CN103304895B - 一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料 - Google Patents

一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料。目前对聚丙烯进行阻燃改性主要是通过引入添加型阻燃剂，用于聚丙烯的阻燃剂主要有卤系阻燃剂和无卤阻燃剂两大类。本发明为共混物，该共混物的组分包括PP树脂、膨胀型阻燃剂、成炭催化剂、抗氧剂、偶联剂；该共混物中各组分的质量百分含量为：PP树脂72～85﹪，膨胀型阻燃剂12～23﹪，成炭催化剂0.5～3﹪，抗氧剂0.5～1﹪，偶联剂0.5～2﹪。该共混物通过成炭催化剂加速炭源本身及其与酸源之间的酯化反应来提高阻燃效率，降低膨胀型阻燃体系的用量，提高阻燃性能，且在获得相同阻燃性能的前提下，降低阻燃剂用量，降低材料力学性能损失。

Description

一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料
技术领域
本发明属于阻燃材料领域，具体涉及一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料。
背景技术
聚丙烯(PP)作为通用大品种塑料，具有质量轻、易于加工成型、耐热性好、耐化学腐蚀性好、力学性能优良等优点，因此被广泛应用于汽车、建筑、电子电器等行业。但由于自身结构的原因，聚丙烯阻燃性能比较差，导致其应用领域受到很大的限制。因此需要对聚丙烯进行阻燃改性，以进一步扩大其适用领域。
目前对聚丙烯进行阻燃改性主要是通过引入添加型阻燃剂，通过材料在燃烧过程中发生的一系列物理化学反应达到阻燃目的。用于聚丙烯的阻燃剂主要有卤系阻燃剂和无卤阻燃剂两大类。因为卤系阻燃剂对环境的负面影响，无卤阻燃剂成为制备阻燃PP的潮流。在无卤阻燃剂中，膨胀性阻燃剂比其他阻燃剂具有更好的综合性能，因此成为制备无卤阻燃PP材料的首选。
膨胀型阻燃剂是一类绿色的新型阻燃剂，主要由酸源、炭源以及气源三种组分组成，其中酸源受热释放无机酸，催化炭源成炭，而气源则在燃烧过程中提供不燃气，为炭层膨胀提供动力同时稀释可燃气体。含此阻燃剂的聚丙烯受热燃烧时，表面能生成一层均匀的炭质泡沫层。此炭层在凝聚相能起到隔热、隔氧、抑烟和防止熔滴的作用从而起到好的阻燃效果。
尽管膨胀型阻燃剂用于阻燃聚烯烃材料已经取得了很大的进展，但是仍然存在一些问题，如：添加量大、酸源易吸潮以及分散性差等问题。所以目前膨胀型阻燃剂获得良好阻燃效果往往以牺牲力学性能和耐水性为代价，因而限制了其在很多要求比较高的领域的应用。因此通过各种手段提高膨胀型阻燃剂阻燃效率，降低阻燃剂用量，从而改善阻燃聚丙烯的综合性能是目前膨胀型阻燃剂在聚烯烃中应用的开发热点之一。
发明内容
本发明的目的在于通过提高阻燃体系的成炭速度和炭化率来提高膨胀型阻燃剂的阻燃效率，减少阻燃剂添加量，降低对材料的力学性能的损伤，提供一种力学性能和阻燃性能都保持在较好水平的无卤阻燃聚丙烯材料。
一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料为共混物，该共混物的组分包括PP树脂、膨胀型阻燃剂、成炭催化剂、抗氧剂、偶联剂；该共混物中各组分的质量百分含量为：PP树脂72～85﹪，膨胀型阻燃剂12～23﹪，成炭催化剂0.5～3﹪，抗氧剂0.5～1﹪，偶联剂0.5～2﹪；
所述的膨胀型阻燃剂由酸源、炭源和气源三种组份按照质量比（2～5）：（0.5～1）：（0～1.5）混合而成；
所述的酸源为聚磷酸铵(APP)、密胺树脂包覆的聚磷酸铵（MAPP）、聚磷酸三聚氰胺（MPP）、次磷酸铝中的一种或多种；
所述的炭源为季戊四醇（PER）、三嗪聚合物、热塑性酚醛树脂中的一种或多种；
所述的三嗪聚合物为含有三嗪环的聚合物，为现有成熟产品；当炭源为三嗪聚合物时可以不加入气源，三嗪聚合物同时起到成炭和发泡作用；
所述的气源为三聚氰胺（MA）；
所述的成炭催化剂为由炭源包覆的固体超强酸，其中固体超强酸为SO4 2-/TiO2、SO4 2-/Fe2O3、SO4 2-/ZrO2、SO4 2-/TiO2/Fe2O3、SO4 2-/Fe2O3/ZrO2、SO4 2-/TiO2/ZrO2或SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2，炭源包覆量为固体超强酸的5～20wt﹪；
所述的抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯、双（2，4-二叔丁基苯酚)季戊四醇二亚磷酸酯双（十八烷基）季戊四醇二亚磷酸酯中的一种或多种；
所述的偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）、异丙基三（二辛基磷酰基）钛酸酯（NSZ-20）中的一种或多种。
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明通过成炭催化剂加速炭源本身及其与酸源之间的酯化反应来提高阻燃效率，从而降低膨胀型阻燃体系的用量，提高材料的综合性能；本发明添加了成炭催化剂的非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料相比于未添加成炭催化剂的非卤膨胀型阻燃聚丙烯而言，阻燃性能大幅度提升，可以在获得相同阻燃性能的前提下，降低阻燃剂用量，从而降低材料力学性能损失，采用本发明制得的非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料的氧指数要比不含成炭催化剂的阻燃聚丙烯材料要高1～5﹪,并能在较低添加量的时候通过UL-94垂直燃烧V-0测试。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
