CN107141608B - 低voc、高强度、阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

低voc、高强度、阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料及制备方法，属阻燃复合材料技术领域。一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于按重量份数计其原料由下列组分组成：55～75份共聚聚丙烯、10～25份均聚聚丙烯、2～8份碳化钽、3～10份氢氧化钽、1～8份玻璃纤维、1～5份弹性体、0.1～0.5份偶联剂、0.1‑1.5份防滴落剂、0.1‑0.3份抗氧剂。本发明通过钽系填料粒径分布、长径比分布、比表面积分布的筛选，达到阻燃与有机挥发物吸收效果的统一，填料的表面刻蚀与处理，刚性母粒与增强母粒的制备，使得聚丙烯复合材料具有低VOC、UL‑94 V‑0级的阻燃效果、极佳的耐刮擦性、高刚性等优异的力学性能。

Description

低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料及制备方法，属阻燃复合材料技术领域。
背景技术
聚丙烯作为五大通用塑料之一应用非常广泛。但是聚丙烯具有致命的缺点，它的氧指数很低(17.4)，容易燃烧，且燃烧发热量大，产生大量熔滴，火焰传播速度快，不易熄灭。目前市场上的阻燃聚丙烯存在三大弊端。
1)含卤阻燃剂的添加，对人体及环境存在危害；
2)要达到V-0级阻燃效果，需添加阻燃剂20％以上，严重影响复合材料力学性能；
3)复合材料使用过程中有机挥发物不断挥发，危害人体健康。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料。
本发明的另一目的在于提供低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于按重量份数计其原料由下列组分组成：55～75份共聚聚丙烯、10～25份均聚聚丙烯、2～8份碳化钽、3～10份氢氧化钽、1～8份玻璃纤维、1～5份弹性体、0.1～0.5份偶联剂、0.1-1.5份防滴落剂、0.1-0.3份抗氧剂。
进一步的，所述碳化钽和氢氧化钽的重量之和占总重量的10％。。
进一步的，上述碳化钽的平均粒径为20～200纳米，比表面积12～38m2/g。
进一步的，氢氧化钽平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g。
进一步的，上述弹性体选自POE、SBS、SEBS中至少一种。
进一步的，上述偶联剂为硅烷偶联剂KH560(γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)。
进一步的，上述防滴落剂为聚四氟乙烯。
进一步的，上述抗氧剂为抗氧剂1010(四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。
一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用高锰酸钾溶液刻蚀,取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
进一步地，所述步骤1)中碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干。
本发明的有益效果是：1、通过钽系填料粒径分布、长径比分布、比表面积分布的筛选，达到阻燃与有机挥发物吸收效果的统一，填料的表面刻蚀与处理，刚性母粒与增强母粒的制备，使得聚丙烯复合材料具有低VOC、UL-94V-0级的阻燃效果、极佳的耐刮擦性、高刚性等优异的力学性能。2、10％钽系填料既吸收有机挥发物，又起到阻燃效果，同时提升复合材料的刚性，提高耐刮擦性。3、本发明制备的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料为绿色环保材料，能够通过注塑成型，实现复杂几何形状的产品，且制备工艺简单易行，可进行工业化生产，满足市场对聚丙烯的材料的苛刻要求。
具体实施方式
为便于对本发明的进一步理解，以下结合具体实施例对本发明做详细描述。
实施例1
低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计其原料由下列组分组成：66份共聚聚丙烯、16份均聚聚丙烯、4份碳化钽(平均粒径优选为20～200纳米，比表面积12～38m2/g)、6份氢氧化钽(平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g)、4份玻璃纤维、3份POE弹性体、0.3份硅烷偶联剂KH560、0.5份防滴落剂聚四氟乙烯、0.2份抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
制备方法如下：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合，混合25～30分钟，温度50～70℃；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
上述所有的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。
对上述制备的高导热绝缘阻燃尼龙复合材料进行性能测试，结果如表1所述。
实施例2
低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计其原料由下列组分组成：56份共聚聚丙烯、21份均聚聚丙烯、8份碳化钽(平均粒径优选为20～200纳米，比表面积12～38m2/g)、10份氢氧化钽(平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g)、1份玻璃纤维、3份SBS弹性体、0.3份硅烷偶联剂KH560、0.5份防滴落剂聚四氟乙烯、0.2份抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
制备方法如下：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合，混合25～30分钟，温度50～70℃；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
上述所有的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。
对上述制备的高导热绝缘阻燃尼龙复合材料进行性能测试，结果如表1所述。
实施例3
低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计其原料由下列组分组成：72份共聚聚丙烯、13份均聚聚丙烯、2份碳化钽(平均粒径优选为20～200纳米，比表面积12～38m2/g)、3份氢氧化钽(平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g)、6份玻璃纤维、3份SEBS弹性体、0.3份硅烷偶联剂KH560、0.5份防滴落剂聚四氟乙烯、0.2份抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
制备方法如下：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合，混合25～30分钟，温度50～70℃；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
上述所有的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。
对上述制备的高导热绝缘阻燃尼龙复合材料进行性能测试，结果如表1所述。
实施例4
低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计其原料由下列组分组成：69份共聚聚丙烯、12份均聚聚丙烯、8份碳化钽(平均粒径优选为20～200纳米，比表面积12～38m2/g)、3份氢氧化钽(平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g)、4份玻璃纤维、3份SEBS弹性体、0.3份硅烷偶联剂KH560、0.5份防滴落剂聚四氟乙烯、0.2份抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
制备方法如下：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合，混合25～30分钟，温度50～70℃；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
上述所有的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。
对上述制备的高导热绝缘阻燃尼龙复合材料进行性能测试，结果如表1所述。
实施例5
低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计其原料由下列组分组成：58份共聚聚丙烯、23份均聚聚丙烯、2份碳化钽(平均粒径优选为20～200纳米，比表面积12～38m2/g)、9份氢氧化钽(平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g)、4份玻璃纤维、3份SEBS弹性体、0.3份硅烷偶联剂KH560、0.5份防滴落剂聚四氟乙烯、0.2份抗氧剂四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
制备方法如下：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合，混合25～30分钟，温度50～70℃；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
上述所有的双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。
对上述制备的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料进行性能测试，结果如表1所述。
对上述实施例1～5中制备的样品进行各种性能测试的方法如下：
拉伸强度按GB/T1040-2006标准进行检验，拉伸速度为50mm/min；
弯曲强度和弯曲模量按GB/T9341-2008标准进行检验，试样尺寸(mm)：(80士2)×(10士0.2)×(4士0.2)，弯曲速度为2mm/min；
缺口冲击强度按GB/T1843-2008标准进行检验，试样尺寸(mm)：(80士2)×(10士0.2)×(4士0.2)，缺口底部半径(mm)0.25士0.05，缺口保留厚度(mm)8.0士0.2；
热变形温度按GB/T1634-2004标准进行检验，施加的弯曲应力1.8MPa；
燃烧性按UL94标准进行检验；
苯类、醛类等有机物浓度检测，按GB/T27630-2011标准进行测试；
耐刮擦按GMW14688方法进行测试，载荷6N；刮擦速度1000mm/min；刮擦头直径1mm；间距2mm；网格数19*19。
表1 各实施例制备的高导热绝缘阻燃尼龙复合材料的性能及对比
从表1中可看出，实施例1～5所制备的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料的阻燃级别均可达UL-94V-0级，具有高阻燃性，氢氧化钽在高温下释放出结晶水迅速阻断燃烧；高分子材料与玻璃纤维复合后，在使用过程中气味的散发非常强烈，我们通过钽系填料尺寸效应的配发，比表面积的配合，对有机挥发物充分吸收，散发四项测试数据均非常优秀；碳化钽的高刚性改善了复合材料耐刮擦性能，这在聚丙烯改性材料非常可贵。
钽系填料占总重量10％时，协同效果最优，既吸收有机挥发物，又起到阻燃效果，同时提升复合材料的刚性，提高耐刮擦性。

