CN101812237B - 一种阻燃木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻燃木塑复合材料，所述的阻燃木塑复合材料由如下重量份的组分组成：植物纤维35～60份，磷酸铵类阻燃剂10～35份，塑料20～28份，相容剂2～10份，其中植物纤维、磷酸铵类阻燃剂、塑料、相容剂的组分总量为100份；所述的植物纤维为30～100目的植物纤维粉末；所述的磷酸铵类阻燃剂为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵或两者的混合物；所述塑料为下列之一或两种以上的混合：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料或聚苯乙烯；所述的相容剂为下列之一或两种的混合：马醚酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯。本发明阻燃成本低，阻燃效果好，且无毒无害。
Description
(一)技术领域
本发明提供一种阻燃木塑复合材料及其制备方法。
(二)背景技术
木塑复合材料(WPC)的主要原料是农林废弃物(主要成份为植物纤维)和废旧塑料，其产品主要用作木材的替代品。开发木塑复合材料对于废弃物综合利用、环境保护和缓解天然木材日趋紧张的压力都具有十分重要的意义，因而受到了全世界的广泛重视。近年来，木塑复合材料得到了快速的发展和广泛的应用。
但是，由于木塑复合材料中的主要原料植物纤维与塑料(特别是聚烯烃塑料)都是易燃材料，因此，木塑复合材料不具备阻燃性，具有消防安全隐患，从而在相当的程度上限制了这种绿色环保产品的应用范围。因此，近年来，木塑复合材料的阻燃性研究越来越受到人们的重视。
人们已经分别对木材(主要含植物纤维)和塑料的阻燃进行了大量的研究，对木材和塑料的阻燃现已有一系列较好的方法，但对木塑复合材料的阻燃研究却较少。虽然木塑复合材料中的主要原料是植物纤维和塑料，但是，研究表明，木塑复合材料的阻燃规律既不同于木材(主要含植物纤维)，也不同于塑料，因此，对木塑复合材料的阻燃需要进行专门的研究。
木塑复合材料是近年来兴起的一种新型材料，其开发和使用的历史不长，因此，已公开的木塑复合材料阻燃专利不多，而且在已公开的木塑复合材料阻燃专利中的木塑复合材料阻燃方法还存在一些问题。
例如，在申请号为200710072794.2的专利中，公开了一种聚苯乙烯木塑复合材料和聚氯乙烯木塑复合材料的阻燃方法，该阻燃方法分别在聚苯乙烯木塑复合材料和聚氯乙烯木塑复合材料中加入以聚磷酸铵(APP)为主体的膨胀型阻燃体系。该阻燃体系虽然对木塑复合材料的阻燃和抑烟具有较好的作用，而且阻燃系统无毒，但是，聚磷酸铵价格较贵，作为售价较低的木塑复合材料的阻燃剂，存在使阻燃木塑复合材料的生产成本偏高的问题；另一方面，聚磷酸铵易使木塑复合材料燃烧时产生CO的速率高于未阻燃的木塑复合材料，具有CO中毒的安全隐患。
又如，在申请号为200910072237.X的专利中，公开了在聚烯烃木塑复合材料中加入了以焦磷酸三聚氰铵盐为阻燃剂的方法，虽有较好的阻燃效果，但同样存在价格较贵的问题，作为售价较低的木塑复合材料的阻燃剂，生产成本同样也偏高。
再如，在申请号为200710173607.X的专利中，将聚磷酸铵、磷酸酯阻燃剂配成水溶液来浸渍植物纤维，然后将浸有阻燃剂的植物纤维与塑料、添加剂混合来制备阻燃型木塑复合材料。这里同样存在聚磷酸铵、磷酸酯价格较贵而使阻燃木塑复合材料生产成本偏高的问题；而且，由于聚磷酸铵、磷酸酯的水溶性较差，配制水溶液较难，而配成醇溶液又有使生产成本进一步上升的问题。
(三)发明内容
为了解决上述现有木塑复合材料阻燃技术中存在的问题，本发明提供了一种阻燃木塑复合材料及其制备方法，该阻燃方法具有阻燃成本低、阻燃效果好、安全无毒等优点。
本发明采用的技术方案是：
一种阻燃木塑复合材料，所述的阻燃木塑复合材料由如下重量份的组分组成：
植物纤维 35～60份
磷酸铵类阻燃剂 10～35份
塑料 20～28份
相容剂 2～10份
其中所述植物纤维、磷酸铵类阻燃剂、塑料、相容剂的总量为100份；
所述的植物纤维为30～100目的植物纤维粉末；
所述的植物纤维粉末为下列之一或两种以上的混合：木粉、竹粉、糠粉、秸秆粉或其它农林废弃物制成的粉末。
所述的磷酸铵类阻燃剂为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵或两者的混合物；
所述塑料为下列之一或两种以上的混合：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料或聚苯乙烯，优选为聚乙烯或聚丙烯；所述的塑料为常规用于制备木塑复合材料的热塑性塑料，可以用新料也可以用回收的废旧塑料，为了降低成本和有利于废旧塑料的回收，优选回收的废旧塑料。
