CN109762201A - 一种阻燃低导热的发泡聚丙烯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发泡材料领域，提供了一种阻燃低导热的发泡聚丙烯及其制备方法，由大量发泡聚丙烯颗粒堆积并通过加温加压后熔融粘结而成，所述发泡聚丙烯颗粒包括内部有大量微小泡孔，所述泡孔为闭孔结构，泡孔内充有空气与低导热气体，所述发泡聚丙烯颗粒内的闭孔率为80%以上。本发明中不仅可满足发泡聚丙烯具有优异的阻燃性、低导热性，还可以拥有优良的力学性能，并且生产工艺成熟，可大批量生产。

Description

一种阻燃低导热的发泡聚丙烯及其制备方法

技术领域

本发明属于发泡材料领域，涉及一种发泡聚丙烯，特别涉及一种阻燃低导热的发泡聚丙烯及其制备方法。

背景技术

发泡材料由于质量轻、柔软度好，具备缓冲、吸音、吸震、保温、过滤等功能，广泛应用于电子、家电、汽车、体育休闲等行业。常见的发泡材料有发泡聚乙烯（EPE）、发泡聚丙烯（EPP）、发泡聚苯乙烯（EPS）、发泡聚氨酯（发泡PU）、发泡聚氯乙烯（发泡PVC）等。与发泡聚苯乙烯、发泡聚氨酯、发泡聚氯乙烯等降解困难的发泡材料相比，发泡聚丙烯可完全降解，不会造成环境污染；而与发泡聚乙烯相比，发泡聚丙烯的力学强度和抗冲击强度高出数倍，并且发泡聚乙烯的使用温度只有80℃，而发泡聚丙烯的使用温度高达130℃。

发泡聚丙烯本身具有的各种优良性能，在实际应用中可经过不同的改性赋予其不同的性能，阻燃材料就是其中一类。阻燃材料是指能够抑制或者延滞燃烧而其本身并不容易燃烧的材料，广泛应用在石油、化工、国防、消防等领域，随着科技的发展，阻燃材料也渐渐渗入建筑行业和汽车行业中。阻燃低导热发泡聚丙烯是一种新兴的阻燃材料，其质量轻、阻燃效果好、抗冲击性能好，是作为轻质阻燃材料的不二之选。但是，目前对阻燃低导热发泡聚丙烯的研究只停留在实验室阶段，最主要的原因是无法兼顾其阻燃性、低导热性和力学性能，当在发泡聚丙烯中加入阻燃和低导热的组分，必然会使力学性能降低，发泡聚丙烯材料会变脆，缩小了其使用范围。

因此，需要一种阻燃低导热发泡聚丙烯及其制备方法，不仅拥有优良的力学性能，还具备优异的阻燃性、低热导性，并且生产工艺成熟，可大批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种阻燃低导热的发泡聚丙烯及其制备方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，由大量发泡聚丙烯颗粒堆积并通过加温加压后熔融粘结而成，所述发泡聚丙烯颗粒包括内部有大量微小泡孔，所述泡孔为闭孔结构，泡孔内充有空气与低导热气体，所述发泡聚丙烯颗粒内的闭孔率为80%以上。

作为优选，所述发泡聚丙烯颗粒泡孔外壁上包覆有阻燃剂与片状石墨。

作为优选，所述低导热气体为CO₂或低导热性的气体或CO₂与低导热性的气体的混合或低导热性的气体之间的混合。

作为优选，所述发泡聚丙烯颗粒发泡前的粒径为0.5-1.5mm。

作为优选，所述发泡聚丙烯颗粒的发泡膨胀率为30-50倍。

作为优选，所述泡孔外壁的壁厚为2-4μm，所述闭孔的内径为12-25μm。

作为优选，所述发泡聚丙烯颗粒熔融粘合的温度为140-200℃，压力为10-40个大气压。

作为优选，所述阻燃剂为环保低卤阻燃剂。

作为优选，所述发泡聚丙烯颗粒的发泡温度为140-180℃。

作为优选，发泡聚丙烯颗粒具有80%以上的闭孔率，闭孔内均填充有空气与低导热气体。

一种阻燃低导热的发泡聚丙烯的制备方法，包括以下步骤：

S1、用双螺杆机制备低导热阻燃母粒，所述阻燃母粒包括聚丙烯微晶颗粒、阻燃剂和片状石墨；

S2、聚丙烯颗粒与阻燃母粒一起进入单螺杆机，在每一个混料段调整单螺杆机的参数，使聚丙烯颗粒与阻燃母粒混合均匀，以保证聚丙烯颗粒性能的均匀性与发泡时的闭孔率；

S3、将步骤S2中挤出的物料送入高压釜中，所述高压釜中充满低导热性的气体，向高压釜中加入发泡剂、稳定剂，加温加压，进行一次发泡，使一次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀10-20倍，使发泡聚丙烯内部形成闭孔，闭孔中充满低导热气体，阻燃剂与片状石墨附着在发泡聚丙烯的泡孔外壁上；

