CN104059340B - 一种无卤阻燃pbt复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种无卤阻燃pbt复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无卤阻燃PBT复合材料及其制备方法,该复合材料由以下按质量百分比计算的组分制备得到:PBT35%~60%,无卤阻燃剂18%~25%,无碱玻璃纤维20%~40%,硅烷偶联剂0.2%~1.5%,复合抗氧剂0.2%~0.5%,马来酸酐接枝POE?0.5%~5%,茂金属聚乙烯蜡0.3%~1%,无卤阻燃剂如式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的混合物,(Ⅰ),
Description
技术领域
本发明涉及一种PBT复合材料及其制备方法,具体地说是一种无卤阻燃PBT复合材料及其制备方法。
背景技术
对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)是由美国Celanese公司在20世纪70年代开发并工业化生产的一类较新的热塑性工程塑料,具有结晶速度快、吸水率低、耐候性好、力学性能优良和突出的耐摩擦和耐磨耗特性而成为通用工程塑料中工业化最晚而发展速度最快的品种。PBT是一种结晶线型饱和聚酯,常用于汽车、机械设备、电子电气制造业中。然而,PBT材料也存在着阻燃性能差、缺口冲击强度低等缺点,限制了其在某些领域的应用。目前在PBT材料中添加聚四氟乙烯、聚丙烯酸五溴代苯酯或反应型阻燃剂,即引入具有阻燃效果的共聚单体,提高其阻燃性能。自从2003年欧盟公布的WEEE和RoHS指令,限制了卤素阻燃剂的使用后,无卤阻燃剂与传统的卤素阻燃体系相比,存在填充量大和机械性能较差等缺点,因此,如何利用市面上常用的玻璃纤维增强PBT机械性能和耐热性材料,并且如何选用合适的无卤阻燃剂,研制一种无卤阻燃的PBT复合材料是环境友好的绿色新材料的一个重要发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种反应速度快、综合性能好、阻燃效能高、环保安全的高机械性能无卤阻燃PBT复合材料及其制备方法。
为解决以上技术问题,本发明的无卤阻燃PBT复合材料以下按质量百分比计算的组分制备得到:
其中,所述无卤阻燃剂为式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的混合物,可优选质量比为1:1-5:1,
进一步地,所述硅烷偶联剂是对端氢基聚硅氧烷进行聚醚改性制成的聚醚改性有机硅烷。
再进一步地,所述硅烷偶联剂是对端氢基聚硅氧烷用烯丙基缩水甘油醚进行聚醚改性制成的聚醚硅油。
再进一步地,所述端氢基聚硅氧烷由八甲基环四硅氧烷与四甲基二氢硅氧烷在浓硫酸催化下反应得到,且所述四甲基二氢硅氧烷的添加量为八甲基环四硅氧烷的8-16%(质量)。
再进一步地,所述烯丙基缩水甘油醚添加量为端氢基聚硅氧烷用量的12-20%(质量)。
进一步地,所述复合抗氧剂为2,6-叔丁基-4-甲基苯酚和双(3,5-叔丁基-4-羟基苯基)硫醚的复配物,复合抗氧剂所用不同抗氧剂之间存在抗氧效果的协同作用,可使复合抗氧剂的抗氧效果更好。两者原则上可以任意比混合,优选质量比为2:1-6:1。
进一步地,所述茂金属改性聚乙烯蜡为PE4201或PEMA4221,所述PEMA4221中含MAH3%(质量)。
前述无卤阻燃PBT复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)、准备各组分材料,并按比例称取;
(2)、将PBT在120℃~130℃下干燥4~6小时,含水率控制在0.03%以下,干燥后备用;
(3)、将干燥处理后的PBT与马来酸酐接枝POE、复合抗氧剂、茂金属改性聚乙烯蜡加入搅拌桶中,搅拌使其充分混合;
(4)、将步骤(3)得的混合料加入双螺杆挤出机中,进行熔融混炼、挤出并造粒,挤出温度为200℃~260℃;
(5)、将步骤(4)挤出的粒料烘干后,再与无卤阻燃剂、无碱玻璃纤维和硅烷偶联剂充分混合,并将该混合料加入双螺杆挤出机中,进行二次熔融混炼、挤出并造粒,即得无卤阻燃PBT复合材料;
其中,所述硅烷偶联剂通过下述方法制备得到:
(A)、端氢硅油的制备
在装有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净反应容器中按比例加入八甲基环四硅氧烷、四甲基二氢硅氧烷、浓硫酸催化剂,在25-35℃下混和搅拌4-5h至反应结束,中和,水洗,油层分离,真空脱除低沸物杂质,得到淡黄色液体;