实施例1
将720gPP树脂、115g聚磷酸铵(APP)、28.5g季戊四醇（PER）、86.5g三聚氰胺（MA）、20g成炭催化剂、10g四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、20gγ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由季戊四醇（PER）包覆的固体超强酸SO4 2-/TiO2，其中季戊四醇（PER）包覆量为固体超强酸SO4 2-/TiO2的5wt﹪。
实施例1中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为23wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例2
将820gPP树脂、92.5g聚磷酸三聚氰胺（MPP）、18g三嗪聚合物、9.5g三聚氰胺（MA）、30g成炭催化剂、10gβ-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、20gγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由三嗪聚合物包覆的固体超强酸SO4 2-/Fe2O3，其中三嗪聚合物包覆量为固体超强酸SO4 2-/Fe2O3的10wt﹪。
实施例2中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为12wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例3
将800gPP树脂、132g次磷酸铝、13g热塑性酚醛树脂、40g三聚氰胺、5g成炭催化剂、5g三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯、5g异丙基三（二辛基磷酰基）钛酸酯（NSZ-20）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由热塑性酚醛树脂包覆的固体超强酸SO4 2-/ZrO2，其中热塑性酚醛树脂包覆量为固体超强酸SO4 2-/ZrO2的15wt﹪。
实施例3中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为18.5wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例4
将800gPP树脂、113g密胺树脂包覆的聚磷酸铵（MAPP）、13g季戊四醇（PER）、15.5g三嗪聚合物、28.5g三聚氰胺、10g成炭催化剂、8g双（2，4-二叔丁基苯酚)季戊四醇二亚磷酸酯双（十八烷基）季戊四醇二亚磷酸酯、6gγ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、6gγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由季戊四醇（PER）、三嗪聚合物包覆的固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3，其中季戊四醇（PER）、三嗪聚合物包覆量为固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3的20wt﹪。
实施例4中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为17 wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例5
将750gPP树脂、78g聚磷酸三聚氰胺（MPP）、100g次磷酸铝、22g三嗪聚合物、30g成炭催化剂、5g四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、5gβ-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、5g gγ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH-570）、5g异丙基三（二辛基磷酰基）钛酸酯（NSZ-20）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由三嗪聚合物包覆的固体超强酸SO4 2-/Fe2O3/ZrO2，其中三嗪聚合物包覆量为固体超强酸SO4 2-/Fe2O3/ZrO2的20wt﹪。
实施例5中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为20 wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例6
将850gPP树脂、20g密胺树脂包覆的聚磷酸铵（MAPP）、30g聚磷酸三聚氰胺（MPP）、30g次磷酸铝、20g季戊四醇（PER）、20g三嗪聚合物、5g成炭催化剂、5gβ-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、5g三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯、15gγ―氨丙基三乙氧基硅烷加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由季戊四醇（PER）、三嗪聚合物包覆的固体超强酸SO4 2-/TiO2/ZrO2，其中季戊四醇（PER）、三嗪聚合物包覆量为固体超强酸SO4 2-/TiO2/ZrO2的15wt﹪。
