸酯(PC)、聚胺酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)及其衍生物所組成的一群組中的一個或其組合。

在本發明的一實施例中，該奈米多孔材料是選自於由矽型奈米多孔材料、碳型奈米多孔材料及氣凝膠所組成的一群組中的一個或其組合。

在本發明的一實施例中，該氣凝膠是選自於矽系、金屬氧化物系、有機系、碳系、半導體金屬硫屬元素化物、奈米管系及金屬系所組成的一群組中的一個或其組合。

在本發明的一實施例中，該複合材料還包括一分散劑，該分散劑的用量為小於或等於30質量百分比。

在本發明的一實施例中，該分散劑是以聚酯、聚丙烯酸酯或聚醚高分子結構為主體，並具有至少一親水官能基。

在本發明的一實施例中，該分散劑是選自於具有酸酐、丙烯酸、苯乙烯或環氧官能基之共聚合物、有機酸衍生物以及蠟中的一個或其組合。

在本發明的一實施例中，該複合材料還包括一成碳劑。

在本發明的一實施例中，該複合材料還包括一阻燃劑。

在本發明的一實施例中，該奈米多孔材料與該聚合物之間以一化學鍵結或分子間作用力彼此連接。

再者，本發明另一實施例另提供一種塗料，其中該塗料包括本發明的一實施例之阻燃耐磨的複合材料。

本發明另一實施例另提供一種薄膜，其中該薄膜包括本發明的一實施例之阻燃耐磨的複合材料，其中該薄膜的厚度小於等於500微米。

本發明另一實施例另提供一種塑料，其中該塑料包括本發明的一實施例之阻燃耐磨的複合材料，該塑料的厚度大於等於500微米。

本發明另一實施例另提供一種纖維，其中該纖維包括本發明的一實施例之阻燃耐磨的複合材料，該纖維為0.1丹尼以上。

與現有技術相比較，本發明提供一種阻燃耐磨的複合材料，其可以改善該阻燃耐磨的複合材料具有自熄性(或難燃性)、防火時間長、耐水洗性及耐用性，以達到長期重覆使用而不易磨損，即使長期在高溫下仍能正常作用，並且不會產出有毒濃煙。此外，本發明的複合材料的表面在燃燒過程會通過形成炭化作用形成多層奈米複合結構炭化層，該炭化層具有緊密的炭化結構來提高其阻燃能力。本發明的複合材料的更具有多個孔洞，使火焰、有機揮發物等被隔絕在孔洞中，有效地阻礙燃燒蔓延。

因此，本發明的阻燃耐磨的複合材料具有良好的兼容性、價格低、製造簡單、質地輕柔、可具有彈性，同時起到阻燃、耐磨的作用。

本發明之其他特點及具體實施例，可於以下列配合附圖之詳細說明中，進一步瞭解。

S110~S180‧‧‧步驟

第1圖係根據本發明之一實施例中的複合材料的功能性母粒的製造方法；第2圖係根據本發明之第一實施例中的阻燃耐磨的複合材料之襪帶的限氧指數分析的長條圖；及第3圖係根據本發明之第二實施例及第三實施例中的阻燃耐磨的複合材料在染色前後之限氧指數分析的長條圖。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

在本發明的一實施例中，提供了一種阻燃耐磨的複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料可以是多個粉體，該奈米多孔材料或該奈米多孔材料的多個粉體分散地結合在該聚合物之中。

本發明中的奈米多孔材料的粉體的粒徑小於20微米，在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的粒徑為0.1奈米至20微米或其中之任何範圍或子範圍，例如：0.1奈米至20微米、1奈米至20微米、或0.1微米至0.5微米等。

本發明中的奈米多孔材料的粉體的平均粒徑可以為小於20微米，在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的平均粒徑為0.1奈米至20微米或其中之任何範圍或子範圍。在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的平均粒徑為約0.1奈米、1奈米、0.1微米、0.2微米、0.3微米、10微米、或20微米等。

