CN103102635A - 一种高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料及其制备方法,该不饱和聚酯模塑料由以下重量份数的组份制成:不饱和聚酯树脂60-70份,低收缩添加剂30-40份,无机填料100-120,金属次磷酸盐25-40份,聚磷酸盐10-25份,层状化合物2-8份,增强纤维50-60份,引发剂0.5-2份,增稠剂0.5-1.5份,内脱模剂3-6份。本发明解决了目前制备阻燃不饱和聚酯模塑料采用的卤系阻燃剂毒性大、铝镁等无机阻燃剂效率低并且高添加量下对制备工艺和制品性能影响大的问题,得到了高效阻燃,安全无毒,同时机械性能优异的不饱和聚酯模塑料,可以广泛应用在轨道交通领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子材料改性领域,具体涉及到一种高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料及其制备方法。
背景技术
不饱和聚酯树脂模塑料是以不饱和聚酯为基体,加入增强纤维材料、无机粉体填充材料以及其它助剂(如交联剂、热固性树脂低收缩添加剂、引发剂、脱模剂等)组成的多元增强复合材料,因其具有良好的电气、机械性能,耐热、耐化学腐蚀性能以及优良的加工性能,广泛应用于汽车配件、电子电器、轨道交通等领域。只是不饱和聚酯属于热分解的物质,现在很多场合除了要求材料轻质高强,还特别强调其安全性,如电子电器的绝缘、大型轨道交通的内装材料等,因此开发阻燃的不饱和聚酯模塑料已成为热固性树脂研究的重大课题。
为解决不饱和聚酯模塑料的易燃问题,目前工业上主要采用在不饱和聚酯基体中添加阻燃剂,常用的添加型阻燃剂有三氧化二锑、磷酸酯、氢氧化镁和氢氧化铝等,可以单独或复配使用。三氧化二锑通常是卤素阻燃剂必不可少的协同剂,但产品价格高、发烟量大,应用受到限制。磷酸酯作为阻燃剂,添加量要在25%以上才具有一定的阻燃性,由于磷酸酯同时是一种增塑剂,大量添加会造成材料的机械强度下降。铝镁等无机阻燃剂具有填料和抑烟阻燃多重功能,是目前制备阻燃不饱和聚酯模塑料的必不可少的组分之一。
目前不燃不饱和聚酯模塑料主要是利用粗细级配原理,通过大量添加级配过的氢氧化铝来达到不燃级别。中国专利200910079348.3提供了一种高阻燃低烟毒片状模塑料及其制备方法,采用微米级氢氧化铝和纳米级氢氧化铝阻燃填料混合使用,提高阻燃性能,降低烟毒性。中国专利200810025535.9采用磷酸酯作为主阻燃剂,不同粒径氢氧化铝的无机填料复配阻燃制备了高阻燃片状模塑料。中国专利200810124671.3采用碳酸钙或氢氧化镁作为填料,磷酸盐(如聚磷酸铵、三聚氰胺磷酸盐)作为阻燃剂制备无卤阻燃的不饱和聚酯模塑料。虽然铝镁等无机阻燃剂具有填料和抑烟阻燃多重功能,但阻燃效率较低,高添加量下造成体系黏度急剧增加,使得模塑料制备工艺中纤维的浸润困难,并且制品表面质量降低。
近年来,金属次磷酸盐由于阻燃效率高及无环境污染问题,得到了国内外阻燃界的广泛关注,通常与有机磷酯类或含氮类阻燃剂复配使用。美国专利US19850772662将次磷酸金属盐作为无卤素阻燃剂添加到苯乙烯聚合物。中国专利200480043753.5、201010259322.X、201110049726.0均报导了以金属次磷酸盐为主要阻燃剂对玻纤增强饱和聚酯进行阻燃处理的技术,阻燃效率几乎可以和含卤阻燃剂相媲美。目前尚未见金属次磷酸盐作为阻燃剂应用到不饱和聚酯树脂及其模塑料中的报导。
发明内容
本发明为解决目前制备阻燃不饱和聚酯模塑料采用的卤系阻燃剂毒性大、铝镁等无机阻燃剂效率低并且高添加量下对制备工艺和制品性能影响大的问题,采用金属次磷酸盐、聚磷酸盐、层状化合物进行复配阻燃,通过优化三者比例,达到制备出高效阻燃,安全无毒,同时机械性能优异的不饱和聚酯模塑料,可以广泛应用在轨道交通领域。
本发明提供了一种高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料及其制备方法,制备得到阻燃效率高,安全无毒,同时机械性能优异的不饱和聚酯模塑料。
本发明的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,由以下重量份的组分制成:
不饱和聚酯树脂 60-70份
低收缩添加剂 30-40份
无机填料 100-120份
金属次磷酸盐 25-40份
聚磷酸盐 10-25份
层状化合物 2-8份
增强纤维 50-60份
引发剂 0.5-2.0份
增稠剂 0.5-1.5份
内脱模剂 3-6份
所述的不饱和聚酯树脂选自间苯型不饱和聚酯树脂、邻苯型不饱和聚酯树脂或乙烯基不饱和聚酯树脂,其树脂固含量为60-65wt%,其余为苯乙烯。
所述的低收缩添加剂选自聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PSt)中的一种。
所述的无机填料选自碳酸钙、滑石粉、云母粉和硅灰石中的一种或两种。
所述的阻燃剂由金属次磷酸盐、聚磷酸盐与层状化合物复配组成。
所述的金属次磷酸盐选自次磷酸铝、次磷酸镁、次磷酸钙、次磷酸铈、次磷酸镧或次磷酸锌中的一种或两种。
所述的聚磷酸盐选自聚磷酸铵和三聚氰胺聚磷酸盐的一种或两种。
所述的层状化合物选自有机改性的蒙脱土(其制备过程参考申请号为201110177407的中国专利中的制备方法),其中,蒙脱土与阳离子型有机改性剂的质量比为1:1-3;所述的蒙脱土选自钠基蒙脱土、铁基蒙脱土和镍基蒙脱土中的一种或两种;所述的阳离子有机改性剂选自十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种。
所述的引发剂选自过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二苯甲酰、过氧化环己酮和过氧化甲乙酮中的一种或两种。