实施例6中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为12 wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例7
将810gPP树脂、134g聚磷酸铵(APP)、5g季戊四醇（PER）、5g三嗪聚合物、6g热塑性酚醛树脂、20g成炭催化剂、1g四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、2gβ-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、2g三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯、15g异丙基三（二辛基磷酰基）钛酸酯（NSZ-20）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由季戊四醇（PER）、三嗪聚合物、热塑性酚醛树脂包覆的固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2，其中季戊四醇（PER）、三嗪聚合物、热塑性酚醛树脂包覆量为固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2的10wt﹪。
实施例7中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为15 wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
实施例8
将760gPP树脂、134g聚磷酸三聚氰胺（MPP）、66g三嗪聚合物、20g成炭催化剂、10g四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、10g异丙基三（二辛基磷酰基）钛酸酯（NSZ-20）加入到高速混合机混合均匀，在常规加料速度和螺杆转速的条件下，将所得混合物加入螺杆挤出机的料筒中进行挤出、冷却、切料制得阻燃聚丙烯复合物1kg，其中挤出温度为170～220℃。按UL94标准测试其垂直燃烧性能为V-0级。
所用的成炭催化剂为由三嗪聚合物包覆的固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2，其中三嗪聚合物包覆量为固体超强酸SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2的20wt﹪。
实施例8中阻燃聚丙烯复合物中膨胀型阻燃剂的添加量为20 wt﹪，而现有的无卤阻燃聚丙烯复合物若达到V-0级别时，所需阻燃剂的最低添加量为25wt﹪，可知本发明在获得相同阻燃性能的同时，降低了阻燃剂用量。
上述实施例1～8所用的三嗪聚合物为润特科技有限公司的                                                m1=0 或 1,m2=2或1，R=(CH)n1，n1=2～6, 此结构式为专利报道产品，公开号CN1715272A。该三嗪聚合物为含有三嗪环的聚合物，可通过现有市场购买取得。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料，为共混物，其特征在于该共混物的组分包括PP树脂、膨胀型阻燃剂、成炭催化剂、抗氧剂、偶联剂；该共混物中各组分的质量百分含量为：PP树脂72～85﹪，膨胀型阻燃剂12～23﹪，成炭催化剂0.5～3﹪，抗氧剂0.5～1﹪，偶联剂0.5～2﹪；
所述的成炭催化剂为由炭源包覆的固体超强酸，其中固体超强酸为SO4 2-/TiO2、SO4 2-/Fe2O3、SO4 2-/ZrO2、SO4 2-/TiO2/Fe2O3、SO4 2-/Fe2O3/ZrO2、SO4 2-/TiO2/ZrO2或SO4 2-/TiO2/Fe2O3/ZrO2，炭源包覆量为固体超强酸的5～20wt﹪。
2.如权利要求1所述的一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料，其特征在于所述的膨胀型阻燃剂由酸源、炭源和气源三种组份按照质量比(2～5)：(0.5～1)：(0～1.5)混合而成；
所述的酸源为聚磷酸铵、密胺树脂包覆的聚磷酸铵、聚磷酸三聚氰胺、次磷酸铝中的一种或多种；
所述的炭源为季戊四醇、三嗪聚合物、热塑性酚醛树脂中的一种或多种；
所述的三嗪聚合物为含有三嗪环的聚合物；当炭源为三嗪聚合物时可以不加入气源，三嗪聚合物同时起到成炭和发泡作用；
所述的气源为三聚氰胺。
3.如权利要求1所述的一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料，其特征在于所述的抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基)苯丙酸]季戊四醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯、三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、双(2，4-二叔丁基苯酚)季戊四醇二亚磷酸酯双(十八烷基)季戊四醇二亚磷酸酯中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种高效非卤膨胀型阻燃聚丙烯材料，其特征在于所述的偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、异丙基三(二辛基磷酰基)钛酸酯中的一种或多种。
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