每一奈米多孔材料的粉體的表面的至少10%被聚合物包覆，形成一包覆結構，其中包覆結構可以是表面型包覆或多孔型包覆。對於表面型包覆，聚合物與奈米多孔材料的粉體直接接觸，並且覆蓋在該奈米多孔材料的該粉體上。對於多孔型包覆，聚合物在奈米多孔材料的粉體的周圍形成多個密閉式、半開式孔洞及/或開放式孔洞，使火焰、有機揮發物等被隔絕在孔洞中，有效地阻礙燃燒蔓延。

本發明的一實施例中的奈米多孔材料的多個粉體的比表面積為50至3000平方米/克。在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的比表面積為可以為50至3000平方米/克、80至2500平方米/克、或100至2000平方米/克、或300至1200平方米/克、或其中之任何範圍或子範圍。

本發明的一實施例中的奈米多孔材料的多個粉體的孔洞體積為0.1至10立方公分/克。在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的孔洞體積為可以為0.1至5平方米/克、1至5平方米/克、或1至3平方米/克、或0.1至1平方米/克、或其中之任何範圍或子範圍。

本發明的一實施例中的奈米多孔材料的多個粉體的BET孔洞大小為0.1至50奈米。在本發明的一實施例中，奈米多孔材料的粉體的BET孔洞大小為可以為0.1至20奈米、1至20奈米、或5至20奈米、或5至10奈米、或其中之任何範圍或子範圍。

本發明的一實施例中的該奈米多孔材料的多個粉體的用量為50百萬分率(ppm)以上。在本發明的一實施例中，該奈米多孔材料的多個粉體的用量為50ppm至30質量百分比、或50ppm至20質量百分比。

本發明中的奈米多孔材料具有多個孔洞，因而同時具備質輕及高表面能等特性，該奈米多孔材料依孔徑大小可分為微孔洞材料、介孔洞材料、大孔洞材料。該微孔洞材料具有一孔徑為2奈米(nm)以下，例如：甲醯胺(Methanamide)；該介孔洞材料具有一孔徑為2奈米至50奈米之間，例如：二甲基甲醇(Dimethylcarbinol)；該大孔洞材料具有一孔徑為大於50奈米，例如：光晶材料。該奈米多孔材料的該孔洞可以具有多個相同或不同的孔徑或形狀，並且具有表面積大、熱穩定性高等特點。因此，可運用於催化反應、生化分離、選擇性偵測、重金屬分離等應用。

進一步地，本發明中的奈米多孔材料是選自於由矽型奈米多孔材料、碳型奈米多孔材料及氣凝膠所組成的一群組中的一個或其組合。該矽型奈米多孔材料包括由矽或矽化合物(例如：二氧化矽等)所製成的奈米多孔材料，例如：多孔矽等。該碳型奈米多孔材料包括由碳或碳化合物(例如：炭黑、石墨及石墨烯等)所製成的奈米多孔材料，例如：多孔碳及奈米碳管等。該矽型奈米多孔材料與該碳型奈米多孔材料的組合，例如：矽碳複合材料。

「氣凝膠」係指作為衍生自凝膠之液體組份經氣體置換之凝膠。在本發明的一實施例中，該氣凝膠是選自於矽系、金屬氧化物系、有機系、碳系、半導體金屬硫屬元素化物、奈米管系及金屬系所組成的一群組中的一個或其組合。

在本發明的一個實施例中，若奈米多孔材料帶有極性的官能基，例如：矽型奈米多孔材料及矽系氣凝膠中的矽具有羥基，則該奈米多孔材料是親水性的。通過將奈米多孔材料上的官能基(例如：矽型奈米多孔材料及矽系氣凝膠中的矽上的羥基)取代為烷基，例如：甲基，以改變奈米多孔材料的疏水性。本發明所使用的奈米多孔材料上的官能基可以選自於羥烷基、三鹵代烷基、環烷基、烯基、炔基、芳基、雜芳基、雜脂環、胺、鹵化物、亞磺酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽、亞碸、磷酸鹽、羥基、烷氧基、芳氧基、硫代羥基、硫代烷氧基、硫代芳氧基、羰基、氰基、硝基、偶氮、磺醯胺、 C-羧酸酯、O-羧酸酯、N-硫代氨基甲酸酯、O-硫代氨基甲酸酯、脲、硫脲、N-氨基甲酸酯、O-氨基甲酸酯、C-醯胺、N-醯胺、脒基、胍、肼或其組合中的一個，有效地增加奈米多孔材料與聚合物之間的相容性及分散性，克服了一般奈米多孔材料與聚合物的複合材料容易斷裂的問題，使得奈米多孔材料與聚合物的複合材料具有更高的韌性、強度、伸度及可紡性。