所述的相容剂为下列之一或两种的混合：马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)、马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)。
更为优选的，所述的阻燃木塑复合材料由如下重量份的组分组成：
植物纤维 40～55份
磷酸铵类阻燃剂 15～30份
塑料 24～27份
相容剂 3～6份
所述植物纤维、磷酸铵类阻燃剂、塑料、相容剂的总量为100份。
本发明所述的阻燃木塑复合材料按以下方法制成：
先将配方量的磷酸铵类阻燃剂溶于水中，配成质量百分浓度10～40wt％的磷酸铵类阻燃剂的水溶液；再将配方量的植物纤维和磷酸铵类阻燃剂的水溶液加入高速混合机中混合均匀，取出静置1～5小时，然后在100～110℃温度下干燥3～10小时，至含水率小于2％，制得磷酸铵类阻燃剂与植物纤维的混合物；然后按配方量将所述磷酸铵类阻燃剂与植物纤维的混合物、塑料、相容剂加入高速混合机，混合均匀，制得预混料，将预混料置于流变仪中于155～185℃混合塑化5～10分钟，然后取出破碎，经硫化机于165～185℃热压成型，制得所述的阻燃木塑复合材料。
本发明的有益效果在于：
1、阻燃成本低
磷酸铵类阻燃剂价格十分低廉，因此，其最大的优点就是阻燃成本低。这一点非常重要，因为木塑复合材料产品主要用作木材的替代品，其本身的售价就相当低，如果阻燃剂成本一高，阻燃木塑复合材料就完全没有市场竞争力，由于目前各种阻燃方法制备的木塑复合材料成本均过高，实际上都难以实现产业化。本发明制备的阻燃木塑复合材料由于生产成本低，且产品无毒，因此，具有产业化的良好前景。
2、阻燃效果好
由于磷酸二氢铵或磷酸一氢铵具有酸源和气源的作用，植物纤维由于含多羟基结构而具有碳源作用，这就形成了膨胀型阻燃体系，具有良好的阻燃效果。例如，当磷酸二氢铵含量为21.5％时，制得的阻燃木塑复合材料的氧指数可达30.2，在燃烧时平均热释放速率比未阻燃的木塑复合材料降低了45.6％，产烟量降低了34.2％，一氧化碳产率降低了35.6％，其阻燃效果与价格较贵的高聚合度的聚磷酸铵相当，而且CO产率还远低于聚磷酸铵阻燃的木塑复合材料。
3、无毒
本发明的阻燃剂无毒，因此可以制得绿色环保型的阻燃木塑复合材料，因而大大拓宽了木塑复合材料的应用范围。
本发明解决了现有阻燃型木塑复合材料中采用含卤阻燃剂有毒且烟雾大、聚磷酸铵为阻燃剂成本高且燃烧后产生的CO浓度高的问题。本发明的产品具有阻燃、抑烟、产生的气体毒气浓度低等特点(详见实施例)。例如，用本发明方法制得的上例磷酸二氢铵含量为21.5％的木粉/高密度聚乙烯复合材料，在燃烧时不仅平均热释放速率降低了45.6％，而且产烟量降低了34.2％，一氧化碳产率降低了35.6％。
(四)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
将19g磷酸二氢铵溶入50g水中，配成磷酸二氢铵的水溶液；另将51g的60目的木粉加入高速混合机中，再将所配成的磷酸二氢铵的水溶液加入高速混合机中，混合均匀，取出静置5小时后，在105℃下干燥10小时，至含水率为1.5％，制得70g阻燃剂与植物纤维的混合物。然后将70g该混合物、25g高密度聚乙烯(HDPE)、5g马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)加入高速混合机中，混合均匀，制得预混料。再取预混料置于流变仪中于170℃混合塑化8分钟，然后取出破碎，经硫化机于165℃热压成型，制得所述的阻燃木塑复合材料，其极限氧指数为28.5。
实施例2：
将15g磷酸二氢铵和10g磷酸一氢铵溶入60g水中，配成磷酸二氢铵和磷酸一氢铵的水溶液；另将45g的60目竹粉加入高速混合机中，再将所配成的磷酸二氢铵和磷酸一氢铵的水溶液加入高速混合机中，混合均匀，取出静置5小时后，在105℃下干燥10小时，至含水率为1.5％，制得70g阻燃剂与植物纤维的混合物。然后将70g该混合物、25g聚丙烯(PP)、5g马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)加入高速混合机中，混合均匀，制得预混料。再取预混料置于流变仪中于175℃混合塑化8分钟，然后取出破碎，经硫化机于175℃热压成型，制得所述的阻燃木塑复合材料，其极限氧指数为32.2。
实施例3～6：
实施例3～6的制备过程与实施例1和2相同，所不同的是配方。实施例3～6的配方见表1。
表1实施例1～6与比较例的配方与氧指数
| 实施例 | 植物纤维/g | 磷酸二氢铵/g | 磷酸一氢铵/g | 水/g | APP/g | 塑料/g | 相容剂/g | 极限氧指数/％ |
