CN105061811B - 一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法 - Google Patents

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本发明公开一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法,具体工艺步骤为:(1)将超细水洗高岭土在600~900℃下煅烧1~2h,得到煅烧高岭土;(2)用三聚氰胺对聚磷酸铵进行表面改性,改性温度100~250℃,改性时间1~2h,三聚氰胺的用量为聚磷酸铵质量的5%~25%,得到改性聚磷酸铵;(3)将煅烧高岭土和改性聚磷酸铵按质量比1:2~6进行混合,然后使用改性剂进行复合表面改性,改性温度60~120℃,改性时间15~60min,改性剂的用量为煅烧高岭土和改性聚磷酸铵总质量的0.5%~3%,得到聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。本发明能够显著降低聚磷酸铵的水溶解度和吸湿性,提升聚磷酸铵填充高分子材料制品的抗渗析性能。

Description

一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法,属于非金属矿物深加工材料和无卤阻燃材料领域。
背景技术
目前世界阻燃剂开发领域呈现出非卤化、复合化、无害或低害化和低烟化的趋势。聚磷酸铵(APP)是一种性能优良的阻燃剂。聚磷酸铵的含磷量和含氮量都很高,它们之间又存在P-N协同效应,具有高的阻燃效能,而且热稳定性好(分解温度高于250℃,在约750℃下完全分解),在水中溶解度不大,发烟量不大,毒性小(LD50>10g/kg),产品近于中性,能与许多其他阻燃剂进行复配提高材料的阻燃性,被誉为新型“环保型阻燃剂”。
渗析性也称渗透性,它是指气体或液体透过塑料制品的能力。它关系到添加聚磷酸铵的高分子制品的性能,特别是阻燃和电绝缘性能。在高相对湿度条件下,水蒸气渗入APP阻燃剂内,使体相内APP溶解而向外迁移,造成高分子材料起“白霜”和材料的阻燃性不耐久等问题。渗析性与相容性和分散性有密切关系。通常两种物质间有亲和力,则相容性好,它们之间容易分散。高分子材料基材通常为有机聚合物,APP为无机物,它们间相容性差,APP不易在基材内分散。机械分散的结果是,APP粉末易在材料局部处形成团块,不仅使材料力学性能下降,而且由于它们间无亲和力,阻燃剂易从材料内部迁移至表面,引起表面“返霜”,使阻燃性能逐渐下降。所以在实际应用中常常是把两种或两种以上阻燃剂复配在一起,制成复合阻燃剂使用,使它们相互增效,取长补短,从而达到降低阻燃剂的用量,提高材料阻燃性能、加工性能和力学性能的目的。但当前聚磷酸铵阻燃剂的复合或复配大都是与三聚氰胺、季戊四醇组合成膨胀阻燃体系(IFR),虽然阻燃体系具有良好的协同阻燃效应,但对于渗析性的改善却不明显。
高岭土也称陶土、瓷土、白土或水合硅酸铝,是一种水合铝硅酸盐矿物。其白度高,化学性质稳定,在大多数塑料中易分散。经高温煅烧后可得煅烧高 岭土,具有白度高、容重小、比表面积和孔体积大,吸油性、遮盖性和耐磨性好、绝缘性和热稳定性高等特性。高岭土粉体经过表面改性后,能达到疏水、降低表面能、改善分散性和与高聚物基料的相容性。
目前针对聚磷酸铵渗析性的解决方法不多,主要有以下几种:
(1)三聚氰胺改性。日本学者MasuoIwata提出,活化三聚氰胺涂布聚磷酸铵或者其后进行交联,所得产物可用于热固性树脂的阻燃剂。测试热水浸泡前后的表面电阻值,判断抗渗析性的好坏。结果表明用三聚氰胺涂布聚磷酸铵配制成的热固性材料阻燃剂,具有一定的抗渗析性。但在实际应用中,将表面活化涂布三聚氰胺的聚磷酸铵产品应用于热塑性聚合物时,特别是当它的模塑制品用于高温和高相对湿度的环境中,依然会发生渗析现象(聚磷酸铵迁移至制品的表面),导致表面电阻降低,阻燃性逐渐消失。
(2)微胶囊化。微胶囊制法很多,有化学法、物理化学法和机械法之分。化学法中常用的有界面聚合法、原位聚合法等;物理化学法有凝聚法、熔化分散法等;机械法中常用的有喷雾干燥法、真空蒸发沉积法、空气悬浮成膜法、静电结合法等。聚磷酸铵阻燃剂微胶囊化后可以提高其热稳定性及强度;同时提高与有机基材间的相容性,从而使材料力学性能下降的问题得到改善,能在一定程度上改善其渗析性。但微胶囊化存在的主要问题是,聚磷酸铵为无机物,不易被树脂均匀地涂布和微胶囊化;同时微胶囊化过程中,聚磷酸铵颗粒若浸泡于水剂树脂中将发生局部水解,使APP的聚合度降低,从而增加其水溶性;处理后的APP易结块,若再次进行粉碎解聚,易使部分微胶囊化表面遭受破坏。所以这种改性处理对于改善聚磷酸铵的渗析性效果不理想。
