CN102911435A - 一种阻燃型聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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刘石
李锦春
邹国享
宋艳
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本发明提供了一种阻燃型聚丙烯复合材料及其制备方法，由于向材料中添加阻燃剂时，聚丙烯复合材料的力学性能会受到较大影响，因此需要在阻燃配方中加入一些协效剂。现有技术中添加协效剂时，为避免协效剂在聚合物基体中的分散不良，需要事先使用表面活性剂，对协效剂进行预处理，过程繁琐，成本高，而本发明采用埃洛石作为协效剂，而不需要对埃洛石进行预处理，操作简便，节约了成本，有效地保证了材料的使用性能。

Description

一种阻燃型聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法，特别是一种阻燃型聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯（PP）是全球产量最大的树脂之一，它们被广泛用于包装、纺织品、建材、汽车、电子及日用品等很多行业。当PP应用于室内建材、汽车内饰材料、电子电器材料时，需要进行阻燃改性。
目前工业上所用的阻燃剂分为无卤和有卤阻燃剂。膨胀型阻燃剂是无卤阻燃剂中最有发展前途的一种。在PP中添加膨胀型阻燃剂可以降低PP热裂或燃烧时生成的烟和腐蚀性气体及有毒产物量，对环境友好。单纯使用此类阻燃剂，由于其添加量较大，复合材料的力学性能会受到较大影响，因此可以在阻燃配方中加入一些协效剂以提高阻燃效率，降低阻燃剂用量。一般协效剂添加份量都比主阻燃剂要少得多，因此，协效剂本身对提高阻燃性能和力学性能的贡献并不大，但是在整个阻燃配伍体系中，起到协调物理性能，提高阻燃效果的配合作用。
少量天然粘土加入到膨胀型阻燃体系中可以提高膨胀炭层的耐热性和致密程度，提高阻燃效果，因此是一种良好的协效剂。同时，如果粘土在聚合物基体中可形成纳米级分散，还可以有效提高聚合物的力学性能。具有天然纳米结构的粘土包括蒙脱土、凹凸棒土是研究最广泛的品种。章驰天在文献《凹凸棒土/IFR阻燃PP复合材料的制备与性能研究》（南京航空航天大学硕士学位论文，2010）中，报道了采用凹凸棒土与膨胀型阻燃剂协同作用可以更为有效地阻燃聚丙烯，同时保证复合材料的力学性能。关于蒙脱土协同阻燃的研究报道也已经很丰富（Kiliaris P,Papaspyrides CD.Polymer/layered silicate(clay)nanocomposites:An overviewof flame retardancy.Prog Polym Sci.2010,35(7):902-958）。但凹凸棒土和蒙脱土有一个共同的问题，就是纳米棒或片层间等结构单元间以强离子键结合，在应用时需要克服离子键作用才能促进其在聚合物基体中的分散，如蒙脱土在使用前需要使用季铵盐等阳离子表面活性剂进行插层处理，过程繁琐，成本高。
发明内容：
本发明所要解决的问题是：现有技术中，在阻燃型材料中添加协效剂时，为避免协效剂在聚合物基体中的分散不良，需要事先使用表面活性剂，对协效剂进行预处理，过程繁琐，成本高。
为解决这一问题，本发明提供的技术方案是：
本发明提供了一种阻燃型聚丙烯复合材料，包括以下组分，各组分质量含量为：
聚丙烯100份
膨胀型阻燃剂20～30份
埃洛石1～7份
相容剂5～10份
其中，埃洛石为协效剂，
埃洛石纳米材料在聚合物中易分散，而不需要对埃洛石进行预处理，埃洛石纳米材料的添加量较少，其本身对提高阻燃性能和力学性能的贡献并不大，但是埃洛石纳米管在整个阻燃配伍体系中，起到协调物理性能和阻燃效果的配合作用，保证了材料的使用性能，
作为优选：聚丙烯为均聚或共聚聚丙烯，熔融指数为1.5～10g/10min；
作为优选：膨胀型阻燃剂含酸源、气源和碳源，以成炭、膨胀机理起到阻燃作用；
作为优选：埃洛石为未经处理的天然埃洛石粉，粒度为325～500目；