| 实施例3 | 40 | 20 | 10 | 70 | 25 | 5 | 33.1 | |
| 实施例2 | 45 | 15 | 10 | 60 | 25 | 5 | 32.2 | |
| 实施例4 | 48.5 | 21.5 | 50 | 25 | 5 | 30.2 | ||
| 实施例1 | 51 | 19 | 50 | 25 | 5 | 28.5 | ||
| 实施例5 | 53.5 | 11.5 | 5 | 40 | 25 | 5 | 27.6 | |
| 实施例6 | 60 | 10 | 40 | 25 | 5 | 21.6 | ||
| 比较例1 | 70 | 0 | 25 | 5 | 21.1 | |||
| 比较例2 | 48.5 | 21.5 | 25 | 5 | 30.6 |
表1中实施例1、3、5、6和比较例1、2中的植物纤维为60目的木粉，塑料为废旧HDPE，相容剂为MAPE；实施例2、4的植物纤维为80目的竹粉，塑料为废旧PP，相容剂为MAPP；表1中的极限氧指数按GB/T 2406-1993测定。
表1中比较例1的制备方法为：先将木粉在110℃烘干8h，至含水量(质量分数)为1.5％。然后按实施例1同样的方法制备木塑复合材料；表1中比较例2的制备方法为：先将木粉在110℃烘干8h，至含水量(质量分数)为1.5％。然后按实施例2同样的方法制备木塑复合材料。
从表1所示实施例的氧指数可见，磷酸铵(磷酸二氢铵或其与磷酸一氢铵的混合物)总含量较低(如10％)时，阻燃效果较差，但当磷酸铵含量较高(如21.5％)时，木塑复合材料的阻燃性显著提高(氧指数达到30.2％)，与APP阻燃的木塑复合材料的氧指数相当，但APP价格昂贵，而磷酸铵价格低廉，因此本发明在生产成本上比APP阻燃具有明显的优势。
表2为实施例2与未阻燃木塑复合材料的锥形量热仪数据比较阻燃性能试验参照ISO5600标准，采用FTT Standard锥形量热仪进行测试。采用的热辐射流量为50kW/m2，所对应的温度为675℃。
表2阻燃前后木塑复合材料锥形量热仪数据比较
| 最大热释放速率/kw/m2 | 总释放热(700s计)/MJ/m2 | 总烟释放量(700s计)/m2·m-2 | 成炭率(700s计)/％ | |
| 实施例2 | 180.7 | 84.2 | 619.9 | 28.8 |
| 对比例1 | 310.3 | 117.8 | 940.3 | 20.7 |
由表2数据可见，本发明的阻燃木塑复合材料具有明显的阻燃抑烟效果，与未处理的木塑复合材料相比，能有效地减少木塑复合材料燃烧时的热释放量和烟释放量，有效地提高了阻燃效率。
本发明的阻燃成本显著低于现有的木塑复合材料阻燃方法，因此，从生产成本和经济效益考虑，本发明具有工业化的良好前景。
Claims (5)
1.一种阻燃木塑复合材料，其特征在于所述的阻燃木塑复合材料由如下重量份的组分按以下方法制成：
将配方量的磷酸铵类阻燃剂溶于水中，配成质量百分浓度10～40wt％的磷酸铵类阻燃剂的水溶液；再将配方量的植物纤维和磷酸铵类阻燃剂的水溶液加入高速混合机中混合均匀后，取出静置1～5小时，然后在100～110℃温度下干燥3～10小时，至含水率小于2％，制得磷酸铵类阻燃剂与植物纤维的混合物；然后按配方量将所述磷酸铵类阻燃剂与植物纤维的混合物、塑料、相容剂加入高速混合机，混合均匀，制得预混料，将预混料置于流变仪中于155～185℃混合塑化5～10分钟，然后取出破碎，经硫化机于165～185℃热压成型，制得所述的阻燃木塑复合材料；
所述各组分的重量份数配比为：
其中植物纤维、磷酸铵类阻燃剂、塑料、相容剂的组分总量为100份；
所述的植物纤维为30～100目的植物纤维粉末；
所述的磷酸铵类阻燃剂为磷酸一氢铵、磷酸二氢铵或两者的混合物；
所述塑料为下列之一或两种以上的混合：聚乙烯、聚丙烯、ABS塑料或聚苯乙烯；
所述的相容剂为下列之一或两种的混合：马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯。
2.如权利要求1所述的阻燃木塑复合材料，其特征在于所述的植物纤维粉末为下列之一或两种以上的混合：木粉、竹粉、糠粉或秸秆粉。
3.如权利要求1所述的阻燃木塑复合材料，其特征在于所述的塑料为聚乙烯或聚丙烯。
4.如权利要求1所述的阻燃木塑复合材料，其特征在于所述的阻燃木塑复合材料由如下重量份的组分组成：
其中植物纤维、磷酸铵类阻燃剂、塑料、相容剂的组分总量为100份。
5.如权利要求1所述的阻燃木塑复合材料，其特征在于所述的塑料为回收的废旧塑料。
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