(B)、聚醚改性有机硅烷的制备
在带有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净反应容器中按比例加入端氢硅油、烯丙基缩水甘油醚和铂催化剂,搅拌加热至75-85℃,反应至澄清状,减压除去低沸物及未反应的反应物,得到透明粘稠状液体。
进一步地,所述无卤阻燃剂中式(Ⅱ)所示物质通过下述步骤制备得到:
(a)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐制备
将甲基咪唑加入到反应容器中,再加入氯乙醇,甲基咪唑与氯乙醇的添加摩尔比为5:6,然后慢慢升温到110℃反应三天,开始时溶液为淡黄色,加热一段时间后体系变黄,反应结束时溶液颜色为棕色,冷却之后用丙酮洗产物除去多余的原料,放入冰箱结晶;晶体用乙醇溶解,加入活性炭搅拌进行脱色;最后过滤除去活性炭,滤液浓缩除去乙醇,得黄色粘稠离子液体;
(b)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐的制备
称取1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐加入到单口烧瓶中,然后加入乙酸铵,1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐与乙酸铵的添加摩尔比为1:1.2,最后加入异丙醇进行溶解;在60℃下反应2天,反应结束后溶液显淡黄色,有白色固体沉淀;过滤除去沉淀,所得滤液进行浓缩除去溶剂,然后再加入乙腈有白色固体沉淀析出为铵盐;过滤除去沉淀,再次浓缩除去乙腈,得到淡黄色油状物;
(c)1-甲基-3-(2-二苯膦氧基)乙基咪唑醋酸盐的制备
将1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐加入到反应容器中,用乙腈(经CaH2回流处理)溶解,再加入无水三乙胺4.5mL(经CaH2回流处理)搅拌15min,然后缓慢滴加PPh2Cl,1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐与PPh2Cl的摩尔比为1:1,且PPh2Cl溶解在乙腈中配成溶液,滴加完后搅拌半小时;反应结束,过滤,滤液浓缩,得有白色物质夹杂的油状液体,用乙腈溶解,过滤除去白色沉淀物,得黄色油状液体产物。
该式(Ⅱ)所示物质为功能性离子液体。
本发明所述的无卤阻燃剂中式(Ⅰ)所示物质为双子表面活性剂,具体为二苯甲烷双子表面活性剂,具体制备方法参照“双子表面活性剂的合成及性能研究,胡龙江,大庆石油学院硕士研究生学位论文(2004年3月)”制备如下:
①、烷基化在装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,加入二苯甲烷与无水AlC13,充分搅拌使催化剂分散均匀,在45-50℃,滴加十二烯烃〔烯烃与二苯甲烷的物质的量的比为2:1),滴加时间控制在20-30min滴加完,然后逐渐将反应温度升至70℃,并保持不变,反应8h,反应结束后,将反应液调至中性,甲苯萃取,无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩得烷基化产物,用于下步磺化;
②、磺化在装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,加入上述获得的烷基化产物,在强烈搅拌下逐滴加入氯磺酸,烷基化产物与氯磺酸的投料摩尔比为2:1,时间为lh,反应温度控制在20-25℃,反应2小时,放置,即得磺化产物;
③、中和反应将磺化产物加入装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,用水浴锅控制反应温度在35~40℃,用滴液漏斗将质量浓度15%氢氧化钠水溶液缓慢加入,调节反应体系pH值为7~8,使磺酸全部生成磺酸钠即为双子表面活性剂产品。