在本發明的另一個實施例中，通過以下方法中的至少一種來對奈米多孔材料及/或其多個粉體進行修飾：(1)通過氣態試劑對奈米多孔材料進行表面化學改性；及(2)通過摻入某些化學添加劑對膠體顆粒進行表面改性(例如：在溶膠-凝膠合成中加入適量的甲基三甲氧基矽烷(MTMS)，可獲得疏水性二氧化矽氣凝膠)。

在本發明的一實施例中，該奈米多孔材料與該聚合物之間以一化學鍵結或分子間作用力彼此連接。該化學鍵結可以是共價鍵、離子鍵或配位鍵。該分子間作用力可以為氫鍵或范德華力。

對於共價鍵的多個示例包括：該聚合物鏈上的羧基、鹵素基或磺酸基與該奈米多孔材料上的羥基產生化學反應，形成穩定結合的並價鍵，或該奈米多孔材料與聚合物聚合，形成該聚合物的支鏈等。對於離子鍵的多個示例包括：該聚合物與該奈米多孔材料彼此帶有異性電荷，通過靜電引力作用形成離子鍵。對於離子鍵的多個示例包括：該聚合物與該奈米多孔材料以電子對及空電子軌道相互配位，形成配位鍵。

另一方面，由於傳統的奈米多孔材料混合在聚合物之中時會引起粉體聚集效應，難以與聚合物均勻地混合，造成奈米多孔材料結塊，產生不穩定的複合材料。因此，在本發明的一實施例中，該複合材料還可以含有一分散劑，該分散劑的用量為小於或等於30質量百分比。因此，降低了因添加高濃度的奈米多孔材料在聚合物之中時引起的粉體聚集效應，使得該奈米多孔材料分散地結合在該聚合物之中，同時確保改善了在一般連續式生產作業時的壓升問題，使得壓力維持在一恆定範圍內。

該分散劑可以選自於以下多個分散劑中的其中一個：(1)含酸酐、丙烯酸、苯乙烯或環氧官能基之共聚合物；(2)以聚酯、聚丙烯酸酯、聚醚高分子結構為主體，並帶有親水官能基(例如：酸基、胺基、醇基)；(3)蠟，例如：天然蠟、蒙旦蠟、合成蠟、聚烯蠟；及(4)有機酸衍生物，例如：脂肪酸、硬脂酸、脂肪酸酯、脂肪醯胺、乙烯基雙硬脂醯胺、皂化脂肪酸、硬脂酸鋅、甘油酯。

在本發明的另一實施例中，在該複合材料中加入如化學式I所示的微量成碳劑，例如：Melamine Cyanurate 810(MC810)，以提升碳化層形成速率，其中MC810約0.5重量百分比。

在本發明的一實施例中，在奈米多孔複合材料聚合物中加入具有磷、氮原子或芳香環結構之阻燃劑，其中該阻燃劑的磷含量為4000至 7000ppm。該阻燃劑可以為如化學式II所示的1,4-哌嗪二基雙磷酸四苯基酯(Tetraphenyl 1,4-piperazinediylbis(phosphonate)，FR 115)或如化學式III所示的雙(4-羧基苯基)苯基氧化磷(bis(4-chlorophenyl)phenyl phosphine oxide，BCPPO)等。

在本說明書中使用的術語「限氧指數(L.O.I.)」，是指在規定的實驗條件(例如：大氣環境)下，在氧、氮混合氣體中，材料剛好能保持燃燒狀態所需最低氧濃度，並以體積分數表示。限氧指數可由最終氧濃度計算得出：L.O.I.=[O₂/(O₂+N₂)]×100%

