CN107236186A - 一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料及其制备方法，该聚丙烯材料按重量份数，由以下组分组成：聚丙烯树脂72.2‑95.8份；纳米二氧化硅1‑10份；空心玻璃微珠1‑15份；阻燃剂0.7‑1.7份；成核剂0.1‑0.5份；偶联剂0.2‑0.6份；抗氧剂0.1‑0.5份；润滑剂0.1‑0.5份。本发明通过先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理后，与阻燃剂复配使用，使得制备的聚丙烯材料质轻、表面硬度高、透明性好，产品性能优异，并符合UL94V‑2，同时，还能减小阻燃剂的用量，降低成本，可广泛应用于电熨斗、电吹风、吸尘器等产品。

Description

一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料改性领域，具体涉及一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯(PP)具有合成工艺简单、综合性能优良及价格相对低廉，同时又容易进行改性等特点，使得其改性新材料层出不穷。随着人类环保和安全意识的提高，特别是日用小家电类产品，对产品轻量化和阻燃特性的要求越来越高。另一方面，聚丙烯材料本身表面硬度不高，特别是阻燃材料由于阻燃剂的加入更加会降低材料表面硬度，造成制件在运输和使用的过程中易刮伤、擦伤的现象，从而影响电器的外壳美观性和使用寿命。另外，通体透明的家电产品可以让用户很方便地了解其内部构造和运作状况，在拆卸、维护时也很容易，且使用更方便，能更好地满足家庭的装饰效果。因此开发具有高表面硬度、耐刮擦性优异的透明阻燃聚丙烯材料具有广阔的市场前景，可广泛应用于电熨斗、电吹风、吸尘器等产品外壳。
纳米二氧化硅是一种无机化工材料，俗称白炭黑。由于是超细纳米级，尺寸范围在1～100nm，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，如具有对抗紫外线的光学性能，能提高其他材料抗老化、硬度和耐化学性能，同时对溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂有一定的协效作用。
中国发明专利CN103910933A公开了一种高硬度耐刮擦聚丙烯材料及其制备方法，通过添加以聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚丙烯接枝马来酸酐与苯乙烯马来酸酐共聚物混合而成的聚甲基丙烯酸甲酯组合物来改善聚丙烯材料表面硬度低的缺点，达到改善耐刮擦的效果，但聚丙烯与聚甲基丙烯酸甲酯组合物的相容性较差，制得的材料物理性能差。中国发明专利CN106432908A公开了一种透明阻燃聚丙烯及其制备方法，通过加入成核剂和阻燃剂来提高聚丙烯材料的透明性和阻燃性，但材料表面硬度欠佳，影响应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料及其制备方法，通过先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理后，与阻燃剂复配使用，使得制备的聚丙烯复合材料质轻、表面硬度高、透明性好，产品性能优异，并符合UL94V-2，同时，还能减小阻燃剂的用量，降低成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
本发明涉及一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，该材料包括以下组分及质量份数：
聚丙烯树脂72.2-95.8份，
纳米二氧化硅1-10份，
空心玻璃微珠1-15份，
阻燃剂0.7-1.7份，
成核剂0.1-0.5份，
偶联剂0.2-0.6份，
抗氧剂0.1-0.5份，
润滑剂0.1-0.5份。
进一步地，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯的一种或两种，其熔体流动速率在230℃，2.16kg条件下为2～50g/10min。
进一步地，所述纳米二氧化硅的粒径为1-100nm。
进一步地，所述空心玻璃微珠的粒径为10-250μm。
进一步地，所述阻燃剂为磷氮溴系阻燃剂，具体为溴季戊四醇磷酸酯类阻燃剂。
进一步地，所述成核剂为山梨醇类、有机磷酸盐类、有机羧酸盐类、支化酰胺类成核剂中的至少一种。
进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
进一步地，所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：(1-2)的复合物。
进一步地，所述润滑剂为硅油、白矿油、脂肪酸酰胺、硬脂酸钡、硬脂酸镁、石蜡、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酸酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种。
制备低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料的方法，包括以下步骤：
步骤一：先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理；
步骤二：按质量份数称取聚丙烯树脂、经偶联剂表面活化处理的纳米二氧化硅和空心玻璃微珠、阻燃剂、成核剂、抗氧剂和润滑剂，在高速混合机里混合1-3min，混合均匀后加入到平行双螺杆挤出机中，经过熔融挤出，然后造粒、冷却，得到低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料。