本发明中使用的埃洛石，也被称为埃洛石纳米管（HNTs），是一类硅铝酸盐，化学式可表示为Al2Si2O5·nH2O，多为多壁管状结构，管外径约为10~50nm，内径约为5~20nm，长度约为2~40μm，具有短纤维的增强作用。HNTs含有两种羟基，一种是位于外表面的硅羟基，一种是位于内表面的铝羟基。作为纳米填料，埃洛石相对于凹凸棒土等硅酸盐的最大优点是其易于在基体树脂中分散，这是由于凹凸棒土结构单元之间是以离子键等主价键结合，而HNTs的结构单元之间是以氢键和范德华力等次价键结合。另外，埃洛石的中空管内外的活性基团可以捕捉聚合物燃烧过程中产生的自由基，延缓聚合物的燃烧。
作为优选：相容剂为接枝率为0.5~1%的聚丙烯接枝马来酸酐。
本发明还提供了上述阻燃型聚丙烯复合材料的制备方法，
一种方法为：使用密炼机为生产设备，按各组分质量比，将物料均匀混合，在密炼机中熔融共混后，得到阻燃聚丙烯复合材料，
作为优选：设定密炼机温度为180℃~200℃，转速为50~200r/min，熔融共混时间为5~10分钟，
另一种方法为：使用双螺杆挤出机为生产设备，挤出产品，
作为优选：双螺杆挤出机为平行同向双螺杆挤出机，
作为优选：设定一区温度为170~180℃，二区温度为180~200℃，三区温度为190~210℃，四区温度为190~200℃，螺杆转速为200~300r/min，喂料频率为18~25Hz。
本发明的有益效果是：
（1）利用天然的廉价埃洛石为协效剂，可以降低主阻燃剂用量，降低成本；埃洛石纳米管在整个阻燃配伍体系中，起到协调物理性能和阻燃效果的配合作用，保证了材料的使用性能。
（2）结构单元间以氢键和范德华力等次价键结合的管状埃洛石，作为填料使用时，不经过表面处理就可以实现埃洛石在聚丙烯基体中的纳米级分散，克服了现有纳米填料不易分散和表面处理复杂的缺点，使得膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯材料的拉伸和冲击性能有明显提高。
附图说明
图1HNTs/PP复合材料断面SEM照片
图2埃洛石TEM照片
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
以下实施例所采用的聚丙烯为镇海炼化的T30S，熔融指数3.8g/10min，聚丙烯接枝马来酸酐为上海日之升的CMG9801，接枝率为1%，膨胀型阻燃剂为普塞呋（清远）磷化学有限公司所产的EPFR-100D，埃洛石为湖南省汨罗市湘莹矿业有限公司的粉末，粒度为325目，所用的密炼机为哈克Rheomix密炼机，所使用的双螺杆挤出机为南京广达橡塑机械厂的SHJ-35同向平行双螺杆挤出机，长径比40/1。
实施例1-5：
按照表1的配方将各组分混合均匀后投入密炼机中，在190℃下，以100转/分，熔融共混10分钟，得到阻燃聚丙烯材料。如图1、2所示，扫描和透射电镜分析表示，埃洛石在所得阻燃聚丙烯材料中达到了纳米级分散。性能测试结果见表2。
实施例6：
按照表1的配方将各组分混合均匀后，将混合物料加入平行同向双螺杆挤出机中，共混挤出造粒得到阻燃聚丙烯材料，其挤出工艺为一区180℃，二区190℃，三区200℃，四区195℃，螺杆转速260r/min，喂料频率20Hz。扫描和透射电镜分析表示，埃洛石在所得阻燃聚丙烯材料中达到了纳米级分散。所得测试结果见表2所示。
实施例7：
采用粒度为150目的埃洛石作为协效剂阻燃聚丙烯。
按照表1的配方将各组分混合均匀后，在密炼机中于190℃，100转/分，熔融共混10分钟后出料，得到阻燃聚丙烯材料。所得材料的性能测试结果见表2所示。
对比例1：
仅采用膨胀型阻燃剂制备阻燃聚丙烯材料。
按照表1的配方将各组分混合均匀后，在密炼机中于190℃，100转/分，熔融共混10分钟后出料，得到阻燃聚丙烯材料。所得材料的性能测试结果见表2所示。
对比例2：
仅采用埃洛石制备阻燃聚丙烯材料。
按照表1的配方将各组分混合均匀后，在密炼机中于190℃，100转/分，熔融共混10分钟后出料，得到阻燃聚丙烯材料。所得材料的性能测试结果见表2所示。
对比例3：
采用预处理过的凹凸棒土，作为填料协效剂的膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯。
按照表1的配方将各组分混合均匀后，在密炼机中于190℃，100转/分，熔融共混10分钟后出料，得到阻燃复合材料。所得材料的性能测试结果见表2所示。
对比例4：