在本發明的一實施例中，該聚合物的限氧指數為18%至22%。例如：耐隆6(Nylon 6)之限氧指數約18%至20%、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)之限氧指數約20%至22%。在本發明的一實施例中，該複合材料的限氧指數大於等於24%，例如：24%至60%、24至40%、40%至60%等。當材料L.O.I.值達到24%以上時，可視為此材料本身具有自行撲滅火焰的特性，故稱之為具有阻燃性。

本發明中的奈米多孔材料的製備方法可以選自於溶膠一凝膠法、插層法、共混法、填充法及其組合所組成的群組中的一個。其中製造氣凝膠的一個方法為溶膠一凝膠法。把金屬鹽類均勻混合在溶劑中，在觸媒的催化下，經過一段時間的水解和縮合，會逐漸形成溶膠，溶膠內的膠體粒子均勻分散在系統中。膠體粒子再經過一段時間的縮合和熟化後，會形成外觀類似果凍般膠狀的半固態高分子物質，該膠狀物質被稱為溼凝膠。當膠體內的結構逐漸穩定，並且形成堅固的網狀結構後，再清洗溼凝膠以去除溶劑與膠體內未反應的反應物與催化劑。最後使用超臨界乾燥技術移除膠狀物中的殘留溶劑，乾燥後的膠體形成氣凝膠。

此外，還可以通過使用調整奈米多孔材料的前驅物(例如：對於矽系氣凝膠，改變矽酸甲酯(TMOS)、矽酸乙酯(TEOS)、聚矽氧烷(PEDS)、甲基三甲氧基矽烷(MTMS))、溶膠的用量、pH值等參數，可以改變奈米多孔材料的比表面積。

複合材料的製造方法：

本發明之複合材料可以利用多種熔融加工方式中的一種來製備。例如：常用於塑膠工業的任何一種摻混方法，包括：使用軋輪機、萬馬力機、捏合機、單軸押出機、雙軸押出機、多軸押出機等裝置，將聚合物、奈米多孔材料、分散劑(可選地)等結合在一起，使得奈米多孔材料及分散劑(可選地)均勻分佈於整個聚合物中，製成功能性母粒。

請參見第1圖，第1圖係根據本發明之一實施例中的複合材料的功能性母粒的製造方法，主要包括以下多個步驟：步驟S110：製備具有所需的粒徑之奈米多孔材料的多個粉體；步驟S120：通過使用粒徑分析儀確認該奈米多孔材料的多個粉體的尺寸及其分佈範圍；步驟S130：將該奈米多孔材料的粉體與聚合物混合；及步驟S140：將該奈米多孔材料的粉體與聚合物經由乾磨機打散均勻後形成複合材料，並蒐集該複合材料。

在本發明的另一個實施例中，步驟S30還可以包括：步驟S131：添加分散劑，其中分散劑的用量低於或等於該奈米多孔材料的用量。

在本發明的一實施例中，複合材料的功能性母粒的製造方法還包括以下多個步驟：步驟S150：將100至120℃下乾燥14小時之混合粉體從烘箱取出，大力均勻搖晃後由入料口倒入混煉設備進行混煉造粒，雙螺桿轉速則設定為300每分鐘轉數(rpm)，混煉造粒溫度為約200至280℃。隨後蒐集切粒而得到不同比例的複合材料的母粒。

步驟S160：對複合材料的母粒進行物理性質分析及進行乾燥，其中該物性分析例如通過相應的儀器及材料來測量母粒的粒徑、比表面積或含水量等物理性質；步驟S170：使用複合材料的母粒進行加工(例如：紡絲、射出成型及/或熱壓成膜)，以製成相應的複合材料的製成品(例如：纖維、塑料、薄膜及/或塗層)；及步驟S180：對複合材料的製成品進行物理性質分析，其中該物性分析例如通過相應的儀器來測量。

