CN102863691A - 聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法。该聚丙烯复合材料包括如下重量比的配方组分：聚丙烯50-60%；阻燃剂30-40%；增韧剂5-15%；抗氧剂0.1-0.5%；润滑剂0.1-0.5%。本发明聚丙烯复合材料以聚丙烯为主料，并通过与阻燃剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂发生协同作用，从而赋予了该聚丙烯复合材料同时具有优异的无卤阻燃、耐低温的性能。该聚丙烯复合材料的制备方法只需按配方将各组分混合并在适当的温度下挤出造粒即可得到产品，其工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯（PP）是五大通用塑料之一，密度0.90g/cm3，是现有树脂中第二轻的高分子材料（仅大于聚甲基戊烯，密度0.85g/cm3）。因其具有性能好、比重小、易于成型加工等特点，被广泛应用在汽车工业、家用电器、电子仪表工业、纺织工业等领域中。
然而，由于聚丙烯（PP）的极限氧指数很低，只有18，属于易燃材料，无法满足特定材料在防火领域的使用要求，致其在该领域使用时受到一定程度的限制，所以通常往聚丙烯（PP）中添加阻燃剂使其延迟或者防止燃烧。当前应用效果最好、应用量最大的是含卤素的阻燃剂。然而在火灾发生时，这类含卤阻燃剂会产生大量烟雾和有毒腐蚀性卤化氢气体，造成二次危害，对环境和人的造成了不可忽视的危害。2003年2月，欧盟颁布了RoHs和WEEE两个指令，即将在建材等行业实行新的阻燃分类方法和测试标准，中国也已报批建筑材料及制品燃烧性能等级的国家标准，即在评价材料阻燃性能上，强调了释热速率、火灾发展速率、生烟性及燃烧产物的腐蚀性和毒性等，这也是符合RoHS指令对有害物质的限制和禁止使用要求的，但传统的卤系阻燃材料将显得无能为力。随着人们环保意识的不断增加，也要求PP材料能达到环保无毒阻燃。
另外，聚丙烯（PP）的耐低温性能较差。因此，解决聚丙烯（PP）材料的无卤阻燃及耐低温性能成为对PP改性的主要克服的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种无卤阻燃、耐低温的聚丙烯复合材料。
本发明的另一目的是提供一种工艺简单，条件易控，生产成本低的聚丙烯复合材料的制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种聚丙烯复合材料，包括如下重量百分比的配方组分：
以及，一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照上述聚丙烯复合材料配方分别称取各组分；
将所述称取各组分进行混料处理，得到聚丙烯复合材料的混合物料；
将所述混合物料进行熔融挤出，造粒，得到所述聚丙烯复合材料。
本发明聚丙烯复合材料以聚丙烯（PP）为主料，并通过与阻燃剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂发生协同作用，从而赋予了该聚丙烯复合材料同时具有优异的无卤阻燃、耐低温的性能，有效克服了现有聚丙烯复合材料在阻燃、耐低温方面的不足，安全，环保。由此使得该聚丙烯复合材料可直接用于制备家用电器和电子仪表，避免了现有的聚丙烯复合材料中采用的含卤阻燃剂，降低了聚丙烯复合材料的生产成本。
本发明聚丙烯复合材料的制备方法只需按配方将各组分混合并在适当的温度下挤出造粒即可得到产品，在挤出过程中，聚丙烯（PP）通过与阻燃剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂发生协同作用，赋予了该聚丙烯复合材料具有优异的无卤阻燃、耐低温的性能，并且制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例聚丙烯复合材料制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种同时具有无卤阻燃、耐低温的聚丙烯复合材料，其包括如下重量百分比的配方组分：
优选地，上述聚丙烯为均聚PP。具体地，该均聚PP的熔融指数是2.0～20.0g/10min。将该均聚PP作为上述聚丙烯复合材料的优选，具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性和抗溶解性，但同时存在韧性差、尺寸稳定性差和易老化的缺点。当然，聚丙烯还可以采用本领域其他的PP，但是，采用其他的PP材料与该聚丙烯为均聚PP相比，得到的聚丙烯复合材料的强度相对弱些。
优选地，上述阻燃剂为无卤阻燃剂。具体地，所述无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂，主要是通过磷-氮协同效应作用达到阻燃目的，具有磷-氮的双重效应，阻燃效果比较好。更具体地，所述P-N膨胀型阻燃剂包括三部分:炭化剂(炭源),炭化催化剂(酸源)和膨胀剂(气源)。体系在受热时,炭化剂在炭化催化剂作用下脱水成炭,与此同时,在膨胀剂分解产生的气体作用下将炭层吹起而形成蓬松的有微孔结构的炭层。添加了P-N膨胀型阻燃剂的聚丙烯PP在燃烧时，其表面会形成一层均匀的膨胀炭层,此炭层具有较好的隔热,隔氧,抑烟,防熔滴等功能,从而起到较好的阻燃作用。采用该优选的P-N膨胀型阻燃剂，因而使聚丙烯PP具有无卤阻燃的特性。
优选地，上述增韧剂为POE（聚烯烃弹性体，是采用茂金属合成的乙烯-辛烯共聚物）、EPDM(三元乙丙橡胶)、UHMWPE(超高分子量聚乙烯)的一种或多种。发明人在研究中发现，随着POE含量的增加，聚丙烯PP的冲击强度有很大提高，可见，POE对PP有优良的增韧作用。该优选的EPDM除了具有增韧作用之外，还具有优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力。该优选的UHMWPE具有优异的耐低温性和超高拉伸强度。该优选的POE、EPDM、UHMWPE在熔融挤出工艺中与上述PP分子发生反应，对PP进行改性，以进一步提高该聚丙烯材料的韧性和耐低温性。
优选地，上述抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物。具体地，所述亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为1～3:1，更优选为2:1。所述受阻酚类抗氧剂作为主抗氧剂，通过消除聚丙烯PP的自由基，抗热氧化效果显著，不会污染PP；亚磷酸酯类抗氧剂作为辅抗氧剂，能分解氢过氧化物。该抗氧剂复配物有效提高本实施例聚丙烯复合材料的抗氧化性能，保持优良性能，延长使用寿命。