发明内容
针对聚磷酸铵实际应用中存在的渗析性缺陷及目前解决该问题的技术方案的不足,本发明提出以聚磷酸铵和高岭土为原料,将改性聚磷酸铵与煅烧高岭土进行复合与表面改性处理,得到一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。借助高岭土的复合抑制聚磷酸铵向制品表面迁移,加之表面改性技术,进一步提高复合阻燃剂的疏水性,增强与基料的相容性,从而在确保制品具有良好阻燃性的同时,显著提高制品的抗渗析性。
本发明的技术方案是:首先将煅烧后的超细水洗高岭土和经过三聚氰胺改 性后的聚磷酸铵进行复合,然后采用有机改性剂对复合产物进行表面改性,得到聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。其工艺步骤为:
(1)将粒度D97<10μm的超细水洗高岭土在600-900℃煅烧1~2h,得到煅烧高岭土;
(2)用三聚氰胺对聚磷酸铵进行表面改性,改性温度为100~250℃,改性时间1~2h。三聚氰胺用量为聚磷酸铵质量的5%~25%,得到改性聚磷酸铵;
(3)将煅烧高岭土和改性聚磷酸铵按质量比1:2~6进行均匀混合后进行复合表面改性,得到聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
步骤(3)表面改性中所用的改性剂为二甲基硅油、羟基硅油、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,改性剂用量为改性聚磷酸铵与煅烧高岭土总质量的0.5%~3%;改性温度60~120℃,改性时间15~60min。
本发明中将聚磷酸铵和高岭土进行复合表面改性处理后,能够有效降低聚磷酸铵粉体的水溶解度和吸湿性,显著提升聚磷酸铵制品的抗渗析性能。制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂具有粒径D97≤10μm,白度大于85,接触角大于70°等特点,添加到高分子基阻燃材料制品中,“反霜”现象基本消失。采用本发明技术方案制得的聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂能与EVA等塑料基材进行熔融混合,具有在聚合物基材中分散性及与基材相容性好、不向材料表面迁移渗析的特点,阻燃材料制品表面光洁,阻燃性能良好,燃烧后无熔融滴落,烟气释放量小,且材料的力学性能基本不受影响,同时还能表现出良好的电绝缘性能。应用于EVA电缆料,按重量份,100份EVA中复合阻燃剂的用量为30-80份,主要性能指标:阻燃等级V-0、氧指数≥26、断裂伸长率≥400%;而且还具有使用方便、可加工性好、污染小、成本低等优点。
具体实施方式
实施例1:
取粒度D97<10μm的超细水洗高岭土80g在800℃下于马弗炉中煅烧时间1.5h,得到煅烧高岭土;取聚磷酸铵200g,用30g三聚氰胺在200℃对其进行表面改性,改性时间1.5h,得到改性聚磷酸铵;将煅烧高岭土50g和改性聚磷酸 铵150g进行均匀混合后,在105℃下加入3g二甲基硅油进行表面改性,改性时间30min,制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
将制取的聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂添加到EVA电缆料中制成阻燃护套料样品,配方为:复合阻燃剂45份,EVA50份,抗氧剂、相容剂、润滑剂、色母共5份。并按下述方法和标准分别测试护套料样板样品的渗析率及氧指数变化率性能指标来表征其渗析性,结果列于表1。
渗析率的测定原理是在高温水浴条件下,测定含有聚磷酸铵阻燃剂的阻燃护套料样品的失重率,以质量变化百分比评价制品中的聚磷酸铵阻燃剂在高温高湿条件下的渗析程度,从而定量表征其渗析性。具体实验方法如下:将阻燃护套料样品制成60mm×60mm×1mm样片。把烘干后的样片冷却到室温称重,将数据记录为W1;然后把样片放入恒温70℃水浴中,浸泡30min后取出,再放入常温蒸馏水中降温,10min后取出,放至70℃烘箱中烘至恒重,记录数据为W2,渗析率Wx通过式(1)进行计算。
WX=(W1-W2)/W1×100% (1)
式中W1——样片的初始质量,g
W2——渗析测试后样片质量,g