在本發明的一實施例中的一種包括本發明的複合材料的纖維的製備方法為抽絲，可製備符合一規格(例如：70d/24f)的紗線，其主要包括以下步驟：步驟S210：將在本發明的功能性母粒及聚合物在其熔點以上的溫度經一螺桿式押出機或齒輪從噴絲板細孔(例如：一抽絲孔(Spinnerette))擠出；及步驟S220：冷卻細化成絲狀固體，同時進行捲繞。

所製成的纖維及/或紗線可進一步通過編織、精煉等製程，生產各種紡織品。

在本發明的一實施例中的一種包括本發明的複合材料的塑料的製備方法為射出成型，其主要包括以下步驟：步驟S310：由料管加熱使複合材料呈現熔融狀；及步驟S320：由螺桿將複合材料往前推送並施以極大的壓力把複合材料從注澆道(Sprue)射入充填模穴，形成一塑料。

在本發明的一實施例中，該射出成型製程可包括五個階段：鎖模、射出、保壓、冷卻、開模頂出。

在本發明的一實施例中的一種包括本發明的複合材料的薄膜的製備方法為熱壓成膜，其主要包括以下步驟：步驟S410：通過螺旋擠製機使熔融態的複合材料以連續的長條形式進入熱壓機，在旋轉的水平滾筒間擠壓熔融態的複合材料；及步驟S420：獨立控制各滾筒的速度與溫度，依序減少連續滾筒對之間的最小距離或夾溝(Nip)，以生產連續平板或膜的程序，並保持嚴格的尺寸寬容度。

除了上述的多個應用，本發明的複合材料還可以應用在：紡織工業、塑膠工業、橡膠工業等，製造出各類生活用品、家飾布、衣物、裝置、零件、器材、建材或車用布品等。

根據本發明的一實施例，通過塑譜儀(Brabender)簡易混料器將奈米多孔材料及聚合物結合，以形成複合材料，並通過限氧指數測試儀(PL16000)對該複合材料進行測試，以分析複合材料的阻燃能力，並以限氧指數表示。

燃燒準則為燃燒時間不超過3min，燃燒長度不超過5公分(若超過3分鐘則降低氧氣濃度，不超過則增加氧氣濃度)，並且樣品規格為6.5×3.0×(70~150)毫米。

CNS13387 D3195-1994車輛內裝材料燃燒性測試：

以FMVSS.302燃燒試驗儀對本發明的複合材料進行分析，標準測試樣品為布寬100毫米(mm)，布長355mm，布厚小於13mm。試驗結果只有合格與不合格二種，判斷依據為無法燃燒至計時線即熄滅或於計時線後60秒(s)內停止燃燒，燃燒速率小於102毫米/分鐘(mm/min)，且燃燒距離小於51mm，每次測試至少五組，燃燒時間(BT)為燃燒該燃燒長度(BL)所需的時間，燃燒速率計算(BR)=60×BL/BT

CNS 10285 L3196-1995纖維製品防焰性測試：

按照規定，以梅克爾45度測定儀對本發明的複合材料進行分析，由於樣品重量小於450克/平方米(g/m²)，為薄纖製品，因此，採A-1法。試驗結果以餘焰時間、餘燃時間、碳化面積、碳化距離為級數判定。進行樣品取樣350mm×250mm，至少五片；火焰長度45mm，燃料主成份為丙烷與丁烷。

UL-94塑膠可燃性測試：

為了判定複合材料的阻燃性，根據UL-94規定採垂直燃燒法，將長125±5mm，寬13±0.5mm，厚度<13mm的紡織物，或長125.80mm，寛12.96mm，厚度0.86mm的試片，至少五片樣品以20mm長的藍焰燒烤10秒，然後移開，然後測量燃燒時間(第1次)後，熄滅後立即點火，然後測量燃燒時間(第2次)，最後測量燃燒時間、完全碳化時間、是否燃燒至夾具、融滴是否引燃作為級數判定。

耐磨測試：

以ASTM D3884-2009標準進行分析，使用CS-10滾輪，荷重1千克(kg)，磨到破損作為判定標準。在織布打樣(斜紋，120x80)後，需經過精練程序處理，方可進行耐磨測試。