优选地，上述润滑剂为硬脂酸盐类润滑剂。具体地，该硬脂酸盐类润滑剂为硬脂酸锌和硬脂酸钙的一种或两种。该润滑剂的作用是减少聚丙烯PP的内摩擦，增加其熔融速率和熔体变形性，降低熔体黏度及改善塑化性能。
由上所述，上述实施例聚丙烯复合材料以聚丙烯为主料，通过与阻燃剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂在混合挤出过程中，各组分熔融，且分子能够均匀分散掺杂、重新结晶，成型本实施例聚丙烯复合材料，并赋予了该聚丙烯复合材料同时具有无卤阻燃、耐低温、耐老化的性能，其强度相关性能请参见下文表1中数据。其中，阻燃剂能使聚丙烯复合材料的点燃时间增长，点燃自熄，从而延迟或防止燃烧；增韧剂通过降低聚丙烯复合材料脆性和提高其抗冲击性能，增强耐受低温对聚丙烯复合材料的脆化；抗氧剂能够抑制或者延缓聚丙烯复合物在空气中热氧化，从而保持高其优良性能，延长使用寿命。因此，该实施例聚丙烯复合材料有效克服了现有聚丙烯材料阻燃、耐低温性差、易老化的不足，由此使得该聚丙烯复合材料可用于制备家用电器和电子仪表。
本发明实施例还提供了上述聚丙烯复合材料的制备方法，其工艺流程如图1所示，该方法包括如下步骤：
S01.称取配方组分：按照上述聚丙烯复合材料的配方称取各组分；
S02.制备混合物料：将步骤S01中称取各组分进行混料处理；
S03.熔融挤出：将步骤S02中的混合物料进行熔融挤出，造粒，得到所述聚丙烯复合材料。
具体地，上述步骤S01中，聚丙烯复合材料的配方以及配方中的各组分优选含量和种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。
上述步骤S02中，各组分在高速混合机中进行混料处理，时间是3～5分钟。
上述步骤S03中，混合物料进行熔融挤出采用平行双螺杆挤出机挤出，所述挤出处理步骤的条件为：一区温度160～170℃，二区温度170～180℃，三区温度170～180℃，四区温度165～175℃，螺杆转速350～400r/min,喂料频率20～25Hz，熔体压力3.0～4.0Mpa，真空度0.03～0.06Mpa。
上述实施例聚丙烯复合材料的制备方法只需按配方将各组分混合并在适当的温度和时间下挤出造粒即可得到产品，在挤出过程中，聚丙烯通过与阻燃剂、增韧剂、抗氧剂、润滑剂发生协同作用，赋予了该聚丙烯复合材料同时具有优异的无卤阻燃，耐低温和耐老化性能。具有制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。
现以具体聚丙烯复合材料的配方和制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为POE；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S11：称取PP树脂60%、无卤阻燃剂34%、增韧剂(POE)5%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S12：将步骤S11中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；
S13：将步骤S12中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区160℃、二区170℃、三区170℃、四区165℃，螺杆转速350r/min,喂料频率25Hz，熔体压力3MPa，真空度-0.04MPa。
实施例2
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为POE；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S21：称取PP树脂54%、无卤阻燃剂35%、增韧剂(POE)10%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S22：将步骤S21中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；
S23：将步骤S22中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区170℃、二区180℃、三区180℃、四区175℃，螺杆转速400r/min,喂料频率25Hz，熔体压力4MPa，真空度-0.05MPa。
实施例3
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为EPDM；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S31：称取PP树脂60%、无卤阻燃剂34%、增韧剂(EPDM)5%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S32：将步骤S31中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；S33：将步骤S32中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区160℃、二区170℃、三区170℃、四区165℃，螺杆转速350r/min,喂料频率20Hz，熔体压力3MPa，真空度-0.04MPa。
实施例4
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为EPDM；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S41：称取PP树脂54%、无卤阻燃剂35%、增韧剂(EPDM)10%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S42：将步骤S41中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；S43：将步骤S42中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区170℃、二区180℃、三区180℃、四区175℃，螺杆转速400r/min,喂料频率25Hz，熔体压力4MPa，真空度-0.05MPa。
实施例5
