CN108864353B - 一种透明阻燃抗静电pmma复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料技术领域,尤其涉及一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料及其制备方法,按重量份计,包括以下组分:甲基丙烯酸甲酯70.00~99.00份;引发剂0.03~0.20份;阻燃抗静电剂1.00~30.00份;所述阻燃抗静电剂由第一单体、脱水催化剂与第二单体发生酯化反应制得,所述第一单体为含有多个膦酸或亚膦酸基团的单体;所述第二单体为同时带有羟基和双键的单体。本发明合成了一种既能使PMMA达到阻燃效果又能达到抗静电效果的复合材料,其阻燃等级达到了UL‑94V‑0等级,其表面电阻达到了1012Ω以下,阻燃抗静电效果明显且具有永久阻燃抗静电性能而且又不影响PMMA的透明性。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域,尤其涉及一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料及其制备方法。
背景技术
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),又被称作亚克力或有机玻璃,是一种由甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体聚合而成的透明高分子材料,由于其良好的光学透明性广泛应用于航空、建筑、农业等领域的采光部件。但是PMMA的热稳定性能却很差,极易燃烧,这大大限制了其在更多领域的应用,通常,纯PMMA的极限氧指数只有17,并且在锥形量热测试中热释放速率峰值(PHRR)达到1058KW/m2,属于极易燃烧的材料,不仅如此,PMMA也是一种典型的线型聚合物材料,它的燃烧过程往往伴随严重的滴落现象,容易造成次生灾害。而且,PMMA制品具有优良的电绝缘性能,其表面一经摩擦就容易产生静电,造成静电荷积累,从而在制品加工或最终使用过程中易吸附空气中的灰尘或造成电击,甚至引起火灾及爆炸事故,因此PMMA的阻燃抗静电改性具有重要的意义。
中国发明专利(申请号:201010229868.0)提供一种透明阻燃PMMA及其制备方法。采用磺酸盐系阻燃剂,按重量配比称取PMMA、阻燃剂、相容剂、润滑剂、抗氧剂混合均匀投入到双螺杆挤出机的加料斗中,经熔融挤出、造粒制得阻燃PMMA复合材料,此发明可使PMMA达到较好的阻燃等级。但此方法中磺酸盐价格昂贵,不适合工业化生产,并且磺酸盐属于添加型阻燃剂,易发生迁移,不能达到永久阻燃效果。
中国发明专利(申请号:201610706980.6)提供了一种阻燃PMMA的合成方法,步骤如下:室温下在甲基丙烯酸甲酯中,依次按配方向容器中加入磷酸三苯酯,纳米二氧化锆,N,N—二甲基苯胺,重结晶的过氧化二苯甲酰,得到MMA预聚液,经水浴锅热聚合成型PMMA复合材料。此方法可使PMMA达到较好的阻燃等级,但此方法制备的阻燃复合材料对PMMA的透光率影响较大,并且纳米粒子在MMA中分散均匀很困难,不适合工业化生产。
Akiko Tsurumaki等(Evaluation of ionic liquids as novel antistaticagents for polymathacrylates Electrochimica Acta 248(2017)556-561)选择不同的离子液体(IL)用作PMMA薄膜的抗静电剂,向PMMA溶液中加入不同含量的离子液体,然后将混合溶液浇铸在培养皿上,在50℃下加热培养皿使溶剂蒸发,冷却至室温后,制得抗静电PMMA膜。此方法中随离子液体的含量的增加PMMA复合膜的抗静电性能增加,但是此方法中离子液体易从制品中迁出,不能达到永久的抗静电效果,且离子液体的价格昂贵,不适合工业化生产。
发明内容
本发明为了克服现有阻燃PMMA复合材料原料成本高、阻燃和抗静电周期短、透明度差的问题,提供了一种既能使PMMA达到永久阻燃抗静电性能又能保持其透明度的透明阻燃抗静电PMMA复合材料。
本发明还提供了一种原料安全且成本低、工艺条件容易控制、适合工业化生产的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料,按重量份计,包括以下组分:
甲基丙烯酸甲酯 70.00~99.00份;
引发剂 0.03~0.20份;
阻燃抗静电剂 1.00~30.00份;
所述阻燃抗静电剂由第一单体、脱水催化剂与第二单体发生酯化反应制得,所述第一单体与第二单体的物质的量比为2:1,所述脱水催化剂的添加量占第二单体质量的3%;酯化反应中各单体的添加量为固定值,具体添加量为:第一单体0.10mol;第二单体0.05mol;脱水催化剂占第二单体质量的3.00%;
所述第一单体为含有多个膦酸或亚膦酸基团的单体;所述第二单体为同时带有羟基和双键的单体。
作为优选,所述引发剂为偶氮类引发剂或过氧化物类引发剂。