由于本发明采用无卤阻燃,玻纤增强,并加入适量的马来酸酐接枝POE、复合抗氧剂、硅烷偶联剂、茂金属改性聚乙烯蜡等助剂,可大大提升材料的阻燃性能、机械性能和使用性能。本发明所提供的制备方法采用二次挤出工艺,可得到满足阻燃要求且综合性能优良的无卤阻燃PBT复合材料,而且制备工艺简单,容易操作,制备的复合材料质量稳定。更重要的是,本发明采用二苯甲烷双子表面活性剂添加功能性离子液体后的混合物作为无卤阻燃剂,不仅避免了含卤阻燃剂所带来的二次危害,具备无卤阻燃剂环保的特点,符合欧盟公布的WEEE和RoHS指令,且比一般无卤阻燃剂具有更高的生物安全性,同时由于双子表面活性具有两个亲水基和两个亲油基,因此可以加快各物料之间的融合,即加快熔融混炼速度,提高效率,功能性离子液体则能与双子表面活性剂协同作用,进一步提高材料的阻燃性能。抗氧剂采用复合抗氧剂,其抗氧性能优于单一抗氧剂的抗氧性能。而且二苯甲烷双子表面活性剂和功能性离子液体也都具有一定的抗氧化性能,能与抗氧剂协同作用,大大提高制品的抗氧化性能,延长制品使用寿命。
本发明所得复合材料可广泛应用于家电配件、电子产品配件等的PBT复合材料的生产。
具体实施方式
式(Ⅰ)所示二苯甲烷双子表面活性剂的制备:
①、烷基化在装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,加入二苯甲烷与无水AlC13,充分搅拌使催化剂分散均匀,在45-50℃,滴加十二烯烃〔烯烃与二苯甲烷的物质的量的比为2:1),滴加时间控制在20-30min滴加完,然后逐渐将反应温度升至70℃,并保持不变,反应8h,反应结束后,将反应液调至中性,甲苯萃取,无水硫酸镁干燥,过滤,浓缩得烷基化产物,用于下步磺化;
②、磺化在装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,加入上述获得的烷基化产物,在强烈搅拌下逐滴加入氯磺酸,烷基化产物与氯磺酸的投料摩尔比为2:1,时间为lh,反应温度控制在20-25℃,反应2小时,放置,即得磺化产物;
③、中和反应将磺化产物加入装有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗的四口反应瓶中,用水浴锅控制反应温度在35~40℃,用滴液漏斗将质量浓度15%氢氧化钠水溶液缓慢加入,调节反应体系pH值为7~8,使磺酸全部生成磺酸钠即为双子表面活性剂产品。
式(Ⅱ)所示功能性离子液体的制备
(a)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐制备
将甲基咪唑41g(0.5mol)加入到250mL三颈烧瓶中,再加入氯乙醇48.3g(0.6mol),然后慢慢升温到110℃反应三天,开始时溶液为淡黄色,加热一段时间后体系变黄,反应结束时溶液颜色为棕色,冷却之后用丙酮洗产物除去多余的原料,放入冰箱结晶。晶体用乙醇溶解,加入活性炭搅拌进行脱色。最后过滤除去活性炭,滤液浓缩除去乙醇,得黄色粘稠离子液体为80g,产率97%。
(b)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐的制备
称取1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐16.3g(0.1mol)加入到单口烧瓶中,然后加入乙酸铵9.25g(0.12mol),最后加入异丙醇40mL进行溶解。在60℃下反应2d,反应结束后溶液显淡黄色,有白色固体沉淀。过滤除去沉淀,所得滤液进行浓缩除去溶剂,然后再加入乙腈有白色固体沉淀析出为铵盐。过滤除去沉淀,再次浓缩除去乙腈,得到淡黄色油状物16g,产率85.9%。
(c)1-甲基-3-(2-二苯膦氧基)乙基咪唑醋酸盐
将1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐6g(0.02mol)加入到250mL三颈烧瓶中,用乙腈100mL(CaH2回流处理)溶解,再加入无水三乙胺4.5mL(CaH2回流处理)搅拌15min,然后缓慢滴加PPh2Cl4.6g(0.02mol)(将PPh2Cl溶解在乙腈5mL中配成溶液),滴加完后搅拌半小时。反应结束,过滤,滤液浓缩,得有白色物质夹杂的油状液体,用乙腈40mL溶解,过滤除去白色沉淀物,得黄色油状液体产物8.52g,产率72%。
1HNMR(D2O)δ:8.1~8.2(s,1H,NC(H)N),7.4~7.5[(m,10H,J=3Hz,OP(C6H5)2),7.2~7.3(s,1H,CH3NC(H)C(H)N),7.1~7.2(s,1H,CH3NC(H)C(H)N),4.0~4.1(t,2H,NCH2CH2O),3.6~3.7(s,3H,CH3N)ppm。
聚醚改性硅烷偶联剂的制备:
(A)、端氢硅油的制备