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为UHMWPE；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S51：称取PP树脂60%、无卤阻燃剂34%、增韧剂(EPDM)5%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S52：将步骤S51中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；
S53：将步骤S52中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区160℃、二区170℃、三区170℃、四区165℃，螺杆转速350r/min,喂料频率20Hz，熔体压力3MPa，真空度-0.04MPa。
实施例6
本实施例聚丙烯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1。
其中，阻燃剂为无卤阻燃剂，该无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂；增韧剂为UHMWPE；抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，该亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的重量比为2:1；润滑剂为硬脂酸钙。
该丙烯复合材料的制备方法如下：
S61：称取PP树脂54%、无卤阻燃剂35%、增韧剂(EPDM)10%、抗氧剂0.3%、润滑剂0.7%；
S62：将步骤S61中称取各组分在高速混合机中混合4分钟，高速混合机转速为800转/分；S63：将步骤S62中的混合物料置于平行双螺杆挤出机中进行熔融挤出，造粒，其挤出工艺为：一区170℃、二区180℃、三区180℃、四区175℃，螺杆转速400r/min,喂料频率25Hz，熔体压力4MPa，真空度-0.05MPa。
对比例
称取PP树脂V30G 100%。
性能测试：
将按上述实施例1至实施例6的方法完成造粒的粒子材料以及对比例1、2中的对比材料事先在80-90℃的烘箱下干燥2小时，然后将干燥好的粒子材料在注塑成型机上注塑出标准测试样条。
将上述实施例1至实施例6以及对比例1、2分别按照如下标准进行性能测试：
拉伸强度：按ASTM D-638标准进行检验。试样类型为I型，样条尺寸（mm）：（176±2）（长）×（12.6±0.2）（端部宽度）×(3.05±0.2)（厚度），拉伸速度为50mm/min；
弯曲强度和弯曲模量：按ASTM D-790标准进行检验。试样类型为试样尺寸（mm）：（128±2）×（12.67±0.2）×(3.11±0.2)，弯曲速度为20mm/min；
悬臂梁缺口冲击强度：按ASTM D-256标准进行检验。试样类型为I型，试样尺寸（mm）：（63±2）×（12.45±0.2）×(3.1±0.2)；缺口类型为A类，缺口剩余厚度为1.9mm；
阻燃性测试：按UL-94标准进行检验，试样尺寸为（128±2）×（12.67±0.2）×(3.11±0.2)（1/8in）和（128±2）×（12.67±0.2）×(1.62±0.2)（1/16in）；
上述将上述实施例1至实施例6所制备的聚丙烯复合材料以及对比例1、2聚丙烯材料的相关性能测试结果分别如表1：
表1
由表1中测试数据可知，本发明实施例聚丙烯复合材料的耐低温性（IZOD缺口冲击强度-40℃）随着增韧剂的增加而明显增强；从耐低温的性能考虑，当阻燃剂含量为35%、增韧剂含量为10%、抗氧剂含量为0.3%、润滑剂为0.7%时，材料性能最佳。由于选用无卤阻燃剂，聚丙烯复合材料在燃烧的过程中不会产生毒腐蚀性卤化氢气体，从而起到无卤阻燃的效果。另外，通过抗氧剂、润滑剂等组分对聚丙烯的改性，使得聚丙烯复合材料还同时具备优良的耐候性能，延长了其使用寿命，整体性能优异，适合制备家用电器和电子仪表。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚丙烯复合材料，包括如下重量百分比的配方组分：
2.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯为均聚PP。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述阻燃剂为无卤阻燃剂，所述无卤阻燃剂为P-N膨胀型阻燃剂。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述增韧剂为PE、POE、EPDM、SEBS、UHMWPE的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂和受阻酚类抗氧剂的复配物，所述亚磷酸酯类抗氧剂与受阻酚类抗氧剂的重量比为1～3:1。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酸盐类润滑剂。
7.根据权利要求6所述的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述硬脂酸盐类润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙的一种或两种复配。
8.一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照权利要求1~7所述聚丙烯复合材料配方分别称取各组分；
将所述称取各组分进行混料处理，得到聚丙烯复合材料的混合物料；
将所述混合物料进行熔融挤出，造粒，得到所述聚丙烯复合材料。
9.根据权利要求8所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述混料处理的时间是3~5分钟。
10.根据权利要求8所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述熔融挤出处理步骤条件为：
一区温度160~170℃，二区温度170~180℃，三区温度170~180℃，四区温度165~175℃，螺杆转速350~400r/min,喂料频率20~25Hz，熔体压力3.0~4.0Mpa，真空度0.03~0.06Mpa。
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