与现有技术相比，本发明先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理，纳米二氧化硅能大幅提高聚丙烯材料的硬度，空心玻璃微珠能使聚丙烯材料轻量化，并通过两者与溴季戊四醇磷酸酯类阻燃剂复配使用，使得制备的聚丙烯复合材料质轻、表面硬度高、透明性好，产品性能优异，并符合UL94V-2，同时，还能降低阻燃剂的用量，降低成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例对本发明做进一步的说明：
实施例1
一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法包括以下步骤：
步骤一：先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理；
步骤二：按质量份数称取聚丙烯树脂、经偶联剂表面活化处理的纳米二氧化硅和空心玻璃微珠、阻燃剂、成核剂、抗氧剂和润滑剂，在高速混合机里混合1-3min，混合均匀后加入到平行双螺杆挤出机中，经过熔融挤出，然后造粒、冷却，得到低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料。具体材料性能如表2所示。其中挤出机的转速为180～600转/分，各区温度为：一区160～180℃，二区190～220℃，三区190～220℃，四区190～220℃，五区190～220℃，六区190～220℃，七区190～220℃，八区190～220℃，机头210～240℃。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，纳米二氧化硅和空心玻璃微珠用硅烷偶联剂KH550进行表面活化处理，且纳米二氧化硅的粒径为50nm，空心玻璃微珠的粒径为150μm，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为1,3-2,4-二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:1的复合物，润滑剂为乙撑双硬脂酸酰胺。
实施例2
一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法同实施例1，具体材料性能如表2所示。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，纳米二氧化硅和空心玻璃微珠用硅烷偶联剂KH550进行表面活化处理，且纳米二氧化硅的粒径为50nm，空心玻璃微珠的粒径为150μm，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为1,3-2,4-二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:1的复合物，润滑剂为乙撑双硬脂酸酰胺。
实施例3
一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法同实施例1，具体材料性能如表2所示。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，纳米二氧化硅和空心玻璃微珠用硅烷偶联剂KH550进行表面活化处理，且纳米二氧化硅的粒径为50nm，空心玻璃微珠的粒径为150μm，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为1,3-2,4-二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:1的复合物，润滑剂为乙撑双硬脂酸酰胺。
实施例4
一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法同实施例1，具体材料性能如表2所示。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，纳米二氧化硅和空心玻璃微珠用硅烷偶联剂KH550进行表面活化处理，且纳米二氧化硅的粒径为50nm，空心玻璃微珠的粒径为150μm，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为1,3-2,4-二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:2的复合物，润滑剂为脂肪酸酰胺。
实施例5
一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法同实施例1，具体材料性能如表2所示。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，纳米二氧化硅和空心玻璃微珠用硅烷偶联剂KH550进行表面活化处理，且纳米二氧化硅的粒径为50nm，空心玻璃微珠的粒径为150μm，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为甲撑双(2,4-二叔丁基苯氧基)磷酸钠，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:1的复合物，润滑剂为乙撑双硬脂酸酰胺。
对比例
普通低密度透明阻燃聚丙烯材料，其原料配方如表1所示，其制备方法包括以下步骤：
按质量份数称取聚丙烯树脂、阻燃剂、成核剂、抗氧剂和润滑剂，在高速混合机里混合1-3min，混合均匀后加入到平行双螺杆挤出机中，经过熔融挤出，然后造粒、冷却，得到低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料。具体材料性能如表2所示。其中挤出机的转速为180～600转/分，各区温度为：一区160～180℃，二区190～220℃，三区190～220℃，四区190～220℃，五区190～220℃，六区190～220℃，七区190～220℃，八区190～220℃，机头210～240℃。
