CN105585776B - 一种微波阻燃聚烯烃发泡材料及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微波阻燃聚烯烃发泡材料及其制作方法。其包括以下组成成分，聚烯烃树脂、发泡剂、阻燃剂、发泡助剂、加工助剂，所述发泡烃材料的拉伸强度为300‑700Kpa，表观密度为20‑50kg/m3，氧指数为30%‑40%。其制备依次包括以下步骤：（1）、碳纳米管预处理；（2）、将物料按比例加入捏合机捏合；（3）、将捏合均匀的物料加入单螺杆挤出机挤出片材；（4）、对挤出的片材进行压延、牵引；（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热；（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡；（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。本发明聚烯烃发泡材料加热效率高、发泡均匀、阻燃性能好。

Description

一种微波阻燃聚烯烃发泡材料及其制作方法
技术领域
本发明涉及聚烯烃发泡材料及其制作方法，尤其涉及一种微波阻燃聚烯烃发泡材料及其制作方法。
背景技术
聚烯烃类阻燃发泡材料应用范围广泛，具有良好的物理、化学和力学性能，其韧性、 挠曲性和缓冲性能良好，并且具有电绝缘、隔热等性质，广泛应用于包装、化工、 建筑等领域。目前制备阻燃聚烯烃发泡材料均采用常规加热，在常规加热中，设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占据较大的比例。在微波加热中，绝大部分微波能量被介质材料吸收升温，形成了微波能量利用高效率的特性。与常规加热方式相比，微波加热速率快，发泡均匀。
而且，目前市场上聚烯烃类阻燃塑料基本采用卤系阻燃剂，它以其添加量少、阻燃效果显著而在阻燃领域中占有重要地位。然而卤系阻燃剂由于发烟量大，燃烧后释放出来具有高腐蚀性的气体，对环境破坏大。专利号CN104072850A公开了一种聚烯烃发泡材料的制备方法，该制备方法中加入木粉，但是该方法加热温度不好控制，加热效率不高，而且木粉容易燃烧，在使用中存在安全隐患。因此市场上急需一种加热效率高、阻燃性能好的聚烯烃发泡材料。
本发明采用在原料中加入碳纳米管同时使用微波加热制得的聚烯烃发泡材料发泡均匀、阻燃性能好。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种加热效率高阻燃性能好的聚烯烃发泡材料。
本发明的目的之二是提供一种加热效率高阻燃性能好的聚烯烃发泡材料及其制作方法。
本发明的第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，包括以下组成成分，各组份按重量份数计为：
聚烯烃树脂 30～60份；
发泡剂 4～15份； 交联剂 6～9份；
阻燃剂 0.1～1份； 发泡助剂 0.1～1.5份； 加工助剂 0～5份；
所述阻燃剂为碳纳米管，所述微波发泡聚烯烃材料的拉伸强度为300-700Kpa，表观密度为20-50kg/m3，氧指数为：30%-40%。
碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，长度可达数微米。碳纳米管的加入可以显著降低高分子材料燃烧时的热释放速率和烟密度，延缓其燃烧过程，还能不同程度地提高材料的力学性能。
氧指数是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。以氧所占的体积百分数的数值来表示。 氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧。
作为优选，所述聚烯烃树脂为低密度聚乙烯、乙烯-醋酸共聚物、聚苯乙烯、聚丙烯中的一种或几种混合物。
作为优选，所述发泡剂为碳酸盐、偶氮二碳酰胺、异氰酸酯中的一种或几
种的混合物；所述交联剂为过氧化物交联剂、硅烷交联剂、醌类交联剂、多元
胺交联剂中的一种或几种的混合物；所述发泡助剂为硬脂酸、草酸、硬脂酸锌、
硬脂酸钡、氧化锌、氧化钡中的一种或几种的混合物。
作为优选，所述加工助剂为硬脂酸锌、抗静电剂、抗氧化剂、增塑剂等中
的一种或几种混合物。
本发明的第二技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
（1）、碳纳米管预处理：将碳纳米管于酸性条件下回流处理；
（2）、将聚烯烃树脂、发泡剂、预处理的碳纳米管、交联剂、发泡助剂、色母料、加工助剂按比例加入捏合机；
