CN104829973A - 一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法 - Google Patents

一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法，首先通过二氧化钛纳米粒子和氨基封端聚硅氧烷对天然矿物粘土埃洛石进行功能化改性，然后将埃洛石与聚氯乙烯复合材料体系复合，制备建筑塑料模板用高阻燃、高强度、低收缩复合材料。本发明的技术方案克服了现有建筑塑料模板材料的缺点，提供了一种以聚氯乙烯为基体、以木粉和碳酸钙为增强相、以功能化天然粘土矿物为功能相的绿色多相建筑塑料模板用复合材料。经过对天然粘土矿物埃洛石的表面功能化，提高了聚氯乙烯基体与增强相的结合，同时提高复合材料强度，降低冷热收缩率，提高阻燃性。

Description

一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，更加具体地说，涉及一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法。
背景技术
建筑模板是一种临时性支护结构，按设计要求制作，使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形，保持其正确位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。进行模板工程的目的，是保证混凝土工程质量与施工安全、加快施工进度和降低工程成本。在现浇混凝土结构工程中，模板工程一般占工程造价的20％-30％，占工期的50％左右，模板材料直接影响工程建设的质量、造价和效益。
目前常用的模板有钢模板、木模板、竹胶板及钢木组合模板几种形式。钢模板造价较高，加工周期长，维护费用高。木模板及竹胶板模板需要消耗大量的木材、竹材，而森林的过度砍伐导致生态环境恶化、大气污染、土地沙化、水土流失等自然灾害频发。目前，我国年消耗木材将近5亿m3，仅建筑模板就消耗木材约1200万m3。由此可见，寻找一种经济、方便耐用的模板，大力倡导模板节材代木工作迫在眉睫。
我国人均每年的塑料用量约为10kg，而发达国家人均每年的塑料用量约为90kg，塑料产品的使用，在我国尚有很大的发展潜力。与此同时，保护环境、减少白色污染，加大塑料产品的再生利用也迫在眉睫。塑料废弃物、废旧塑料、农业生产过程中产生的废弃农作物秸杆、木材加工过程中产生的锯末都是生产塑料模板的主要原材料，倘若能够充分的开发利用，塑料模板产业定会消化掉那些路边随意丢弃的“白色污染”及农村大量的废弃农作物秸秆，将给国家和社会作出巨大的贡献。目前塑料模版仍然存在强度和刚度低、热胀冷缩率大、耐热性差、阻燃性差等缺点，严重制约其广泛使用(浅析复合塑料建筑模板发展前景，价值工程，2012年31期，51-52)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种以废旧聚氯乙烯为基体、以木粉和碳酸钙为增强相、以功能化天然粘土矿物为功能相的绿色多相建筑塑料模板用复合材料。经过对天然粘土矿物埃洛石的表面功能化，提高了聚氯乙烯基体与增强相的结合， 同时提高复合材料强度，降低冷热收缩率，提高阻燃性。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种用于塑料模版的聚氯乙烯复合材料制备方法，按照下述步骤进行：
步骤(1)将5-20重量份的埃洛石超声分散于100-500mL无水乙醇中得到分散液1，再将2-4重量份钛酸丁酯溶解于100-200mL无水乙醇中得到溶液1，将1-2重量份十二烷基硫酸钠溶解于20-100mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止2-4h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在80-100℃烘箱内干燥4-6h；
步骤(2)将10-30重量份步骤(1)的产物超声分散于100-500mL二甲基亚砜中，然后加入0.1-2重量份N，N-羰基二咪唑，在50-70℃下持续搅拌活化处理1-5h，随后加入1-3重量份氨基封端聚硅氧烷，在50-70℃下反应3-8h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干24-48h；
所述的氨基封端聚硅氧烷为数均分子量5000-8000的氨基单封端的聚二甲基硅氧烷、数均分子量4000-6000的氨基双封端的聚二甲基硅氧烷、数均分子量4000-6000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5％的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷、数均分子量4000-6000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5％的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷、数均分子量5000-7000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5％苯基含量摩尔百分数0.1-2％的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷和数均分子量5000-7000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5％苯基含量摩尔百分数0.1-2％的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷中的一种。