精練使用儀器為Rapid染色機，配方條件為精練劑(WX-24)1(克/升)g/L，NaOH(s)1g/L，紡織品對染劑的比例(Liquid Ratio)=1：20，100℃ x 30min。

下面將結合本發明的實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。

應當理解，為了扼要地呈現本發明的多個發明概念，以下多個實施例中的奈米多孔材料以碳系氣凝膠作為舉例，其它的奈米多孔材料(例如：矽系氣凝膠等)也具有與碳系氣凝膠相似的效果。此外，以下多個實施例中的聚合物以耐隆6及PET作為舉例，其它的聚合物(例如：聚碳酸酯等)也具有與耐隆6及PET相似的效果。

第一實施例：

在本發明的第一實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠(以下稱為nano-porous carbon，NPC)，而該聚合物為耐隆6(Nylon 6)或PET。

如以下的表1所示，表1是根據本發明之第一實施例的阻燃耐磨的複合材料所製成的紡織品(例如：紗線及襪帶等)的物理性質(纖維強度及纖維伸度分析)的長條圖。

在第一實施例中，分別將0.05%、0.01%及0.5%的NPC結合在Nylon 6或PET中製成一複合材料，並經過抽絲製程加工成紗線，以進行纖維強度及纖維伸度分析。從表1中的結果顯示出添加不同的添加濃度的奈米多孔材料所製成的紗線的纖維強度，常規Nylon 6之纖維強度約為4.06g/d，纖維伸度為61.8%，使用0.05%、0.1%及0.5%的NPC所製備之複合材料的紗線之纖維強度依序分別為4.19克/丹尼爾(g/d)、4.13g/d及3.74g/d。因此，具有0.05%、0.1%的NPC與Nylon 6所製備之複合材料的紗線之纖維強度比起常規的Nylon 6有所增加。

第二實施例：

在本發明的第二實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠(以下稱為NPC)，而該聚合物為耐隆6。

根據第二實施例的結果，即使以簡易混料器搭配熱壓製程，將NPC添加至Nylon 6裡面進行L.O.I.量測，並與空白Nylon 6比較，可得知隨著NPC添加量增加，而提升了L.O.I.數值，達到初步的阻燃效果。

表2：

第三實施例：

在本發明的第三實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠(以下稱為NPC)，而該聚合物為耐隆6。

限氧指數分析：

請參照第2圖，第2圖係根據本發明之第三實施例中的阻燃耐磨的複合材料之襪帶的限氧指數分析的長條圖。在第三實施例中，分別將50、70、90、120、500、1000及5000ppm的NPC結合在耐隆6中所製成的複合材料的纖維，並在紡織襪帶後，進行限氧指數分析。從第2圖中的結果顯示出添加不同的添加濃度的奈米多孔材料所製成的襪帶的限氧指數分析，能明顯觀察到當NSC的添加濃度為50ppm時，限氧指數為27，比起一般的耐隆纖維的限氧指數超過29%，直到超過70ppm以後，限氧指數將趨於穩定值32±1，更比起一般Nylon纖維的限氧指數超過52%。因此，本發明的第三實施例中的奈米多孔材料在添加至少50ppm的情況下，即比起一般的耐隆纖維具有更顯著的阻燃能力。

第四實施例：

在本發明的第四實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為矽系氣凝膠(以下稱為NPS)，而該聚合物為耐隆6。

先將60公克之矽型奈米多孔材料、14克之Tetraphenyl 1,4-piperazinediylbis(phosphonate)、10克之Melamine Cyanurate與1940公克之耐隆6粉體(R.V 2.7)混合，配置成混合粉體，並蒐集成袋，再倒入乾磨機進行乾磨，乾磨時間為一分鐘，此步驟完成後，將混合粉體平鋪於鐵盤，並置於105℃下乾燥14小時，以進行雙螺桿押出機混煉造粒實驗。於阻燃耐隆混煉造粒製程中，將105℃下乾燥14小時之混合粉體從烘箱取出，由入料口倒入混煉設備進行混煉造粒，隨後蒐集母粒。混煉造粒溫度為235至270℃。