（3）、将捏合均匀的物料加入单螺杆挤出机挤出片材；
（4）、对挤出的片材进行压延、牵引；
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热；
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡；
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。
碳纳米管作为一种纳米材料，具有较高的比表面积而极易团聚，在聚合物材料中很难均匀分散，而且二者的界面相互作用力很弱，致使其在复合材料中难以发挥出阻燃、增强等效果。 因此，有必要对碳纳米管进行表面改性，以改善其在聚合物基体中的分散性，从而最大限度提高其阻燃、增强功能。
作为优选，所述步骤（1）中所用酸为硫酸、硝酸中的一种或两种混合物，
处理条件为温度100-120℃，时间为6-10h。
经酸处理后的碳纳米管表面生成羰基或羧基，这些基团的亲水性很强，可以提高碳纳米管在材料中的分散性，增加发泡材料的阻燃性能。
作为优选，所述步骤（2）中所述捏合机设定温度为105-140℃，时间为
10-15min 。
作为优选，所述步骤（3）中单螺杆挤出机机筒依次设置3个加热区间，每
个加热区间的加热温度分别为125-130℃、135-140℃、130-125℃，所
述单螺杆挤出机的转速为30-40r/min。
单螺杆挤出机机筒挤压片材分为加料段、熔化段、计量段3个加热区间，一
般采用控制温度逐步升高的控制方法，物料在加料段应处于未融化的固体状态
以利于达到固体输送的能力，如果物料过早融化，阻止物料向前移动，形不成
固体塞的输送能力，挤出机挤不出料，长时间会造成原料分解。
作为优选，所述步骤（5）中依次设置3个预热区，预热温度分别为80-90℃、
100-110℃、120-130℃，所述步骤（6）中依次设置3个加热区，3个加热区的温度分别为130-140℃、150-160℃、170-180℃。
聚烯烃发泡时水平炉主要提供聚烯烃片材的预热，通过设置不同温度的区间预热以后，使达到垂直发泡炉的聚烯烃母片具有一定的温度，有利于发泡的进行，提高发泡质量。垂直发泡炉设置3个分段加热区，加热均匀，有利于发泡剂充分发泡，发泡均匀，提高材料的性能。
作为优选，所述3个加热区总长度为3-6m，所述片材以1-3m/min的速率经
过所述加热区。
本发明的优点是：
1.目前制备聚烯烃发泡材料均采用常规加热，在常规加热中，设备预热、辐射热损失和高温介质热损失在总的能耗中占据较大的比例。在微波加热中，绝大部分微波能量被介质材料吸收升温，形成了微波能量利用高效率的特性。与传统的加热方式相比，微波加热速率快，发泡均匀。
2.采用碳纳米管作为阻燃剂大大提高聚烯烃发泡材料的阻燃性能。碳纳米管的加入即能显著降低高分子材料燃烧时的热释放速率和烟密度，延缓其燃烧还能不同程度地提高材料的力学性能。
3.碳纳米管比表面能大，很容易发生团聚，采用硝酸或硫酸对碳纳米管进行回流处理，处理后的碳纳米管表面生成羰基或羧基，这些基团的亲水性很强，可以提高碳纳米管在材料中的分散性，增加发泡材料的阻燃性能。
具体实施方式
实施例一
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，依次包括以下步骤：（1）、碳纳米管预处理：称取0.1g碳纳米管于硝酸中回流处理，回流温度为100℃，时间为6h，回流后将碳纳米管用清水洗涤至pH为中性。酸化处理后碳纳米管的长径变短，分散性变好。
（2）、将组成为：
聚丙烯 60份；
偶氮二碳酰胺 15份；硅烷交联剂 9份；
碳纳米管 1份；
硬脂酸 0.8份；
硬脂酸锌 2.5份；
加入捏合机中捏合，捏合温度为125℃，时间为12min 。
（3）、将捏合后的原料，加入单螺杆挤出机挤出片材，螺杆转速35r/min，3个加热温度分别为125℃、135℃、130℃。
（4）、 对挤出的片材进行压延、牵引。
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热，片材在3个预热区的温度分别为
80℃、100℃、120℃。
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡，3个发泡加热区的温度分别
为 130℃、150℃、170℃，3个加热区的发泡炉长度为3m，片材以1m/min的
速率经过微波加热区。
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。得到的发泡材料的拉伸
