CN108467536A - 一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法 - Google Patents

一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，该方法采用两步式分步熔融共混的方式，可调控膨胀阻燃剂均匀的分布于聚乙烯/尼龙6共混物中的尼龙6相畴中，从而大大提高了共混物的阻燃性能。与现有技术中的一步法加工方法相比，本发明的分步式加工方法制备得到的聚乙烯/尼龙6共混物的极限氧指数可提高15.6%‑21.5%，且共混物的阻燃级别可由不能通过垂直燃烧提高到V‑1级以上，从而大大提高了其应用价值。解决了现有技术中聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性能和增容效率不能同时兼顾的技术问题。

Description

一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料的制备技术领域，具体的说是一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法。
背景技术
将不同种类的高分子材料进行共混，制备高分子合金，是改善高分子材料性能的常用手段。将少量尼龙6与聚乙烯共混，可改善聚乙烯耐热性差、高温易蠕变、力学强度低等缺陷。然而，由于聚乙烯和尼龙6相容性差，需添加一定量的增溶剂，提高两者相容性，才能达到利用尼龙改性聚乙烯性能的目的。
聚乙烯和尼龙6都属于易燃的高分子材料，高温受热会降解成低分子量物质，极易传播火焰，引发火灾，使得聚乙烯/尼龙6共混物在许多领域的应用受到限制。为了提高该共混物的阻燃性能，可通过添加一定量的阻燃剂实现。阻燃剂包括含卤阻燃剂及无卤阻燃剂。由于卤素阻燃剂在燃烧时会生成大量的烟和有毒且具有腐蚀性的气体，对人体呼吸道和其他器官造成严重伤害，导致火场的二次危害，故许多场所已限制了卤素阻燃剂的应用。膨胀阻燃剂属于无卤阻燃剂，具有低烟、低毒的特色，已在诸多高分子材料中得到应用。然而，运用膨胀阻燃剂阻燃聚乙烯/尼龙共混物时，存在以下难题：由于膨胀阻燃剂与尼龙6极性相近，使其在共混物中选择性分布于尼龙6相畴中。由于尼龙6可作为膨胀阻燃剂的碳源，因此，膨胀阻燃剂分布于尼龙6相畴中，有利于提高膨胀阻燃剂的阻燃效率。但是，在聚乙烯/尼龙6共混物中加入增溶剂后，增溶剂的乳化作用，导致膨胀阻燃剂无法分布于尼龙6相畴，只能分布于聚乙烯相畴。该现象会导致共混物的阻燃性能大幅下降。因此，如何在添加增溶剂增容聚乙烯/尼龙6共混物的同时，确保膨胀阻燃剂分布于尼龙6相畴，是采用膨胀阻燃剂阻燃聚乙烯/尼龙6共混物的关键。
发明内容
本发明的技术目的是通过原料添加共混顺序，以及加工制备工艺的改进，制备一种阻燃性能优异、增容效率高，且成品材料的力学性能得到显著提高的聚乙烯/尼龙6共混物，以解决现有技术中聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性能和增容效率不能同时兼顾的技术问题。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，包括以下步骤：
步骤一、按照重量份数，分别称取56-64份聚乙烯、15-17份尼龙6和20份膨胀阻燃剂，混合均匀后，置于挤出机中，于220~260℃温度条件下进行熔融共混，并挤出成初混物，备用；
步骤二、按照增溶剂与初混物的重量配比分别为（2-8）:（91-101）的比例，称取一定量的增溶剂与步骤一制得的初混物进行混合，之后，置于挤出机中，在高于聚乙烯的熔融温度、低于尼龙6的熔融温度的温度范围条件下进行熔融共混，并挤出成共混物，备用；
步骤三、将步骤二制得的共混物转置于成型加工设备中，于130~180℃条件下成型，即得成品聚乙烯/尼龙6共混物。
进一步的，在步骤一和步骤二中，所采用的挤出机为双螺杆挤出机。
进一步的，在步骤一中，所述的聚乙烯为线性低密度聚乙烯。
进一步的，在步骤一中，所述的膨胀阻燃剂聚磷酸铵和季戊四醇的混合物，且聚磷酸铵与季戊四醇的重量配比为4:1。
进一步的，在步骤一中，所述聚乙烯、尼龙6和膨胀阻燃剂的重量份数比为56~64：16：20。
进一步的，在步骤二中，所述熔融共混的温度为130~180℃。
进一步的，在步骤二中，所述的增溶剂为聚乙烯接枝马来酸酐。
本发明的有益效果：
1、本发明采用两步式分步熔融共混的方式，可调控膨胀阻燃剂均匀的分布于聚乙烯/尼龙6共混物中的尼龙6相畴中，从而大大提高了共混物的阻燃性能。与现有技术中的一步法加工方法相比，本发明的分步式加工方法制备得到的聚乙烯/尼龙6共混物的极限氧指数可提高15.6%-21.5%，且共混物的阻燃级别可由不能通过垂直燃烧提高到V-1级以上，从而大大提高了其应用价值。
2、在现有的一步法技术中，尼龙6及膨胀阻燃剂都是分布于聚乙烯基体中，增溶剂只是分布于聚乙烯/尼龙6相界面，提高了两者的相容性，但由于膨胀阻燃剂与聚乙烯基体相容性差，在基体中形成应力集中，导致体系的强度低。本发明的制备方法中，通过将膨胀阻燃剂全部共混并均匀分散至尼龙6相畴中，后续添加的增溶剂可显著提高尼龙6与聚乙烯的相容性，使尼龙6对于聚乙烯的缺陷改善更优良，从而大大提高了成品共混物的力学性能。与现有技术中的一步法加工方法相比，本发明制备得到的聚乙烯/尼龙6共混物的拉伸强度可提高30%-41%。