其後進行纖維紡絲與襪帶織造，在紡絲前將矽型奈米多孔材料-耐隆6母粒在100℃下乾燥14小時，確保粒子之含水率低於800ppm，隨後由入料口倒入紡絲機台，進行纖維紡絲實驗以製備70d/24f規格之NPS-Nylon紗線，並使用該紗線進行襪帶編織，最後精煉後，接著進行限氧指數分析，以測定該紗線的阻燃性，結果顯示該複合材料所製成的襪帶的L.O.I值為29，可見，具有矽型奈米多孔材料或碳型奈米多孔材料的本發明的複合材料皆具有優於一般耐隆纖維的阻燃能力。

第五實施例：

請參照第3圖，第3圖係根據本發明之第一實施例中的阻燃耐磨的複合材料分別在第一次染色及第二次染色前後之限氧指數分析的長條圖。在第五實施例中，分別製備了0.05%及0.5%的NPC結合在Nylon 6製成一複合材料，並加工成纖維來紡織成一紡織物，例如：襪帶，以進行限氧指數分析。從第3圖中的結果顯示出添加不同的添加濃度的奈米多孔材料所製成的襪帶在進行染色前後的限氧指數分析，具有0.05及0.5%的NPC的複合材料之限氧指數分別為32%及33%。顯示出NPC在低濃度下就能有效地提升阻燃性。而且在複合材料在第一次染色及第二次染色後，具有0.05及0.5%的NPC的複合材料的限氧指數分別為29%及30%。因此，本發明的第五實施例中的奈米多孔材料在多次染色後仍然具有更顯著的阻燃能力，比起一般Nylon纖維的限氧指數超過38至43%。

第六實施例：

在本發明的第六實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠，而該聚合物為耐隆6。為了進一步測定該複合材料的阻燃性，對該複合材料進行CNS13387 D3195-1994車輛內裝材料燃燒性測試。

表3為NPC-Nylon複合材料所製成的織物的CNS13387 D3195-1994測試結果，共測試了十組，燃燒起火均勻燃燒至計時線前熄滅，因此燃燒速率為0mm/min，判定結果為自熄(SE)，顯示出NPC-Nylon能符合車輛內裝紡織品防焰性需求，有效防止火源造成迅速燃燒的情況，避免燃燒與產生有毒氣體，並同時具有阻燃及自我熄滅特性之材料，以增加使用者在發生車輛事故之生存率。

第七實施例：

在本發明的第七實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠，而該聚合物為耐隆6。為了進一步測定該複合材料的防焰性，對該複合材料進行CNS 10285 L3196-1995纖維製品防焰性測試。

表4為NPC-Nylon製成的纖維製品的CNS 10285 L3196-1995纖維製品防焰性測試結果，NPC-Nylon被評定為防焰性1級，因此，NPC-Nylon能有效地防止因微小火源而起火或迅速燃燒性能，能避免引起著火、擴大燃燒及形成大量有毒氣體，並且具有自體熄滅特性。

第八實施例：

在本發明的第八實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠，而該聚合物為耐隆6。

本實施例中以納米多孔複合材料聚合物NPC-Nylon作為舉例，表5為NPC-Nylon所製成的紡織物在標準調節(溫度23±2℃、相對溼度50±5%，48小時)以及表6為熱老化條件(溫度70±1℃，168小時)下的UL-94測試結果，NPC-Nylon所製成的紡織物在熱老化條件下，樣品僅出現0-2.3秒不等極短暫的燃燒時間，火星時間依然為零，產生之融滴引燃棉花，屬V2等級。因此，本實施例中的複合材料聚合物NPC-Nylon無論在標準調節或熱老化條件下點火後，能在短時間內迅速自熄並停止燃燒，同時具備能防止引起著火、火勢擴大、形成大量有毒氣體等。