强度为320Kpa，表观密度为25kg/m3，氧指数为：31%。
实施例二
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，依次包括以下步骤：（1）、碳纳米管预处理：称取0.5g碳纳米管于硫酸中回流处理，回流温度为120℃，时间为8h，回流后将碳纳米管用清水洗涤至pH为中性。酸化处理后碳纳米管的长径变短，分散性变好。
（2）、将组成为：
低密度聚乙烯 45份；
偶氮二碳酰胺 4份；
过氧化物交联剂交联剂 6份；
碳纳米管 0.1份；
硬脂酸 0.1份；
硬脂酸锌 1份；
加入捏合机中捏合，捏合温度为105℃，时间为10min ；
（3）、将捏合后的原料，加入单螺杆挤出机挤出片材，螺杆转速30r/min，3个加热温度分别为127℃、138℃、128℃。
（4）、对挤出的片材进行压延、牵引。
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热，片材在3个预热区的温度分别为
85℃、105℃、125℃。
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡，3个发泡加热区的温度分别
为 135℃、155℃、175℃，3个加热区的发泡炉长度为4m，片材以2m/min的
速率经过所述加热区。
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。得到的发泡材料的拉伸
强度为500Kpa，表观密度为35kg/m3，氧指数为：34%。
实施例三
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，依次包括以下步骤：（1）、碳纳米管预处理：称取1g碳纳米管于硝酸与硫酸混酸中回流处理，回流温度为120℃，时间为10h，回流后将碳纳米管用清水洗涤至pH为中性。酸化处理后碳纳米管的长径变短，分散性变好。
（2）、将组成为：
低密度聚乙烯 45份；
异氰酸酯 4份；
过氧化物交联剂交联剂 6份；
碳纳米管 1份；
草酸 1.5份；
抗静电剂 5份；
加入捏合机中捏合，捏合温度为140℃，时间为15min 。
（3）、将捏合后的原料，加入单螺杆挤出机挤出片材，螺杆转速40r/min，3个加热区间的温度分别为130℃、140℃、125℃。
（4）、对挤出的片材进行压延、牵引。
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热，片材在3个预热区的温度分别为90℃、110℃、130℃。
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡，3个发泡加热区的温度分别
为 140℃、160℃、180℃，3个加热区的发泡炉长度为5m，片材以3m/min的
速率经过所述加热区。
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。得到的发泡材料的拉伸
强度为650Kpa，表观密度为48kg/m3，氧指数为：38%。
实施例四
一种微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，依次包括以下步骤：（1）、碳纳米管预处理：称取0.8g碳纳米管于硝酸与硫酸混酸中回流处理，回流温度为120℃，时间为10h，回流后将碳纳米管用清水洗涤至pH为中性。酸化处理后碳纳米管的长径变短，分散性变好。
（2）、将组成为：
乙烯-醋酸共聚物 50份；
碳酸钠 10份；
多元胺交联剂 9份；
碳纳米管 0.8份；
氧化锌 1份；
抗氧化剂 3份；
加入捏合机中捏合，捏合温度为120℃，时间为10min ；
（3）、将捏合后的原料，加入单螺杆挤出机挤出片材，螺杆转速38r/min，3个加热区间的温度分别为125℃、138℃、126℃。
（4）、对挤出的片材进行压延、牵引。
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热，片材在3个预热区的温度分别为90℃、105℃、130℃。
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡，3个发泡加热区的温度分别
为 140℃、155℃、175℃，3个加热区的发泡炉长度为4.5m，片材以1.5m/min
的速率经过所述加热区。
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料。得到的发泡材料的拉伸