所述的增稠剂选自氧化镁。
所述的内脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙和硬脂酸镁中的一种或两种。
所述的玻璃纤维选自短切无碱玻璃纤维,长度优选5-15mm。
一种高效无卤阻燃不饱和聚酯片状模塑料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)按照配方将不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、引发剂、脱模剂依次加入搅拌釜中,500-800r/min快速搅拌10-15min后至混合均匀;再加入金属次磷酸盐、聚磷酸盐、层状化合物、无机填料,1000-1200r/min高速搅拌15~20min;最后加入增稠剂高速搅拌5-10min,制得各组分均匀分散的树脂糊;
(2)将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入增强纤维,捏合5-8min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠24-32h,当体系黏度达到模压黏度(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料。该不饱和聚酯模塑料于130-160℃平板硫化机3-15Mpa模压下固化5-20min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果如下:
本发明采用金属次磷酸盐、含氮磷的聚磷酸盐、层状化合物的复配阻燃剂,在燃烧过程中,金属次磷酸盐可与聚酯类基体反应而生成高强度的三维网络碳层结构,极大的抑制酯类物质的释放,能够起到良好阻燃效果。与有机磷酯类或含氮类阻燃剂复配使用后,能够较大提高其阻燃效率。层状化合物的加入,可以在复合材料中形成微反应器,能够进一步降低可燃物的释放,另外还能够弥补因阻燃剂的引入而造成的力学损伤。因此,本发明在较低阻燃剂添加量的情况下即可获得良好的耐火性能,具有安全无毒、机械性能好的特点。该不饱和聚酯模塑料制品的密度介于1.7-1.8g/cm3之间,固化收缩率不大于0.07%,拉伸强度不小于120MPa,弯曲强度不小于208MPa,弯曲模量不小于9000MPa,冲击强度不小于82kJ/m2,其热变形温度不小于230℃, 热释放速率峰值不超过95kW/m2,极限氧指数不小于75,燃烧级别满足UL-94 V-0 (厚度为0.8mm)测试。该不饱和聚酯模塑料可以广泛应用于轨道交通领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应该理解,这些实施例仅用于说明本发明,而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
本发明中极限氧指数测试根据国际标准ASTM D2863进行,垂直燃烧测试根据国际标准ASTM D2863进行,拉伸强度测试根据国际标准ASTM D638进行,冲击强度测试根据国际标准ASTM D6110进行,弯曲强度与弯曲模量测试根据国际标准 ASTM D790M进行,热变形温度测试根据国际标准ASTM D648进行。如无特别说明,实施例中所述份数均为重量份。
实施例1
将65份邻苯型不饱和聚酯树脂、35份聚苯乙烯、1份过氧化苯甲酸叔丁酯、4份硬脂酸钙依次加入搅拌釜中,快速(600r/min)搅拌12min后至混合均匀;再加入30份金属次磷酸铝、20份聚磷酸铵、4份有机改性的钠基蒙脱土、110份碳酸钙,高速(1100r/min)搅拌18min;最后加入1份氧化镁强力搅拌8min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入55份长度为10mm的玻璃纤维,捏合6min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠28h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于145℃平板硫化机8Mpa模压下固化10min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本实施例中,有机改性的钠基蒙脱土是钠基蒙脱土与十二烷基三甲基溴化铵按质量比为1:2的比例制备的。
实施例2
将65份邻苯型不饱和聚酯树脂、35份聚苯乙烯、0.8份过氧化二苯甲酰、5份硬脂酸钙依次加入搅拌釜中,快速(600r/min)搅拌12min后至混合均匀;再加入30份金属次磷酸镁、15份聚磷酸铵、6份有机改性的铁基蒙脱土、115份碳酸钙,高速(1100r/min)搅拌18min;最后加入0.8份氧化镁强力搅拌10min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入50份长度为12mm的玻璃纤维,捏合6min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠30h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于140℃平板硫化机12Mpa模压下固化15min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本实施例中,有机改性的铁基蒙脱土是铁基蒙脱土与十二烷基三甲基溴化铵按质量比为1:1的比例制备的。
实施例3
