CN101693835A

CN101693835A - 具有高效阻燃性能的环保型聚丙烯复合材料

Info

Publication number: CN101693835A
Application number: CN200910115838A
Authority: CN
Inventors: 邵志成; 万吴军; 徐军; 叶�武; 伏建
Original assignee: HUADING PLASTIC Co Ltd
Current assignee: HUADING PLASTIC Co Ltd
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2010-04-14

Abstract

本发明涉及一种氮磷膨胀型无卤阻燃剂及含有该阻燃剂的聚丙烯复合材料，阻燃剂按重量百分比包括如下组分：30％～40％的氰尿酸三聚氰胺盐，20％～30％的三聚氰胺磷酸胺，20％～25％的季戊四醇，10％～30％的氢氧化物，所述的氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化镁或者两者的混合物。采用该阻燃剂制得的聚丙烯复合材料，与现有的无卤阻燃聚丙烯复合材料相比，阻燃效率高，只需要加入较少量的阻燃剂，对最终制成的复合材料的物理性能影响很小；加工过程更加容易，复合材料热稳定性更好。

Description

具有高效阻燃性能的环保型聚丙烯复合材料

技术领域

本发明涉及一种聚丙烯复合材料，特别是涉及一种具有阻燃性能的聚丙烯复合材料。

背景技术

聚丙烯(PP)是塑料中用量很大的热塑性塑料，具有优良的电绝缘性、耐低温性、化学稳定性、易加工成型等性能，且价格低廉，由此被广泛应用于电器、化工、机械、纺织、建筑、家具、食品包装等行业。

而聚丙烯是一种易燃物质，并且燃烧时容易产生大量熔滴，目前的聚丙烯复合材料在应用前都需要进行阻燃方面的改性，最常用的阻燃改性方法即在聚丙烯复合材料中添加合适的阻燃剂。

现有技术中，能够添加到聚丙烯复合材料中的阻燃剂一般分为两类，一类是卤系阻燃剂，这类阻燃剂虽然阻燃效果非常好，但是在燃烧时会产生大量的有毒的、腐蚀性的气体以及浓烟雾等，会对环境造成严重污染；另一类是符合目前环保要求的无卤阻燃材料，例如氮磷膨胀型无卤阻燃剂。

氮磷膨胀型无卤阻燃剂一般主要包括酸源、碳源和气源3个部分；其中，酸源也称脱水剂，一般为能够在燃烧时形成酸(磷酸)的物质；碳源也称成炭剂，在受热时能够在酸源所形成的算的作用下脱水成炭；气源也称发泡源，一般为含氮的多碳化合物，燃烧时能够产生大量气体(氮气)。该阻燃剂的阻燃机理在于：在受热燃烧时，碳源与酸源燃烧产生的磷酸发生反应下脱水成炭，并在气源燃烧分解产生的氮气的作用下，形成蓬松并且结构封闭的炭层，表面燃烧形成的炭层一方面减弱了内部的聚丙烯物质与热源间的热量传递，另一方面阻止氧气进入内部，使得聚丙烯物质没有足够的氧气而终止燃烧，从而达到阻燃目的。

现有的氮磷膨胀型无卤阻燃剂的阻燃效率不高，一方面，为达到合适的阻燃效果，通常需要向聚丙烯复合材料中添加较多的阻燃剂，而阻燃剂的加入量太大一方面会降低复合材料的物理机械性能；另一方面还使得复合材料在加工过程中容易产生膨胀和气泡，使加工过程变得较为困难，再者，现在市场上的氮磷膨胀型无卤阻燃剂热稳定性普遍较差，遇热容易分解失效，这些缺点都影响着复合材料的工业应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明一方面提供了一种氮磷膨胀型无卤阻燃剂，其按重量百分比包括如下组分：30％～40％的氰尿酸三聚氰胺盐，20％～30％的三聚氰胺磷酸胺，20％～25％的季戊四醇，10％～30％的氢氧化物，所述的氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化镁。