作为优选,所述第一单体选自乙二胺四亚甲基膦酸,亚氨基二(甲基磷酸),氨基三亚甲基膦酸,羟基乙叉二膦酸和肌醇六磷酸中的一种。
作为优选,所述脱水催化剂选自苯,甲苯,二甲苯和浓硫酸中的一种或几种混合。
作为优选,所述第二单体选自丙烯酸羟丙酯,丙烯酸羟乙酯,丙烯醇和甲基丙烯酸羟乙酯中的一种。
一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将第一单体和脱水催化剂加入反应器中并加热,将第二单体加入到反应器中,经酯化反应后得粗产物,再减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
具体为将第一单体、脱水催化剂置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将第二单体滴加入三口烧瓶中,使第一单体过量,反应完成后粗产物经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将甲基丙烯酸甲酯,引发剂和步骤(1)制得的阻燃抗静电剂置于250mL烧瓶中,将烧瓶置于油浴锅中混合预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s预聚结束,预聚结束后除去气泡和溶解的空气使预聚物脱气,得预聚液;
(3)将步骤(2)制得的预聚液注入含疏水涂层的钢板中,置于水浴锅中热聚合成型,之后在鼓风烘箱中经固化处理使其更好地聚合成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA。
本发明针对现有技术的不足,优化了传统的单独在PMMA中添加阻燃剂和抗静电剂的方法,提供一种永久透明阻燃抗静电PMMA的制备方法。本发明利用第一单体与同时带有碳碳双键和羟基的第二单体发生反应合成一种含双键的酯类阻燃抗静电剂,能与MMA发生自由基共聚和反应。该阻燃抗静电剂含有磷、氮等阻燃元素,含磷氮元素的阻燃剂在聚合物燃烧过程中会首先分解,产生不可燃气体氮气、氨气等,稀释氧气的浓度,减缓聚合物燃烧,同时促进聚合物表面迅速脱水而碳化,在聚合物表面形成致密的碳层,碳层能隔绝氧气和空气,使聚合物燃烧受到抑制,起到阻燃作用。同时该阻燃抗静电剂还具有易吸水的官能团,能吸收空气中的水,在PMMA制品表面形成一层单分子导电膜,使PMMA达到抗静电效果。由于该阻燃抗静电剂是以共聚的方式引入到PMMA中的,与基体是以共价键的作用力结合的,不会从基体迁出,故能达到永久的阻燃抗静电效果。聚合得到的PMMA复合材料可达到UL-94V-0等级,且表面电阻低于1012Ω,在提高PMMA阻燃抗静电性能的基础上又不影响其透明度,其透光率可达90%以上,与纯PMMA的透光率相当。
作为优选,步骤(1)中,酯化反应的温度控制在80~120℃,优选80~90℃,反应时间为4~7h。
作为优选,步骤(2)中,预聚温度控制在80~100℃;预聚物脱气的方法为把预聚液放入冰水浴中使预聚物脱气。
作为优选,步骤(3)中,热聚合成型的温度控制在50~75℃,时间控制在180min。
作为优选,步骤(3)中,热聚合成型后还经过固化处理,固化处理温度控制在100~110℃,固化处理时间控制在60min。
因此,本发明具有如下有益效果:
(1)优化了传统的单独在PMMA添加阻燃剂和抗静电剂的方法,合成了一种既能使PMMA达到阻燃效果又能达到抗静电效果的复合材料,节约了成本;
(2)本发明的PMMA复合材料的阻燃等级达到了UL-94V-0等级,其表面电阻达到了1012Ω以下,阻燃抗静电效果明显且具有永久阻燃抗静电性能而且又不影响PMMA的透明性;
(3)本发明的制备方法,原料试剂安全,价格便宜,工艺条件容易控制,适合工业化生产,有利于推广应用。
具体实施方式
下面通过具体实施例,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中,若非特指,所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的,下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域常规方法。
实施例1
(1)将43.60g乙二胺四亚甲基膦酸、0.20g浓硫酸置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将6.51g(0.05mol)丙烯酸羟丙酯滴加入三口烧瓶中,使乙二胺四亚甲基膦酸过量,于80℃温度条件下反应6h后得到粗产物,经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将94.95g甲基丙烯酸甲酯(MMA)和0.05g(0.05份)偶氮二异庚腈(ABVN)以及5.00g的阻燃抗静电剂在250mL烧瓶中混合均匀;将烧瓶置于80℃油浴锅中使其预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s,预聚结束,将烧瓶取出放入冰水浴中,直至烧瓶壁变冷;