强度为550Kpa，表观密度为40kg/m3，氧指数为：36%。
对比实施例一
同实施例一，区别在于所用原料中不加碳纳米管，最终得到发泡材料的拉伸强度为230Kpa，表观密度为13kg/m3，氧指数为：23%。
对比实施例二
同实施例二，区别在于使用常规加热，最终得到发泡材料的拉伸强度为280Kpa，表观密度为16kg/m3，氧指数为：25%。
对比实施例三
同实施例三，区别在于所用碳纳米管不经过预处理，最终得到发泡材料的拉伸强度为290Kpa，表观密度为18kg/m3，氧指数为：28%。
对比实施例四
同对比实施例四，区别在于所用原料中重量份数为：
乙烯-醋酸共聚物 20份；
碳酸钠 2份； 多元胺交联剂 5份；
碳纳米管 0.05份；
氧化锌 1.6份； 抗氧化剂 6份；
最终得到发泡材料的拉伸强度为240Kpa，表观密度为14kg/m3，氧指数为：27%。
下表1为实施例和对比实施例在不同实验条件下，相关性能参数对比。
表1 聚烯烃发泡材料的性能参数
从表1中可以看出，本发明实施例和对比实施例的对比说明，加碳纳米管后聚烯烃发泡材料的表观密度、拉伸强度、氧指数均变大，说明聚烯烃发泡材料抗拉强度变好，阻燃性能变好。同时碳纳米管经过预处理后得到的聚烯烃发泡材料，各项性能均优于没有经过处理得到的发泡材料。对比使用常规加热和微波加热，微波加热得到的聚烯烃发泡材料性能优于常规加热得到的聚烯烃发泡材料。因此要制备加热效率高、阻燃性能好的聚烯烃发泡材料，需要对碳纳米管预处理、特定的原料配比和特定的微波加热温度，否则，制备的聚烯烃发泡材料阻燃性能不高。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，其特征在于：所述微波阻燃聚烯烃发泡材料包括以下组成成分，各组份按重量份数计为：
聚烯烃树脂 30～60份；
发泡剂 4～15份； 交联剂 6～9份；
阻燃剂 0.1～1份； 发泡助剂 0.1～1.5份； 加工助剂 0～5份；
所述阻燃剂为碳纳米管，所述微波阻燃聚烯烃发泡材料的拉伸强度为300-700KPa，表观密度为20-50kg/m3，氧指数为：30%-40%；
微波阻燃聚烯烃发泡材料的制作方法，依次包括以下步骤：
（1）、碳纳米管预处理：将碳纳米管于酸性条件下回流处理；
（2）、将聚烯烃树脂、发泡剂、预处理的碳纳米管、交联剂、发泡助剂、色母料、加工助剂按比例加入捏合机；
（3）、将捏合均匀的物料加入单螺杆挤出机挤出片材；
（4）、对挤出的片材进行压延、牵引；
（5）、经牵引后的片材送入水平微波炉预热；
（6）、预热好的片材送入垂直微波发泡炉中发泡；
（7）、物料发泡后经冷却、收卷制得聚烯烃发泡材料；
所述步骤（1）中所用酸为硫酸、硝酸中的一种或两种混合物，回流温度为100-120℃，时间为6-10h；
所述步骤（3）中单螺杆挤出机机筒依次设置3个加热区间，每个加热区间的加热温度分别为125-130℃、135-140℃、130-125℃，所述单螺杆挤出机的转速为30-40r/min；
所述步骤（5）中依次设置3个预热区，预热温度分别为80-90℃、100-110℃、120-130℃，所述步骤（6）中依次设置3个加热区，3个加热区的温度分别为130-140℃、150-160℃、170-180℃；
所述加工助剂为硬脂酸锌、抗静电剂、抗氧化剂、增塑剂中的一种或几种混合物。
2.根据权利要求1所述的一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，其特征在于：所述聚烯烃树脂为低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯中的一种或几种混合物。
3.根据权利要求1所述的一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，其特征在于：所述发泡剂为碳酸盐、偶氮二碳酰胺、异氰酸酯中的一种或几种的混合物；所述交联剂为过氧化物交联剂、硅烷交联剂、醌类交联剂、多元胺交联剂中的一种或几种的混合物；所述发泡助剂为硬脂酸、草酸、硬脂酸锌、硬脂酸钡、氧化锌、氧化钡中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，其特征在于：所述步骤（2）中所述捏合机设定温度为105-140℃，捏合时间为10-15min 。
5.根据权利要求1所述的一种微波阻燃聚烯烃发泡材料，其特征在于：所述3个加热区总长度为3-6m，所述片材以1-3m/min的速率经过所述加热区。
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