氧指数变化率反映的是渗析性对聚磷酸铵制品阻燃性能的影响,以热水浸泡前后制品的氧指数的变化来评价聚磷酸铵阻燃剂的抗流失程度,变化率越小,证明流失程度也越小,制品的抗渗析性能就越好。具体实验方法如下:将阻燃护套料样品制成样条并分为两组,一组按国标GB2406-80测得制品的氧指数L1,另一组用80℃蒸馏水浸泡4h后,在80℃条件下烘干后按国标GB2406-80测得氧指数L2,氧指数变化率Lx按式(2)进行计算。
Lx=(L1-L2)/L1×100% (2)
式中L1——原样氧指数,%
L2——浸泡组氧指数,%
实施例2:
取粒度D97<10μm的超细水洗高岭土60g在900℃下于马弗炉中煅烧时间1h,得到煅烧高岭土;取聚磷酸铵200g,用10g三聚氰胺在150℃对其进行表面改性,改性时间1.5h,得到改性聚磷酸铵;将煅烧高岭土40g和改性聚磷酸铵160g进行均匀混合后,在120℃下加入4g羟基硅油进行表面改性,改性时间30min,制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
阻燃护套料样品的制作和性能测定方法与实施例1相同。
护套料样品的渗析率及氧指数变化率性能指标测定结果列于表1。
实施例3:
取粒度D97<10μm的超细水洗高岭土50g在600℃下于马弗炉中煅烧时间1.5h,得到煅烧高岭土;取聚磷酸铵200g,用40g三聚氰胺在120℃对其进行表面改性,改性时间1h,得到改性聚磷酸铵;将煅烧高岭土25g和改性聚磷酸铵125g进行均匀混合后,在80℃下加入3gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷进行表面改性,改性时间30min,制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
阻燃护套料样品的制作和性能测定方法与实施例1相同。
护套料样品的渗析率及氧指数变化率的性能指标测定结果列于表1。
实施例4:
取粒度D97<10μm的超细水洗高岭土60g在800℃下于马弗炉中煅烧时间1.5h,得到煅烧高岭土;取聚磷酸铵200g,用50g三聚氰胺在120℃对其进行表面改性,改性时间2h,得到改性聚磷酸铵;将煅烧高岭土40g和改性聚磷酸铵200g进行均匀混合后,在80℃下加入5gγ-氨丙基三乙氧基硅烷进行表面改性,改性时间60min,制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
阻燃护套料样品的制作和性能测定方法与实施例1相同。
护套料样品的渗析率及氧指数变化率性能指标测定结果列于表1。
实施例5:
取粒度D97<10μm的超细水洗高岭土120g在800℃下于马弗炉中煅烧时间2h,得到煅烧高岭土;取聚磷酸铵200g,用20g三聚氰胺在220℃对其进行表面改性,改性时间1.5h,得到改性聚磷酸铵;将煅烧高岭土100g和改性聚磷酸 铵200g进行均匀混合后,加入6g二甲基硅油进行表面改性,制得聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
阻燃护套料样品的制作和性能测定方法与实施例1相同。
护套料样品的渗析率及氧指数变化率的性能指标测定结果列于表1。
表1
最后需要说明的是,上面虽然结合实施例对本发明做了详细的说明,但是,所属技术领域的技术人员能够理解,在不脱离本发明宗旨的前提下,在权利要求保护范围内,还可以对上述实施例进行变更和改变等。

Claims (2)

1.一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法,其工艺步骤为:
(1)将粒度D97<10μm的超细水洗高岭土在600~900℃煅烧1~2h,得到煅烧高岭土;
(2)用三聚氰胺对聚磷酸铵进行表面改性,改性温度为100~250℃,改性时间1~2h,三聚氰胺用量为聚磷酸铵质量的5%~25%,得到改性聚磷酸铵;
(3)将煅烧高岭土和改性聚磷酸铵按质量比1:2~6进行均匀混合后进行复合表面改性,得到聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的一种聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述改性剂为二甲基硅油、羟基硅油、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷,改性剂用量为聚磷酸铵/高岭土复合阻燃剂质量的0.5%~3%;改性温度60~120℃,改性时间15~60min。
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