(3)将预聚液注入含疏水涂层的钢板(模具规格18cm×18cm×3mm),在60℃中水浴反应180min后取出,在100℃的鼓风烘箱中处理60min使其固化成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于:步骤(2)中阻燃抗静电剂的添加量为7.00g,其余工艺与实施例1完全相同。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于:步骤(2)中阻燃抗静电剂的添加量为10.00g,其余工艺与实施例1完全相同。
实施例4
实施例4与实施例1的不同之处在于:步骤(2)中阻燃抗静电剂的添加量为15.00g,其余工艺与实施例1完全相同。
实施例5
实施例5与实施例1的不同之处在于:步骤(2)中阻燃抗静电剂的添加量为20.00g,其余工艺与实施例1完全相同。
实施例6
(1)将20.50g(0.10mol)亚氨基二(甲基磷酸)、0.17g二甲苯置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将5.81g(0.05mol)丙烯酸羟乙酯滴加入三口烧瓶中,使亚氨基二(甲基磷酸)过量,于120℃温度条件下反应4h后得到粗产物,经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将98.97g MMA和0.03g过氧化二苯甲酰(BPO)以及1.00g的阻燃抗静电剂在250mL烧瓶中混合均匀;将烧瓶置于100℃油浴锅中使其预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s,预聚结束,将烧瓶取出放入冰水浴中,直至烧瓶壁变冷;
(3)将预聚液注入含疏水涂层的钢板(模具规格18cm×18cm×3mm),在50℃中水浴反应180min后取出,在100℃的鼓风烘箱中处理60min使其固化成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品。
实施例7
(1)将29.40g(0.10mol)氨基三亚甲基膦酸、0.09g甲苯置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将2.90g(0.05mol)丙烯醇滴加入三口烧瓶中,使氨基三亚甲基膦酸过量,于90℃温度条件下反应5h后得到粗产物,经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将74.85g MMA和0.15g ABVN以及25.00g的阻燃抗静电剂在250mL烧瓶中混合均匀;将烧瓶置于85℃油浴锅中使其预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s,预聚结束,将烧瓶取出放入冰水浴中,直至烧瓶壁变冷;
(3)将预聚液注入含疏水涂层的钢板(模具规格18cm×18cm×3mm),在75℃中水浴反应180min后取出,在105℃的鼓风烘箱中处理60min使其固化成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品。
实施例8
(1)将20.60g(0.10mol)羟基乙叉二膦酸、0.20g浓硫酸置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将6.51g(0.05mol)甲基丙烯酸羟乙酯滴加入三口烧瓶中,使羟基乙叉二膦酸过量,于85℃温度条件下反应6h后得到粗产物,经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将69.82g MMA和0.20g ABVN以及30.00g的阻燃抗静电剂在250mL烧瓶中混合均匀;将烧瓶置于95℃油浴锅中使其预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s,预聚结束,将烧瓶取出放入冰水浴中,直至烧瓶壁变冷;
(3)将预聚液注入含疏水涂层的钢板(模具规格18cm×18cm×3mm),在65℃中水浴反应180min后取出,在110℃的鼓风烘箱中处理60min使其固化成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品。
实施例9
(1)将66.00g(0.10mol)肌醇六磷酸、0.05g浓硫酸、0.15g苯置于装有分水器和温度计的250mL三口烧瓶中,将三口烧瓶置于油浴锅中,用恒压滴液漏斗将6.51g(0.05mol)丙烯酸羟丙酯滴加入三口烧瓶中,使肌醇六磷酸过量,于85℃温度条件下反应6h后得到粗产物,经过减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将91.90g MMA和0.10g过硫酸钾(K2S2O8)以及8.00g(8.00份)的阻燃抗静电剂在250mL烧瓶中混合均匀;将烧瓶置于95℃油浴锅中使其预聚,待烧瓶中大量气泡冒出后10s,预聚结束,将烧瓶取出放入冰水浴中,直至烧瓶壁变冷;