其中，聚丙烯树脂为均聚PP，其熔体流动速率(230℃/2.16kg)为25g/10min，阻燃剂为溴季戊四醇膦酸酯类阻燃剂，成核剂为1,3-2,4-二(3,4-二甲基苄叉)山梨醇，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1:1的复合物，润滑剂为乙撑双硬脂酸酰胺。
表1实施例和对比例的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料的原料配方(按质量份数)
组份 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例
聚丙烯树脂 91.5 87.7 83.1 95.8 72.2 97.3
纳米二氧化硅 1.0 5.0 10.0 1.0 10.0 /
空心玻璃微珠 5.0 5.0 5.0 1.0 15.0 /
阻燃剂 1.5 1.3 0.9 1.7 0.7 2.1
成核剂 0.2 0.2 0.2 0.1 0.5 0.2
偶联剂 0.3 0.3 0.3 0.2 0.6 /
抗氧剂 0.2 0.2 0.2 0.1 0.5 0.2
润滑剂 0.3 0.3 0.3 0.1 0.5 0.3
表2实施例和对比例的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料性能
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例
密度(g/cm3) 0.94 0.96 0.99 0.93 1.05 0.92
拉伸强度(MPa) 33.6 34.2 34.8 33.1 35.0 32.5
弯曲模量(MPa) 1682 1745 1908 1575 2136 1564
IZOD缺口冲击强度(KJ/m2) 4.5 4.3 3.9 4.7 3.5 4.2
阻燃UL94 2.0mm(Class) V-2 V-2 V-2 V-2 V-2 V-2
表面洛氏硬度 97.8 98.6 101.4 97.2 102.3 91.5
透光率(％) 74.5 73.3 71.9 74.8 70.2 66.5
由表2的实施例与对比例可以看出纳米二氧化硅和空心玻璃微珠的加入，对聚丙烯材料的阻燃效果有明显的协效作用，从而可降低阻燃剂的用量，且表面洛氏硬度也随纳米二氧化硅的增加而增大，同时，当纳米二氧化硅和空心玻璃微珠的总填充量达25％时，制备的聚丙烯材料密度1.05，相比其他填料更具有轻量化优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，该材料包括以下组分及质量份数：
聚丙烯树脂72.2-95.8份，
纳米二氧化硅1-10份，
空心玻璃微珠1-15份，
阻燃剂0.7-1.7份，
成核剂0.1-0.5份，
偶联剂0.2-0.6份，
抗氧剂0.1-0.5份，
润滑剂0.1-0.5份。
2.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯的一种或两种，其熔体流动速率在230℃，2.16kg条件下为2~50g/10min。
3.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅的粒径为1-100nm。
4.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述空心玻璃微珠的粒径为10-250μm。
5.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述阻燃剂为磷氮溴系阻燃剂。
6.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述成核剂为山梨醇类、有机磷酸盐类、有机羧酸盐类、支化酰胺类成核剂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
8.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述抗氧剂为四[β-（3,5-二叔丁基4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三（2,4-二叔丁基苯基）酯按重量比1：（1-2）的复合物。
9.根据权利要求1所述的低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料，其特征在于，所述润滑剂为硅油、白矿油、脂肪酸酰胺、硬脂酸钡、硬脂酸镁、石蜡、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酸酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的至少一种。
10.一种制备权利要求1~9任一项所述的聚丙烯复合材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：先用偶联剂对纳米二氧化硅和空心玻璃微珠进行表面活化处理；
步骤二：按质量份数称取聚丙烯树脂、经偶联剂表面活化处理的纳米二氧化硅和空心玻璃微珠、阻燃剂、成核剂、抗氧剂和润滑剂，在高速混合机里混合1-3min，混合均匀后加入到平行双螺杆挤出机中，经过熔融挤出，然后造粒、冷却，得到低密度加硬透明阻燃聚丙烯材料。
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