第九實施例：

在本發明的第九實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠，而該聚合物為Nylon 6或PET。表7為在不同NPC百分比下的複合材料NPC-Nylon之耐磨性測試結果，由表7中可清楚地觀察到常規的Nylon 6的耐磨次數為2800次，而0.05% NPC-Nylon及0.1% NPC-Nylon的耐磨次數均相較於常規的耐隆材質Nylon 6大幅提升63%至71%。此外，常規的PET的耐磨次數為650次，而0.05% NPC-PET及0.5% NPC-PET的耐磨次數均相較於常規的PET大幅提升97%至51%。

第十實施例：

在本發明的第十實施例中，提供了一種複合材料，該複合材料包括一奈米多孔材料及一聚合物。其中該奈米多孔材料為碳系氣凝膠，而該聚合物為耐隆6或PET。通過射出成型製程，製造一種包括該複合材料的塑料，例如：試片，並對該塑料進行UL-94塑膠可燃性測試。

表8為1% NPC-Nylon通過射出成型工序所製成的塑膠試片在標準調節下的UL-94測試結果，結果顯示NPC-Nylon所製成的塑膠試片以及塑膠試片在標準調節條件下，燃燒時間與火星時間均為零，僅高溫融滴會引燃棉花，屬V2等級。因此，該包括該複合材料的塑料同樣具有良好的阻燃性。

表8：

綜上所述，本發明提供一種阻燃耐磨的複合材料，其可以改善該阻燃耐磨的複合材料具有自熄性(或難燃性)、防火時間長、耐水洗性及耐用性，以達到長期重覆使用而不易磨損，即使長期在高溫下仍能正常作用，並且不會產出有毒濃煙。此外，本發明的複合材料的表面在燃燒過程會通過形成炭化作用形成多層奈米複合結構炭化層，該炭化層具有緊密的炭化結構來提高其阻燃能力。本發明的複合材料的更具有多個孔洞，使火焰、有機揮發物等被隔絕在孔洞中，有效地阻礙燃燒蔓延。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種阻燃耐磨的複合材料，該複合材料包括：一奈米多孔材料，包括多個粉體，該粉體的粒徑小於20微米，該奈米多孔材料的多個粉體的比表面積為50至3000平方米/克以及該奈米多孔材料的多個粉體的用量為50百萬分率(ppm)至30質量百分比；一聚合物，該奈米多孔材料分散地結合在該聚合物之中；及一分散劑，該分散劑的用量為小於或等於30質量百分比，其中該分散劑是選自於以聚酯、聚丙烯酸酯或聚醚高分子結構為主體且具有至少一親水官能基的聚合物，或該分散劑是選自於具有酸酐、丙烯酸、苯乙烯、環氧官能基之共聚合物、有機酸衍生物以及蠟中的一個或其組合；其中該複合材料的限氧指數大於等於24%。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該複合材料滿足以下不等式：A_c>A_p，其中A_c為該複合材料的耐磨轉數，以及A_p為該聚合物的耐磨轉數。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該聚合物是選自於由聚酯、聚烯、尼龍(PA)、壓克力、聚胺酯(PU)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)及其衍生物所組成的一群組中的一個或其組合。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該奈米多孔材料是選自於由矽型奈米多孔材料、碳型奈米多孔材料及氣凝膠所組成的一群組中的一個或其組合。
如請求項4之阻燃耐磨的複合材料，其中該氣凝膠是選自於矽系、金屬氧化物系、有機系、碳系、半導體金屬硫屬元素化物、奈米管系及金屬系所組成的一群組中的一個或其組合。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該複合材料還包括一成碳劑。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該複合材料還包括一阻燃劑。
如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該奈米多孔材料與該聚合物之間以一化學鍵結或分子間作用力彼此連接。
一種塗料，其中該塗料包括如請求項1之阻燃耐磨的複合材料。
一種薄膜，其中該薄膜包括如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，其中該薄膜的厚度小於等於500微米。
一種塑料，其中該塑料包括如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，該塑料的厚度大於等於500微米。
一種纖維，其中該纖維包括如請求項1之阻燃耐磨的複合材料，該纖維為0.1丹尼以上。