步骤(3)将50-100重量份的聚氯乙烯、5-30重量份碳酸钙、5-10重量份步骤(2)得到的功能化埃洛石、2-25重量份木粉、0.1-3重量份硬脂酸和0.5-10重量份环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，在5-10MPa压力和160-180℃下模压成型10-15min后取出。
通过Philips的Tecnai G2 F20型透射电子显微镜对二氧化钛纳米粒子修饰的埃洛石进行观察，如图1所示为实施例3中步骤(1)产物的TEM照片，从图中可以看出，纳米尺度的二氧化钛粒子分布于埃洛石表面，借助于埃洛石的负载，二氧化钛纳米粒子得以均匀分散，而借助于表面的二氧化钛，埃洛石管间的距离增大，大幅降低埃洛石管间范德华力，更利于埃洛石在复合材料中的分散。
利用美国Nicolet--5DX傅里叶变换红外光谱仪测定聚硅氧烷修饰前后埃洛石的红外光谱，如图2(a)和(b)分别为埃洛石和实施例1的步骤(2)产物的FTIR谱图。在图2(a) 中可以看出，在3621cm-1和3704cm-1的两个窄峰为-OH伸缩振动，这两个吸收峰分别属于埃洛石中含有的两种类型的羟基基团：外羟基基团和内羟基基团。外羟基位于硅氧四面体和铝氧八面体构成的层状结构的外部非共享面上，而内羟基基团则位于硅氧四面体和铝氧八面体构成的层状结构的共享面上。在1028cm-1处出现了Si-O键的伸缩振动，这是埃洛石中的典型硅酸盐结构，在464cm-1和545cm-1处的吸收峰则属于埃洛石的外表面SiO2中Si-O弯曲振动的特征吸收峰，另外在898cm-1附近的特征吸收则应为Al-OH弯曲振动的特征吸收峰。在图2(b)中，同样出现Si-O键，除此之外，在2950cm-1出现C-H特征峰,同时1273cm-1处峰的出现表明了改性HNTs中出现-CH3，1427cm-1处出现表示出现的是烷烃结构。3510cm-1处对应N-H的伸缩振动峰，3704cm-1处的峰急剧减弱甚至消失是由于该处的-OH会与聚硅氧烷中的-NH2反应。以上结果充分说明了聚硅氧烷修饰于埃洛石表面。
通过步骤(1)、(2)的修饰，使埃洛石表面先后负载二氧化钛纳米粒子和聚硅氧烷分子，使埃洛石同时具有无机物亲水性和有机物疏水性，可以分别与复合材料基体无机填料和有机基体紧密结合，提高复合材料的综合性能。天然粘土埃洛石本身的中空管状结构，可以起到增强的作用，同时中空结构可以捕捉复合材料燃烧过程产生的自由基和有害气体，起到阻燃的作用。由于埃洛石粘土在复合材料内部无规取向，使复合材料呈现各向异性，提高材料加热后尺寸收缩性能。按照我国建筑工业行业标准JG/T418-2013测定本发明所述方法制备的建筑塑料模板用高阻燃、高强度、低收缩复合材料，建筑塑料模板的加热后尺寸收缩性能和阻燃性能均远高于标准要求，结果见表1，体现了优异的综合性能。
附图说明 
图1为实施例3中步骤(1)产物的TEM照片
图2为埃洛石和实施例1的步骤(2)产物的FTIR谱图
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，其中氨基封端聚硅氧烷购自美国道康宁公司；N,N’-羰基二咪唑购自上海吉尔生化试剂有限公司；废旧聚氯乙烯和木粉为自制；其他试剂和原料均购自天津市科密欧化学试剂有限公司；拉伸强度测试采用英国Testometric的M350-20KN万能拉伸试验机。
实施例1
步骤(1)将15g的埃洛石超声分散于500mL无水乙醇中得到分散液1，再将3g钛酸丁酯溶解于150mL无水乙醇中得到溶液1，将2g十二烷基硫酸钠溶解于50mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止3h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在80℃烘箱内干燥4h；
步骤(2)将20g步骤(1)的产物超声分散于200mL二甲基亚砜中，然后加入0.5gN，N-羰基二咪唑，在55℃下持续搅拌活化处理4h，随后加入1g数均分子量6000的氨基单封端的聚二甲基硅氧烷，在55℃下反应4h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干36h；
步骤(3)将80g的聚氯乙烯、20g碳酸钙、8g步骤(2)得到的功能化埃洛石、10g木粉、1.2g硬脂酸和5.5g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在8MPa压力和165℃下模压成型10min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
实施例2