采用预处理过的蒙脱土，作为填料协效剂的膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯。
按照表1的配方将各组分混合均匀后，在密炼机中于190℃，100转/分，熔融共混10分钟后出料，得到阻燃复合材料。所得材料的性能测试结果见表2所示。
从表2中的数据可以看出，阻燃剂和协效剂总用量为30份不变，随着埃洛石含量的提高，阻燃复合材料的氧指数和拉伸强度均先增大后减小，当埃洛石含量为3份时，氧指数最大为39%，即阻燃效果最好，力学性能最佳，拉伸强度为32.26MPa，冲击强度为32.22J/m。相对于仅使用膨胀型阻燃剂的阻燃聚丙烯材料，氧指数和力学性能都有明显提高。当相容剂聚丙烯接枝马来酸酐含量为5份时，无机填料与聚合物的相容性较差，力学性能有所下降。通过同样的配方，不同加工方法的实施例2和实施例6对比可见，采用双螺杆挤出机得到的阻燃材料的力学性能更好。当采用较大粒径的HNTs时，实施例7所示，HNTs难以达到纳米级分散，复合材料的性能有一定幅度的下降。由对比例3、4可以看出，当复合材料以凹凸棒土和蒙脱土作为阻燃协效剂时，阻燃性能接近，力学性能比HNTs作为协效剂时略差，这说明，使用埃洛石为协效剂时，不但降低成本，节省了步骤，而且也能起到使用蒙脱土、凹凸棒土时，同样的甚至更好的效果。
表1阻燃聚丙烯材料配方
Figure BDA00002347172600051
表2阻燃聚丙烯材料性能
Figure BDA00002347172600052
注：纯PP力学性能测试结果为拉伸强度36.46MPa，冲击强度43.45J/m。

Claims (9)

1.一种阻燃型聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的复合材料包括以下组分，各组分质量含量为：
聚丙烯100份
膨胀型阻燃剂20～30份
埃洛石1～7份
相容剂5～10份
其中，埃洛石为协效剂。
2.如权利要求1所述的阻燃型聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚或共聚聚丙烯，熔融指数为1.5～10g/10min。
3.如权利要求1所述的阻燃型聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的膨胀型阻燃剂含酸源、气源和碳源，以成炭、膨胀机理起到阻燃作用。
4.如权利要求1所述的阻燃型聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的埃洛石为未经处理的天然埃洛石粉，粒度为325～500目。
5.如权利要求1所述的阻燃型聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的相容剂为接枝率为0.5~1%的聚丙烯接枝马来酸酐。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的阻燃型聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于使用密炼机为生产设备，按各组分质量比，将物料均匀混合，在密炼机中熔融共混后，得到阻燃聚丙烯复合材料。
7.如权利要求6所述的阻燃型聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：设定密炼机温度为180℃~200℃，转速为50~200r/min，熔融共混时间为5~10分钟。
8.如权利要求7所述的阻燃型聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于使用双螺杆挤出机为生产设备，挤出产品。
9.如权利要求8所述的阻燃型聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的双螺杆挤出机为平行同向双螺杆，设定一区温度为170~180℃，二区温度为180~200℃，三区温度为190~210℃，四区温度为190~200℃，螺杆转速为200~300r/min，喂料频率为18~25Hz。
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