在装有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净四口烧瓶中加入八甲基环四硅氧烷、四甲基二氢硅氧烷、浓硫酸催化剂,在25-35℃下混和搅拌4-5h至反应结束,中和,水洗,油层分离,真空脱除低沸物杂质,得到淡黄色液体;其中,四甲基二氢硅氧烷的添加量为八甲基环四硅氧烷的8-16%(质量)。
(B)、聚醚改性有机硅烷的制备
在带有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净四口烧瓶中加入端氢硅油、烯丙基缩水甘油醚和铂催化剂,搅拌加热至75-85℃,反应至至澄清状,减压除去低沸物及未反应的反应物,得到透明粘稠状液体,其中,烯丙基缩水甘油醚添加量为端氢基聚硅氧烷用量的12-20%(质量)。
实施例1:
本发明所述的无卤阻燃PBT复合材料按下述方法制备得到:
(1)、准备各组分材料,并按比例称取,各组分按质量百分比计算如下:
其中,所述无卤阻燃剂为式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的混合物,分别由前述制备方法制备得到,式(Ⅰ)所示二苯甲烷双子表面活性剂具有阻燃性和抗氧化性能,在添加式(Ⅱ)所示功能性离子液体后,可进一步增加其阻燃性能和抗氧化性能。式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的质量比为5:1。
其中,所述硅烷偶联剂是对端氢基聚硅氧烷用烯丙基缩水甘油醚进行聚醚改性制成的聚醚硅油,
其中,所述复合抗氧剂为2,6-叔丁基-4-甲基苯酚和双(3,5-叔丁基-4-羟基苯基)硫醚的复配物,两者质量比为2:1。
(2)、将PBT在120℃~130℃下干燥4~6小时,含水率控制在0.03%以下,干燥后备用;
(3)、将干燥处理后的PBT与马来酸酐接枝POE、受阻酚抗氧剂、茂金属改性聚乙烯蜡加入搅拌桶中,搅拌使其充分混合;
(4)、将步骤(3)得的混合料加入双螺杆挤出机中,进行熔融混炼、挤出并造粒,挤出温度为200℃~260℃;
(5)、将步骤(4)挤出的粒料烘干后,再与无卤阻燃剂、无碱玻璃纤维和硅烷偶联剂充分混合,并将该混合料加入双螺杆挤出机中,进行二次熔融混炼、挤出并造粒,即得高机械性能无卤阻燃PBT复合材料。
POE是乙烯和辛烯原位聚合的热塑性弹性体,马来酸酐接枝POE指POE经反应挤出接枝马来酸酐制得,可以成为增进极性材料与非极性材料粘接性和相容性的桥梁,因此可作为很好的增韧剂和相容剂来使用,比没有接枝的纯POE增韧效果要好的多,即提高了本发明复合材料的韧性。所述茂金属改性聚乙烯可采用科莱恩公司的TPPE4201,即茂金属催化改性PE蜡(非极性)或者PEMA4221TP,即茂金属处理改性的PE蜡,含MAH(马来酸酐)3%(质量)。
实施例2:
与实施例1不同的是,该实施例中各组分质量百分含量如下所示,
无卤阻燃剂中式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的质量比为3:1。
复合抗氧剂中2,6-叔丁基-4-甲基苯酚和双(3,5-叔丁基-4-羟基苯基)硫醚两者质量比为6:1,其余同实施例1,不再赘述。
实施例3:
与实施例1不同的是,该实施例中各组分质量百分含量如下所示,
无卤阻燃剂中式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的质量比为1:1。
复合抗氧剂中2,6-叔丁基-4-甲基苯酚和双(3,5-叔丁基-4-羟基苯基)硫醚两者质量比为4:1,其余同实施例1,不再赘述。
上述的具体实施方式只是示例性的,是为了更好的使本领域技术人员能够理解本发明,不能理解为是对本发明保护范围的限制;只要使根据本发明所揭示精神所作出的任何等同变更或修饰,均落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于该复合材料由以下按质量百分比计算的组分制备得到:
其中,所述无卤阻燃剂为式(Ⅰ)及式(Ⅱ)所示物质的混合物,
式(Ⅰ)、式(Ⅱ)所示无卤阻燃剂的质量比为1:1-5:1,
所述硅烷偶联剂是对端氢基聚硅氧烷进行聚醚改性制成的聚醚改性有机硅烷。
2.根据权利要求1所述的无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于所述硅烷偶联剂是对端氢基聚硅氧烷用烯丙基缩水甘油醚进行聚醚改性制成的聚醚硅油。
3.根据权利要求2所述的无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于所述端氢基聚硅氧烷由八甲基环四硅氧烷与四甲基二氢硅氧烷在浓硫酸催化下反应得到,且所述四甲基二氢硅氧烷的添加量为八甲基环四硅氧烷的8-16%(质量)。