步骤(1)将20g的埃洛石超声分散于500mL无水乙醇中得到分散液1，再将4g钛酸丁酯溶解于100mL无水乙醇中得到溶液1，将1g十二烷基硫酸钠溶解于100mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止4h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在100℃烘箱内干燥6h；
步骤(2)将30g步骤(1)的产物超声分散于450mL二甲基亚砜中，然后加入2gN，N-羰基二咪唑，在56℃下持续搅拌活化处理1.5h，随后加入1.8g数均分子量5000的氨基双封端的聚二甲基硅氧烷，在62℃下反应4h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干24h；
步骤(3)将100g的聚氯乙烯、20g碳酸钙、10g步骤(2)得到的功能化埃洛石、25g木粉、1.9g硬脂酸和10g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在10MPa压力和170℃下模压成型10min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
实施例3
步骤(1)将5g的埃洛石超声分散于300mL无水乙醇中得到分散液1，再将2.2g钛酸丁酯溶解于120mL无水乙醇中得到溶液1，将1.8g十二烷基硫酸钠溶解于90mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止2.8h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在85℃烘箱内干燥5.5h；
步骤(2)将16g步骤(1)的产物超声分散于200mL二甲基亚砜中，然后加入1.2gN，N-羰基二咪唑，在58℃下持续搅拌活化处理4.5h，随后加入2.6g数均分子量7000乙烯基含量摩尔百分数4.6％苯基含量摩尔百分数1.9％的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷，，在56℃下反应8h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干48h；
步骤(3)将60g的聚氯乙烯、13g碳酸钙、7g步骤(2)得到的功能化埃洛石、18g木粉、1.8g硬脂酸和6g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在9MPa压力和175℃下模压成型12min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
实施例4
步骤(1)将18g的埃洛石超声分散于420mL无水乙醇中得到分散液1，再将2.5g钛酸丁酯溶解于180mL无水乙醇中得到溶液1，将1g十二烷基硫酸钠溶解于55mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止3.7h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在95℃烘箱内干燥5h；
步骤(2)将28g步骤(1)的产物超声分散于100mL二甲基亚砜中，然后加入1.7gN，N-羰基二咪唑，在55℃下持续搅拌活化处理3.5h，随后加入1.8g数均分子量6000乙烯基含量摩尔百分数4.7％的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷，在50℃下反应8h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干30h；
步骤(3)将85g的聚氯乙烯、25g碳酸钙、6g步骤(2)得到的功能化埃洛石、5g木粉、2.1g硬脂酸和6.9g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在7MPa 压力和170℃下模压成型13min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
实施例5
步骤(1)将19g的埃洛石超声分散于480mL无水乙醇中得到分散液1，再将4g钛酸丁酯溶解于110mL无水乙醇中得到溶液1，将1.4g十二烷基硫酸钠溶解于80mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止2.4h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在86℃烘箱内干燥4.5h；
步骤(2)将13g步骤(1)的产物超声分散于300mL二甲基亚砜中，然后加入1.4gN，N-羰基二咪唑，在60℃下持续搅拌活化处理2.5h，随后加入3g数均分子量5000乙烯基含量摩尔百分数3.2％的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷，在65℃下反应7h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干40h；