将65份间苯型不饱和聚酯树脂、35份聚醋酸乙烯酯、1.5份过氧化环己酮、4份硬脂酸镁依次加入搅拌釜中,快速(700r/min)搅拌12min后至混合均匀;再加入35份金属次磷酸钙、15份三聚氰胺聚磷酸盐、2份有机改性的镍基蒙脱土、105份滑石粉,高速(1200r/min)搅拌15min;最后加入0.8份氧化镁强力搅拌10min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入60份长度为10mm的玻璃纤维,捏合8min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠26h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于150℃平板硫化机5Mpa模压下固化8min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本实施例中,有机改性的镍基蒙脱土是镍基蒙脱土与十二烷基三甲基溴化铵按质量比为1:2的比例制备的。
实施例4
将60份乙烯基不饱和聚酯树脂、40份聚甲基丙烯酸甲酯、0.5份过氧化甲乙酮、3份硬脂酸镁依次加入搅拌釜中,快速(500r/min)搅拌10min后至混合均匀;再加入25份金属次磷酸镧、25份三聚氰胺聚磷酸盐、8份有机改性的钠基蒙脱土、100份滑石粉,高速(1000r/min)搅拌15min;最后加入1.5份氧化镁强力搅拌5min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入50份长度为15mm的玻璃纤维,捏合5min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠32h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于130℃平板硫化机15Mpa模压下固化20min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本实施例中,有机改性的钠基蒙脱土是钠基蒙脱土与十二烷基二甲基苄基氯化铵按质量比为1:3的比例制备的。
实施例5
将70份间苯型不饱和聚酯树脂、30份聚甲基丙烯酸甲酯、2份过氧化苯甲酸叔丁酯、6份硬脂酸锌依次加入搅拌釜中,快速(800r/min)搅拌15min后至混合均匀;再加入40份金属次磷酸铈、10份聚磷酸铵、2份有机改性的铁基蒙脱土、120份云母粉,高速(1000r/min)搅拌20min;最后加入0.5份氧化镁强力搅拌10min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入60份长度为5mm的玻璃纤维,捏合8min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠24,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于160℃平板硫化机3Mpa模压下固化20min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本实施例中,有机改性的铁基蒙脱土是铁基蒙脱土与十二烷基三甲基氯化铵按质量比为1:2的比例制备的。
对比例1A
将65份邻苯型不饱和聚酯树脂、35份聚苯乙烯、1份过氧化苯甲酸叔丁酯、4份硬脂酸钙依次加入搅拌釜中,快速(600r/min)搅拌12min后至混合均匀;再加入30份金属次磷酸铝、110份碳酸钙,高速(1100r/min)搅拌18min;最后加入1份氧化镁强力搅拌8min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入55份长度为10mm的玻璃纤维,捏合6min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠28h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于145℃平板硫化机8Mpa模压下固化10min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
对比例1B
将65份邻苯型不饱和聚酯树脂、35份聚苯乙烯、1份过氧化苯甲酸叔丁酯、4份硬脂酸钙依次加入搅拌釜中,快速(600r/min)搅拌12min后至混合均匀;再加入20份聚磷酸铵、4份有机改性的钠基蒙脱土、110份碳酸钙,高速(1100r/min)搅拌18min;最后加入1份氧化镁强力搅拌8min,制得各组分均匀分散的树脂糊。
将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入55份长度为10mm的玻璃纤维,捏合6min。待纤维均匀分散后,取出,室温增稠28h,当体系黏度达到模压黏度范围(102-103Pa·S)并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于145℃平板硫化机8Mpa模压下固化10min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
本对比例中,有机改性的钠基蒙脱土是钠基蒙脱土与十二烷基三甲基溴化铵按质量比为1:2的比例制备的。
上述实施例1-5与对比例1A、1B制备的不饱和聚酯模塑料模压制品的性能检测结果见下表:
性能参数 | 实施例1 | 对比例1A | 对比例1B | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
密度g/cm3 | 1.72 | 1.71 | 1.71 | 1.75 | 1.73 | 1.74 | 1.76 |
固化收缩率% | 0.05 | 0.05 | 0.06 | 0.07 | 0.06 | 0.05 | 0.03 |
拉伸强度MPa | 123 | 122 | 124 | 122 | 125 | 120 | 130 |