4.根据权利要求2所述的无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于所述烯丙基缩水甘油醚添加量为端氢基聚硅氧烷用量的12-20%(质量)。
5.根据权利要求1所述的无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于所述复合抗氧剂为2,6-叔丁基-4-甲基苯酚和双(3,5-叔丁基-4-羟基苯基)硫醚的复配物。
6.根据权利要求1所述的无卤阻燃PBT复合材料,其特征在于所述茂金属改性聚乙烯蜡为PE4201或PEMA4221,所述PEMA4221中含MAH3%(质量)。
7.根据权利要求1至6任意一项权利要求所述的无卤阻燃PBT复合材料的制备方法,其特征在于该制备方法包括以下步骤:
(1)、准备各组分材料,并按比例称取;
(2)、将PBT在120℃~130℃下干燥4~6小时,含水率控制在0.03%以下,干燥后备用;
(3)、将干燥处理后的PBT与马来酸酐接枝POE、复合抗氧剂、茂金属改性聚乙烯蜡加入搅拌桶中,搅拌使其充分混合;
(4)、将步骤(3)得的混合料加入双螺杆挤出机中,进行熔融混炼、挤出并造粒,挤出温度为200℃~260℃;
(5)、将步骤(4)挤出的粒料烘干后,再与无卤阻燃剂、无碱玻璃纤维和硅烷偶联剂充分混合,并将该混合料加入双螺杆挤出机中,进行二次熔融混炼、挤出并造粒,即得无卤阻燃PBT复合材料;
其中,所述硅烷偶联剂通过下述方法制备得到:
(A)、端氢硅油的制备
在装有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净反应容器中按比例加入八甲基环四硅氧烷、四甲基二氢硅氧烷、浓硫酸催化剂,在25-35℃下混和搅拌4-5h至反应结束,中和,水洗,油层分离,真空脱除低沸物杂质,得到淡黄色液体;
(B)、聚醚改性有机硅烷的制备
在带有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗、温度计的洁净反应容器中按比例加入端氢硅油、烯丙基缩水甘油醚和铂催化剂,搅拌加热至75-85℃,反应至澄清状,减压除去低沸物及未反应的反应物,得到透明粘稠状液体。
8.根据权利要求7所述的无卤阻燃PBT复合材料的制备方法,其特征在于所述无卤阻燃剂中式(Ⅱ)所示物质通过下述步骤制备得到:
(a)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐制备
将甲基咪唑加入到反应容器中,再加入氯乙醇,甲基咪唑与氯乙醇的添加摩尔比为5:6,然后慢慢升温到110℃反应三天至溶液颜色为棕色,冷却之后用丙酮洗产物除去多余的原料,冷却结晶;晶体用乙醇溶解,加入活性炭搅拌进行脱色;最后过滤除去活性炭,滤液浓缩除去乙醇,得黄色粘稠离子液体;
(b)1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐的制备
称取1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐加入到单口烧瓶中,然后加入乙酸铵,1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯盐与乙酸铵的添加摩尔比为1:1.2,最后加入异丙醇进行溶解;在60℃下反应2天至反应结束;过滤除去沉淀,所得滤液进行浓缩除去溶剂,然后再加入乙腈有白色固体沉淀析出为铵盐;过滤除去沉淀,再次浓缩除去乙腈,得到淡黄色油状物;
(c)1-甲基-3-(2-二苯膦氧基)乙基咪唑醋酸盐的制备
将1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐加入到反应容器中,用经CaH2回流处理的乙腈溶解,再加入经CaH2回流处理的无水三乙胺搅拌,然后缓慢滴加PPh2Cl,1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑醋酸盐与PPh2Cl的摩尔比为1:1,且PPh2Cl溶解在乙腈中配成溶液,滴加完后搅拌半小时;反应结束,过滤,滤液浓缩,得有白色物质夹杂的油状液体,用乙腈溶解,过滤除去白色沉淀物,得黄色油状液体产物。
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