S4、一次发泡后的聚丙烯颗粒需要进行养生确保其闭孔结构的稳定性，将步骤S3中的产物进行一次养生，一次养生为将一次发泡后的物料送至一次养生仓，所述的一次养生仓为透气的不锈钢网袋，让发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，并保持其闭孔率；

S5、将步骤S4中的物料通过二次发泡机，在充有空气与低导热气体的储压罐中进行二次发泡，使二次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀30-50倍，聚丙烯颗粒内部的泡孔保持闭孔状态，闭孔中充有低导热气体；

S6、将步骤S5中的产物进行二次养生，二次养生为将二次发泡后的发泡聚丙烯颗粒泵送到二次养生仓，所述的二次养生仓为透气的不锈钢网袋，所述的二次养生可让高倍率下的发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，保持闭孔率；

S7、对步骤S6中的产物进行筛选，将不同发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒分别放置；

S8、将步骤S7中相同或相近发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒进行高温熔融粘合，两个发泡聚丙烯颗粒之间的发泡倍数之差不超过五倍，避免因颗粒大小不均在高温熔融粘合时造成闭孔破裂；

S9、对步骤S8中的产物进行烘干、切割。

作为优选，所述一次发泡使聚丙烯体积膨胀10-20倍。

作为优选，所述二次发泡使聚丙烯体积膨胀30-50倍。

作为优选，所述一次发泡使聚丙烯体积膨胀13-15倍。

作为优选，所述二次发泡使聚丙烯体积膨胀45-48倍。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明不仅可满足发泡聚丙烯具有优异的阻燃性、低导热性，还可以拥有优良的力学性能，并且生产工艺成熟，可大批量生产。

2、本发明通过对聚丙烯改性制备发泡聚丙烯颗粒，调节其泡孔外壁壁厚及闭孔结构，使其具有低导热系数和优异的阻燃性。

3、本发明由大量发泡聚丙烯在模具内经过加温加压熔融粘结而成，通过控制发泡时的温度、压力等控制闭孔的数量和大小，发泡聚丙烯颗粒具有80%以上的闭孔率，闭孔内均填充有不易燃气体，提高了发泡聚丙烯板材的阻燃效果及降低了导热系数。

4、本发明通过优化生产工艺，使发泡聚丙烯在添加了片状石墨、阻燃剂等助剂后力学性能几乎不变。

5、本发明的发泡方法为物理发泡，成本低，绿色环保，不污染环境。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

制作环保、质轻、阻燃、低导热的发泡材料，首先从选料开始，常见的发泡材料有发泡聚氨酯、发泡聚苯乙烯、发泡聚乙烯、发泡聚丙烯等，发泡聚氨酯的发泡过程使用对人体有害的异氰酸酯，且制品中有残留物，产品无法回收利用；发泡聚苯乙烯在发泡过程中会使用到氟氯烃化物或丁烷，对环境有不利影响，产品降解困难且容易形成白色污染，联合国环保组织已决定停止使用聚苯乙烯发泡产品；发泡聚乙烯刚性较低，最高使用温度仅为80℃。

而发泡聚丙烯具有十分优异的低导热性和阻燃性，并且使用温度高达130℃，燃烧速率仅有0-80mm/min，具有离火自熄特性，在燃烧时产生的烟雾少，并且烟雾无毒性，滴落物不引起二次燃烧，是制作阻燃低导热的优选材料。此外，发泡聚丙烯还具有优越的抗震吸能性能，形变后回复率高，具有很好的耐化学品性、耐油性、耐热性和隔热性，另外，发泡聚丙烯质量轻，可大幅度减轻物品的重量，还是一种绿色环保材料，可回收利用，不会造成白色污染，可广泛应用于建筑、汽车、电子、包装等行业。