所述氮磷膨胀型无卤阻燃剂的制备，只需采用物理混合的方式将上述的各组分按重量比混合均匀即可。

上述技术方案的氮磷膨胀型无卤阻燃剂体系中，使用了氰尿酸三聚氰胺盐和三聚氰胺磷酸铵。一方面，这两种物质在燃烧时既能够产生磷酸，又可以产生大量的氮气，两者中任意一种应用到无卤阻燃剂中都能够同时充当起酸源组分和氮源组分，能够起到双重作用，因此相比现有的氮磷膨胀型无卤阻燃剂，本发明的阻燃剂中酸源与氮源组分的总重量份可以大大减少；另一方面，发明人经大量实验研究发现，不仅这两种物质中任意一种用于本发明阻燃剂体系中能够有较好的阻燃效率(以下的阻燃效率皆指单元重量份的阻燃效果)和热稳定性，而且两者组合后能够相互协同作用，两者组合添加后的阻燃效率大于仅添加其中任意一种物质的阻燃效率，因此，总的来说相比现有技术，添加较少量的上述阻燃剂就能达到较好的阻燃效率和热稳定性。

再者，采用上述技术方案的阻燃剂中还添加了氢氧化物，配合上述的酸源和碳源，所添加的氢氧化物在燃烧时发生分解，产生大量的水蒸气，吸收了一部分的热量，降低了体系的温度，同时使膨胀炭层的分布趋于合理，使可燃气体和发烟量得到了更好的控制，从而使得阻燃效率、效果得到进一步提高。

更进一步的，所述的阻燃剂中可以添加重量百分比不大于5％的阻燃协效剂，所述的阻燃协效剂为SiO2、ZnO2、稀土氧化物三者中的任意一种。稀土氧化物可以采用本领域技术人员所知道的任意一种，如氧化铕、氧化铋、氧化钇、氧化镧等。

本发明另一方面还提供了采用上述阻燃剂的聚丙烯复合材料，所述的阻燃剂的占所述聚丙烯复合材料的重量百分比为15％～25％。采用上述技术方案的聚丙烯复合材料，不仅具有上述阻燃剂所具有的阻燃效率和热稳定的优点，并且由于其中减少了阻燃剂的含量，聚丙烯含量相对变多，一方面，对最终制成的复合材料的物理性能影响很小；另一方面也缓解了加工过程中容易产生膨胀和气泡的问题，使得加工过程更加容易进行，且热稳定性更好。

聚丙烯复合材料的主要成分为聚丙烯，除了阻燃剂以外，一般还需要添加少量的偶联剂(如硅烷偶联剂)、分散剂(如聚丙烯蜡)、抗氧化剂(如市售的B225，一种由受阻酚类抗氧剂1010与亚磷酸酯类抗氧剂168组成的复合型抗氧剂)、润滑剂(如硬脂酸钙)等相关助剂，这些助剂都是本领域技术人员所熟知的，都可以采用本领域所熟知的能够添加的聚丙烯复合材料中的常规助剂。

本发明另一方面还提供了采用上述阻燃剂的聚丙烯复合材料的制备方法，该方法为：将聚丙烯、所述阻燃剂、以及制备所述复合材料所需的相关助剂混合并搅拌均匀，将搅拌后制得的混合物料加入到双螺杆挤出机的料筒中进行挤出切粒制得所述复合材料，所述料筒的温度控制在170℃～200℃。

本发明的采用上述阻燃剂制得的聚丙烯复合材料，与现有的无卤阻燃聚丙烯复合材料相比，具有如下优点：1)阻燃效率高，只需要加入较少量的阻燃剂，就能达到较好的阻燃效率，对最终制成的复合材料的物理性能影响很小；2)加工过程更加容易；3)复合材料的热稳定性更好。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行说明，但不限于这些实施例。

实施例1

1)制备10kg的氮磷膨胀型无卤阻燃剂(按100份重量份计)：

将34份氰尿酸三聚氰胺盐、30份三聚氰胺磷酸铵、20份季戊四醇、15份氢氧化铝、1份SiO₂倒入搅拌桶中搅拌混合均匀即得到本实施例的氮磷膨胀型无卤阻燃剂。

2)制备40kg聚丙烯复合材料(按100份重量份计)：

68份聚丙烯(中国石化公司生产的聚丙烯产品F401)、25份阻燃剂(即按上述方法制得的阻燃剂)、偶联剂(硅烷偶联剂)、分散剂(聚丙烯蜡)、抗氧化剂(B225)、润滑剂(硬脂酸钙)。