3、本发明的制备方法中，采用了两步式分步熔融共混的方式进行共混物的制备。其中，220~260℃温度条件下的第一次熔融共混，可使膨胀阻燃剂均匀的分布于与其极性相近的尼龙6相畴中，形成以聚乙烯为连续相、尼龙6为分散相，且膨胀阻燃剂分布于尼龙6相的形态结构。之后进行的添加增溶剂的二次熔融共混中，高于聚乙烯的熔融温度、低于尼龙6的熔融温度的加工条件，可使连续相的聚乙烯处于熔融，而分散相的尼龙6处于尚未熔融的状态，此时，膨胀阻燃剂会锁死在未熔融的分散相尼龙6中，而不会发生迁移。增溶剂的加入可与未熔融的尼龙6表面胺基发生共聚成共价键的反应，从而改善材料的界面结合，起到增溶作用，进而提高成品共混物的拉伸性能。
附图说明
图1为实施例1的SEM图；
图2为实施例1的X光微区分析图；
图3为实施例3的SEM图；
图4为实施例3的X光微区分析图；
图5为实施例4的SEM图；
图6为实施例4的X光微区分析图；
图7为实施例6的SEM图；
图8为实施例6的X光微区分析图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述的实验过程若未加指明均是在常温常压条件下进行；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法：
首先，按一定比例聚乙烯、尼龙6、膨胀阻燃剂于220~260℃熔融共混，制备出膨胀阻燃剂分布于尼龙6相畴的共混物。制备该共混物时，由于聚乙烯的添加量高于尼龙6，使得制备出的共混物形成以聚乙烯为连续相、尼龙6为分散相且膨胀阻燃剂分布于尼龙6相的形态结构。然后，在聚乙烯的熔融温度以上、尼龙6的熔融温度以下，将第一步制备的共混物与增溶剂聚乙烯接枝马来酸酐（PE-g-MAH）熔融加工。由于连续的聚乙烯相已经熔融，使得共混物具备可加工性能，尼龙6为分散相，且在该加工温度下尚未熔融，因此，加入增溶剂后，分布于尼龙6中的膨胀阻燃剂也无法从中迁移至聚乙烯相，从而得到膨胀阻燃剂分布于尼龙6相畴的聚乙烯/尼龙共混物。
在第二步添加增溶剂增容共混物时，由于加工温度低于尼龙6的熔融温度，因此尼龙6相尚未熔融，但尼龙6相表面的胺基可与增溶剂的马来酸酐基团发生反应，使得增溶剂能起到增容作用。对于在第一步加入增溶剂制备的共混物，由于膨胀阻燃剂分布于共混物聚乙烯相畴，虽然增溶剂可以提高尼龙6相畴与聚乙烯基体的相容性，但分布于聚乙烯相的膨胀阻燃剂与聚乙烯基体相容性差，在基体中形成应力集中，导致增溶剂对共混物的增容效果不显著。对于在第二步加入增溶剂制备的共混物，由于膨胀阻燃剂分布于共混物尼龙6相畴，且增溶剂可有效提高尼龙6与聚乙烯的相容性，因此，增溶剂对共混物的增容效果更为显著。
具体制备方法与工艺如下所述：
（1）按一定比例称取膨胀阻燃剂、聚乙烯和尼龙6，在220~260℃采用挤出机熔融混合物料，制备出相应初混物；
（2）将一定比例的增溶剂PE-g-MAH与制备好的初混物，在挤出机中，于130~180℃的区间内挤出，制备出共混物；
（3）将（2）中制备的共混物，在相应的成型加工设备中130~180℃的区间内成型，即可得到相应的阻燃型聚乙烯/尼龙6共混物制品。
本发明将提供的一种采用膨胀阻燃剂阻燃聚乙烯/尼龙6共混物的新方法，可确保加入增溶剂后，膨胀阻燃剂仍分布于尼龙6相畴，从而提高膨胀阻燃剂在聚乙烯/尼龙6共混物中的阻燃效率。同时，该方法还可增加增溶剂的增容效率，有利于提高共混物的力学性能。
实施例1
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照62:16:2:16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、PE-g-MAH（增溶剂）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物，在相应的成型加工设备中于220~240℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
实施例2
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照59:15:5:16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、PE-g-MAH（增溶剂）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物，在相应的成型加工设备中于220~240℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
实施例3
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照56:17:8:16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、PE-g-MAH（增溶剂）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物，在相应的成型加工设备中于220~240℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
实施例4