弯曲强度MPa | 210 | 208 | 209 | 208 | 215 | 208 | 218 |
弯曲模量MPa | 9220 | 9210 | 9330 | 9025 | 9522 | 9005 | 9900 |
冲击强度KJ/m2 | 82 | 83 | 82 | 84 | 82 | 85 | 82 |
极限氧指数 | 75 | 48 | 39 | 76 | 79 | 75 | 77 |
垂直燃烧0.8mm | V-0 | V-2 | NR | V-0 | V-0 | V-0 | V-0 |
热变形温度 | 230 | 232 | 230 | 235 | 233 | 233 | 235 |
热释放速率峰值(kW/m2) | 95.0 | 115.4 | 125.8 | 92.5 | 84.5 | 95.0 | 85.9 |
从上面表格中可以看到,采用金属次磷酸盐、聚磷酸盐、层状化合物进行复配阻燃,通过优化三者比例,达到制备出高效阻燃,安全无毒,同时机械性能优异的不饱和聚酯模塑料。该不饱和聚酯模塑料制品的密度介于1.7-1.8 g/cm3之间,固化收缩率不大于0.07%,拉伸强度不小于120MPa,弯曲强度不小于208MPa,弯曲模量不小于9000MPa,冲击强度不小于82 kJ/m2,其热变形温度不小于230℃, 热释放速率峰值不超过95kW/m2,极限氧指数不小于75,燃烧级别满足UL-94 V-0 (厚度为0.8mm)测试。该产品可以广泛应用于轨道交通领域。
Claims (12)
1.一种高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于由以下重量份的组分制成:
不饱和聚酯树脂 60-70份
低收缩添加剂 30-40份
无机填料 100-120份
金属次磷酸盐 25-40份
聚磷酸盐 10-25份
层状化合物 2-8份
增强纤维 50-60份
引发剂 0.5-2.0份
增稠剂 0.5-1.5份
内脱模剂 3-6份。
2.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的不饱和聚酯树脂选自间苯型不饱和聚酯树脂、邻苯型不饱和聚酯树脂或乙烯基不饱和聚酯树脂。
3.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的低收缩添加剂选自聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种。
4.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的无机填料选自碳酸钙、滑石粉、云母粉和硅灰石中的一种或两种。
5.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的金属次磷酸盐选自次磷酸铝、次磷酸镁、次磷酸钙、次磷酸铈、次磷酸镧和次磷酸锌中的一种或两种。
6.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的聚磷酸盐选自聚磷酸铵和三聚氰胺聚磷酸盐的一种或两种。
7.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的层状化合物选自有机改性的蒙脱土,其中,蒙脱土与阳离子型有机改性剂的质量比为1:1-3;所述的蒙脱土选自钠基蒙脱土、铁基蒙脱土和镍基蒙脱土中的一种或两种;所述的阳离子有机改性剂选自十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵和十二烷基二甲基苄基氯化铵中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的引发剂选自过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化二苯甲酰、过氧化环己酮和过氧化甲乙酮中的一种或两种。
9.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的增稠剂选自氧化镁。
10.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的内脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙和硬脂酸镁中的一种或两种。
11.如权利要求1所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料,其特征在于所述的增强纤维选自短切无碱玻璃纤维,长度5-15mm。
12.如权利要求1-11任一项所述的高效无卤阻燃不饱和聚酯模塑料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按照配方将不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、引发剂、内脱模剂依次加入搅拌釜中,500-800r/min快速搅拌至混合均匀;再加入金属次磷酸盐、聚磷酸盐、层状化合物、无机填料,1000-1200r/min高速搅拌15~20min;最后加入增稠剂高速搅拌5-10min,制得各组分均匀分散的树脂糊;
(2)将树脂糊加入捏合机中,在搅拌条件下加入增强纤维,捏合5-8min,待纤维均匀分散后,取出,室温增稠24-32h,当体系黏度达到模压黏度并稳定后,得到不饱和聚酯的团状模塑料;该不饱和聚酯模塑料于130-160℃平板硫化机3-15Mpa模压下固化5-20min,即得高效无卤阻燃不饱和聚酯的模压材料。
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