步骤(3)将95g的聚氯乙烯、10g碳酸钙、6g步骤(2)得到的功能化埃洛石、12g木粉、2.8g硬脂酸和7.2g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在8MPa压力和172℃下模压成型15min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
实施例6
步骤(1)将17g的埃洛石超声分散于380mL无水乙醇中得到分散液1，再将3.6g钛酸丁酯溶解于170mL无水乙醇中得到溶液1，将1.1g十二烷基硫酸钠溶解于55mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止2.8h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在92℃烘箱内干燥5.2h；
步骤(2)将19g步骤(1)的产物超声分散于430mL二甲基亚砜中，然后加入1.6gN，N-羰基二咪唑，在55℃下持续搅拌活化处理4h，随后加入1g数均分子量6000乙烯基含量摩尔百分数3.9％苯基含量摩尔百分数1.2％的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷，在58℃下反应7.5h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干48h；
步骤(3)将80g的聚氯乙烯、12g碳酸钙、6g步骤(2)得到的功能化埃洛石、7.5g木粉、2.2g硬脂酸和3.8g环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，置入不锈钢模具中，在6.5MPa压力和167℃下模压成型14min后取出，将产物裁切成符合国标GB-T 1040.3-2006的样条进行拉伸强度测试，结果见表1。
表1 建筑塑料模板用高阻燃、高强度、低收缩复合材料的性能
实施例 拉伸强度/MPa 加热后尺寸变化率/％ 燃烧性能等级
1 52.35 0.04 ＞E
2 53.25 0.06 ＞E
3 57.43 -0.03 ＞E
4 54.78 0.05 ＞E
5 54.35 0.03 ＞E
6 55.89 -0.04 ＞E
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于建筑塑料模板的高阻燃、高强度、低收缩复合材料的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：
步骤(1)将5-20重量份的埃洛石超声分散于100-500mL无水乙醇中得到分散液1，再将2-4重量份钛酸丁酯溶解于100-200mL无水乙醇中得到溶液1，将1-2重量份十二烷基硫酸钠溶解于20-100mL蒸馏水中得到溶液2，将分散液1与溶液1混合，搅拌30min后，向其中逐滴滴入溶液2，静止2-4h，使用无水乙醇洗涤产物，至其中无钛酸丁酯后，再使用蒸馏水将产物洗至中性，在80-100℃烘箱内干燥4-6h；
步骤(2)将10-30重量份步骤(1)的产物超声分散于100-500mL二甲基亚砜中，然后加入0.1-2重量份N，N-羰基二咪唑，在50-70℃下持续搅拌活化处理1-5h，随后加入1-3重量份氨基封端聚硅氧烷，在50-70℃下反应3-8h后，将产物过滤，使用蒸馏水将产物洗涤至中性，在100℃鼓风干燥箱内烘干24-48h；
步骤(3)将50-100重量份的聚氯乙烯、5-30重量份碳酸钙、5-10重量份步骤(2)得到的功能化埃洛石、2-25重量份木粉、0.1-3重量份硬脂酸和0.5-10重量份环氧大豆油在密炼机内搅拌混合1h后，在5-10MPa压力和160-180℃下模压成型10-15min后取出。
2.根据权利要求1所述氨基封端聚硅氧烷为数均分子量5000-8000的氨基单封端的聚二甲基硅氧烷、数均分子量4000-6000的氨基双封端的聚二甲基硅氧烷、数均分子量4000-6000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5%的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷、数均分子量4000-6000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5%的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基硅氧烷、数均分子量5000-7000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5%苯基含量摩尔百分数0.1-2%的氨基单封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷和数均分子量5000-7000乙烯基含量摩尔百分数0.1-5%苯基含量摩尔百分数0.1-2%的氨基双封端的聚二甲基二乙烯基二苯基硅氧烷中的一种。
3.根据权利要求1所述通过步骤(1)和(2)制得的埃洛石表面同时拥有二氧化钛纳米粒子和聚硅氧烷大分子。
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