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照62:16: 16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物1；按101:2的比例称取一定量的共混物1和PE-g-MAH，在挤出机中于130~180℃的温度区间内挤出，制备出共混物2；将共混物2，在相应的成型加工设备中于130~180℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
实施例5
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照59:16: 16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物1；按95:5的比例称取一定量的共混物1和PE-g-MAH，在挤出机中于130~180℃的温度区间内挤出，制备出共混物2；将共混物2，在相应的成型加工设备中于130~180℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
实施例6
本实施例的聚乙烯/尼龙6共混物采用以下方法制成：
按照56:16: 16:4的比例称取一定量的线性低密度聚乙烯（LLDPE）、尼龙6（PA6）、聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER），在220~240℃的温度范围内，采用双螺杆挤出机熔融混合物料，制备出相应共混物1；按91:8的比例称取一定量的共混物1和PE-g-MAH，在挤出机中于130~180℃的温度区间内挤出，制备出共混物2；将共混物2，在相应的成型加工设备中于130~180℃的温度区间内成型，制取制品。测试的力学性能及阻燃性能见表1。
表1
测试项目 单位 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
氧指数 % 24 24 24.7 28.6 28.6 30
垂直燃烧级别 通不过垂直燃烧 通不过垂直燃烧 通不过垂直燃烧 V-1级 V-1级 V-0级
拉伸强度 MPa 8.3 9.0 9.0 11.9 11.7 11.9
断裂伸长率 % 27.3 23.4 23.4 28.9 24.2 29.4
下面采用扫描电镜（SEM）以及X光微区分析对上述实施例所制备的聚乙烯/尼龙6共混物进行表征，以分析PA6、膨胀阻燃剂在聚乙烯基体中的分布。其结果如附图1至附图8所示。
其中，图1、图2对应表征实施例1，图3、图4对应表征实施例3，图5、图6对应表征实施例4，图7、图8对应表征实施例6。
由图1和图3可以看出大直径的不规则孔洞及小直径的球形粒子。由于膨胀阻燃剂粒径较大且形状不规则，该现象表明膨胀阻燃剂分布于聚乙烯基体中，而小直径球体则为尼龙6。膨胀阻燃剂的界面清晰，而尼龙6界面模糊，表明尼龙6与基体的相容性较好，而膨胀阻燃剂与基体的相容性较差。由图5和图7可看到在图1和图3中出现的不规则孔洞基本消失，表明分散相与基体相容性较好，说明在第二步添加增溶剂可有效提高分散相与基体的相容性。通过比较图图2、图4、图6和图8中EDS结果发现：图2和图4中的磷（P）、氧（O）含量高于图6和图8，而图2和图4中的碳（C）含量低于图6和图8，说明采用二步法制备的材料中，膨胀阻燃剂分布于PA6相中，导致难以被检测到。
上述实验结果表明，一步法制备的材料膨胀阻燃剂及尼龙6相皆分布于基体聚乙烯中，且膨胀阻燃剂与聚乙烯基体相容性差。而二步法制备的材料膨胀阻燃剂分布于尼龙6相中，增溶剂提高了尼龙6相与聚乙烯基体的相容性。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、按照重量份数，分别称取56-64份聚乙烯、15-17份尼龙6和20份膨胀阻燃剂，混合均匀后，置于挤出机中，于220~260℃温度条件下进行熔融共混，并挤出成初混物，备用；
步骤二、按照增溶剂与初混物的重量配比分别为（2-8）:（91-101）的比例，称取一定量的增溶剂与步骤一制得的初混物进行混合，之后，置于挤出机中，在高于聚乙烯的熔融温度、低于尼龙6的熔融温度的温度范围条件下进行熔融共混，并挤出成共混物，备用；
步骤三、将步骤二制得的共混物转置于成型加工设备中，于130~180℃条件下成型，即得成品聚乙烯/尼龙6共混物。
2.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤一和步骤二中，所采用的挤出机为双螺杆挤出机。
3.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤一中，所述的聚乙烯为线性低密度聚乙烯。
4.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤一中，所述的膨胀阻燃剂聚磷酸铵和季戊四醇的混合物，且聚磷酸铵与季戊四醇的重量配比为4:1。
5.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤一中，所述聚乙烯、尼龙6、和膨胀阻燃剂的重量份数比为56~64：16：20。
6.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤二中，所述熔融共混的温度为130~180℃。
7.根据权利要求1所述的一种提高聚乙烯/尼龙6共混物阻燃性和力学性能的方法，其特征在于：在步骤二中，所述的增溶剂为聚乙烯接枝马来酸酐。
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