将上述各组分加入到搅拌桶中搅拌混合均匀(在30分钟内依次加入，搅拌混合均匀)，然后将搅拌制得的混合物料加入双螺杆挤出机中(双螺杆挤出机的料筒温度参数如下：一区间180℃，二区间185℃，三区间185℃，四区间185℃)，挤出并切粒得到本实施例的聚丙烯复合材料，该复合材料的具体性能数据如下表：

表1阻燃性能数据

组别	阻燃剂添加量(％)	LOI(％)	UL-94阻燃级别(厚度1.5mm)
组别	阻燃剂添加量(％)	LOI(％)	UL-94阻燃级别(厚度1.5mm)	本实施例的聚丙烯复合材料	25	30.8	V-0
含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料	32-45	25-30	V-1&V-0	本实施例的聚丙烯复合材料	25	30.8	V-0
含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料	32-45	25-30	V-1&V-0	含有溴系阻燃剂的聚丙烯复合材料	25-30	25-35	V-0

表1中的LOI是指极限氧指数，UL-94阻燃级别是指美国电子电器协会的阻燃标准，其中1.5mm是阻燃产品的厚度，因为产品的厚度对阻燃的等级有影响，所以加以标示，V-0和V-1指的是阻燃级别。

表2力学性能数据

组别	拉伸强度/MPa	冲击强度/kj/m²	缺口冲击强度/MPa	弯曲模量/MPa	断裂伸长率(％)
组别	拉伸强度/MPa	冲击强度/kj/m²	缺口冲击强度/MPa	弯曲模量/MPa	断裂伸长率(％)	本实施例的聚丙烯复合材料	23	32	3.8	1670	49

组别	拉伸强度/MPa	冲击强度/kj/m²	缺口冲击强度/MPa	弯曲模量/MPa	断裂伸长率(％)
组别	拉伸强度/MPa	冲击强度/kj/m²	缺口冲击强度/MPa	弯曲模量/MPa	断裂伸长率(％)	含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料	15-20	25-30	2.5-3.0	1500-1600	30-40
含有溴系阻燃剂的聚丙烯复合材料	20-30	20-30	3.5-4.0	1600-1800	35-45	含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料	15-20	25-30	2.5-3.0	1500-1600	30-40

由表1和表2的数据可知，本发明的聚丙烯复合材料与现有的含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料相比，阻燃效率要高很多，即只需要添加较少量的阻燃剂就可以达到优良的阻燃效果，可以看出，其阻燃效率与包含卤系(常用溴系)阻燃剂的聚丙烯复合材料接近。

另外，本实施例的聚丙烯复合材料中只添加了较少量的阻燃剂，其力学性能或者说物理机械性能基本不受影响，总的来看，与包含卤系(常用溴系)阻燃剂的聚丙烯复合材料接近。

因此，本发明的聚丙烯复合材料作为一种具有高性能且环保的复合材料，可以完全替代现有的卤系阻燃聚丙烯复合材料和含有氮磷膨胀型无卤阻燃剂的聚丙烯复合材料。

Claims

1.一种氮磷膨胀型无卤阻燃剂，其特征在于，该阻燃剂按重量百分比包括如下组分：30％～40％的氰尿酸三聚氰胺盐，20％～30％的三聚氰胺磷酸胺，20％～25％的季戊四醇，10％～30％的氢氧化物，所述的氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化镁或者两者的混合物。

2.如权利要求1所述的阻燃剂，其特征在于：所述的阻燃剂中可以添加重量百分比不大于5％的阻燃协效剂，所述的阻燃协效剂为SiO₂、ZnO₂、稀土氧化物三者中的任意一种。

3.一种包含了权利要求1或2所述的阻燃剂的聚丙烯复合材料，所述的阻燃剂的占所述聚丙烯复合材料的重量百分比为15％～25％。

4.权利要求3所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：将聚丙烯、所述阻燃剂、以及制备所述复合材料所需的相关助剂混合并搅拌均匀，将搅拌后制得的混合物料加入到双螺杆挤出机的料筒中进行挤出切粒制得所述复合材料，所述料筒的温度控制在170℃～200℃。