Claims (8)

1.一种低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于按重量份数计其原料由下列组分组成：55～75份共聚聚丙烯、10～25份均聚聚丙烯、2～8份碳化钽、3～10份氢氧化钽、1～8份玻璃纤维、1～5份弹性体、0.1～0.5份偶联剂、0.1-1.5份防滴落剂、0.1-0.3份抗氧剂，所述碳化钽的平均粒径为20～200纳米，比表面积12～38m2/g，所述氢氧化钽平均粒径为55～260微米，长径比为120:1～220:1，比表面积2～8m2/g。
2.根据权利要求1所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述碳化钽和氢氧化钽的重量之和占总重量的10％。
3.根据权利要求1或2所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述弹性体选自POE、SBS、SEBS中至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560。
5.根据权利要求1或2所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述防滴落剂为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1或2所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010。
7.根据权利要求1至6任一所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为碳化钽重量的0.15％；将碳化钽用高锰酸钾溶液刻蚀,取出烘干；将烘干的碳化钽用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡，挥发除去乙醇；
2)将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的碳化钽通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得刚性母粒；
3)将均聚聚丙烯与玻璃纤维通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；
4)将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为氢氧化钽、弹性体总重量的0.15％；将氢氧化钽、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合；
5)将刚性母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里混合；
6)将经步骤5)中得到的混合物料和防滴落剂、抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。
8.根据权利要求7所述的低VOC、高强度、阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中碳化钽用浓度35g/L高锰酸钾溶液，60℃刻蚀30分钟后取出烘干。
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