(3)将预聚液注入含疏水涂层的钢板(模具规格18cm×18cm×3mm),在55℃中水浴反应180min后取出,在105℃的鼓风烘箱中处理60min使其固化成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品。
对本发明实施例1-9的透明阻燃抗静电PMMA复合材料成品性能做表征,结果如表1所示:
表1.实施例1-9的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的性能结果
从上述表1可以看出本发明制备的透明阻燃抗静电PMMA复合材料具有较好的阻燃效果和抗静电性能,其中,通过比较实施例1-5可以得出:随着阻燃抗静电剂的添加量的增加,PMMA复合材料的阻燃性能逐渐提高,添加15g即可使PMMA复合材料达到UL-94V-0等级;随着阻燃抗静电剂的添加量的增加,PMMA复合材料的抗静电性能逐渐提高,其表面电阻均低于1012Ω,具有较好的抗静电效果;同时,结合透光率参数可得在提高PMMA阻燃抗静电性能的基础上又不影响其透明度,其透光率可达90%以上,与纯PMMA的透光率相当。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (7)
1.一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料,其特征在于,按重量份计,包括以下组分:
甲基丙烯酸甲酯 70.00~99.00份;
引发剂 0.03~0.20份;
阻燃抗静电剂 1.00~30.00份;
所述阻燃抗静电剂由第一单体、脱水催化剂与第二单体发生酯化反应制得;所述第一单体与第二单体的物质的量比为2:1,所述脱水催化剂的添加量占第二单体质量的3%;所述第一单体为含有多个膦酸或亚膦酸基团的单体;所述第二单体为同时带有羟基和双键的单体;
所述第一单体选自乙二胺四亚甲基膦酸,亚氨基二(甲基磷酸),氨基三亚甲基膦酸,羟基乙叉二膦酸和肌醇六磷酸中的一种;所述第二单体选自丙烯酸羟丙酯,丙烯酸羟乙酯,丙烯醇和甲基丙烯酸羟乙酯中的一种;所述脱水催化剂选自苯,甲苯,二甲苯和浓硫酸中的一种或几种混合;
所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将第一单体和脱水催化剂加入反应器中并加热,将第二单体加入到反应器中,经酯化反应后得粗产物,再减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将甲基丙烯酸甲酯,引发剂和步骤(1)制得的阻燃抗静电剂混合预聚,预聚结束后除去气泡和溶解的空气使预聚物脱气,得预聚液;
(3)将步骤(2)制得的预聚液注入含疏水涂层的钢板中,热聚合成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA。
2.根据权利要求1所述的一种透明阻燃抗静电PMMA复合材料,其特征在于,所述引发剂为偶氮类引发剂或过氧化物类引发剂。
3.一种如权利要求1或2所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将第一单体和脱水催化剂加入反应器中并加热,将第二单体加入到反应器中,经酯化反应后得粗产物,再减压蒸馏提纯,得到阻燃抗静电剂;
(2)将甲基丙烯酸甲酯,引发剂和步骤(1)制得的阻燃抗静电剂混合预聚,预聚结束后除去气泡和溶解的空气使预聚物脱气,得预聚液;
(3)将步骤(2)制得的预聚液注入含疏水涂层的钢板中,热聚合成型,即得到透明阻燃抗静电PMMA。
4.根据权利要求3所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,酯化反应的温度控制在80~120℃,反应时间为4~7h。
5.根据权利要求3所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,预聚温度控制在80~100℃;预聚物脱气的方法为把预聚液放入冰水浴中使预聚物脱气。
6.根据权利要求3所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,热聚合成型的温度控制在50~75℃,时间控制在180 min。
7.根据权利要求4或5或6所述的透明阻燃抗静电PMMA复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,热聚合成型后还经过固化处理,固化处理温度控制在100~110℃,固化处理时间控制在60min。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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