在发泡聚丙烯的制造过程中，导热性与阻燃性是相互矛盾的，采用改性等手段降低发泡聚丙烯的导热性势必会降低其阻燃性，因此，如何制作既具有较低的导热性又具有较好阻燃效果的发泡聚丙烯一直是业界的难题。导热性与气体对流性、辐射热等因素有密切联系，本发明从降低材料的辐射热这一出发点考虑，引入辐射传热性差的片状石墨，希望将片状石墨包覆在发泡聚丙烯颗粒的表面，这样发泡聚丙烯既可保证其阻燃性，又能保证其低导热性。但是，此时的发泡聚丙烯依然存在两个较大的问题：1、随着片状石墨的加入，发泡聚丙烯材料力学性能大幅降低；2、片状石墨与聚丙烯材料不易结合，无法按照设想完全包覆在发泡聚丙烯颗粒的表面，并且会使发泡聚丙烯的闭孔率下降，使闭孔中的低导热气体逸出。

为了解决上述两个问题，从发泡聚丙烯的结构与制作工艺出发，调整每一个混料段的螺杆挤出参数，并且在每次发泡后都进行养生步骤，确保闭孔结构的稳定性，然后再进行热熔加压粘结成型，形成兼具阻燃性、低导热性和力学强度的发泡聚丙烯材料。以下是本发明的具体结构及其制作工艺：

一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，由大量发泡聚丙烯颗粒堆积并通过加温加压后熔融粘结而成，所述发泡聚丙烯颗粒包括内部有大量微小泡孔，所述泡孔为闭孔结构，泡孔内充有空气与低导热气体，所述发泡聚丙烯颗粒内的闭孔率为80%以上。

发泡聚丙烯颗粒泡孔外壁上包覆有阻燃剂和片状石墨。

低导热气体为CO₂或低导热性的气体或CO₂与低导热性的气体的混合或低导热性的气体之间的混合。

发泡聚丙烯颗粒发泡前的粒径为0.5-1.5mm。

发泡聚丙烯颗粒的发泡膨胀率为30-50倍。

泡孔外壁的壁厚为2-4μm，闭孔的内径为12-25μm。

发泡聚丙烯颗粒熔融粘合的温度为140-200℃，压力为10-40个大气压。

阻燃剂为环保低卤阻燃剂。

发泡聚丙烯的粒径为2-5mm。

发泡聚丙烯颗粒的发泡温度为140-180℃。

发泡聚丙烯颗粒具有90%以上的闭孔率，闭孔内均填充有不易燃气体。

阻燃剂为环保型无卤或低卤阻燃剂。

无卤阻燃剂主要以磷系化合物和金属氢氧化物为主，可采用JLH-W666型高性能磷氮类有机阻燃剂，W666是一种三嗪三酮化合物和三嗪三胺类化合物，经过了特殊的表面处理，所以在塑料材料中容易分散，不析出，具有良好的阻燃效果。

低卤阻燃剂可采用HR-100，HR-100是一种含P、Br等元素的高效反应型阻燃剂，主要设计用于均聚PP的阻燃改性。直接添加使用，无需添加三氧化锑等阻燃协效剂。相比传统的溴系阻燃剂(十溴二苯醚、四溴双酚A、八溴醚、八溴双S醚、TBC等)添加量少，阻燃效果好，溴含量低，而且可以添加滑石粉、硫酸钡等填充，同时该阻燃剂还具有非常优异的加工热稳定，无析出性，耐水、耐光老化、无毒、不与色母及其他添加剂产生副反应等特性。而且可以通过ROHS和REACH环保要求。

低卤阻燃剂还可采用YYFR-032F，YYFR-032F是一款由磷、氮、溴共同作用的反应型环保高效低卤阻燃剂。专门为超低成本PP的V-2级阻燃而研究开发，对均聚PP和共聚PP均可以使用，与传统的溴系阻燃剂相比添加量少，阻燃效率高，不用加三氧化二锑，溴含量低。不影响PP料的物理力学性能。此阻燃剂加工热稳定性好，不析出，耐水，耐光，无毒，符合ROHS环保要求。同类产品市场价较低。

一种阻燃低导热的发泡聚丙烯的制备方法，包括以下步骤：

S1、用双螺杆机制备低导热阻燃母粒，所述阻燃母粒包括聚丙烯微晶颗粒、阻燃剂和片状石墨；

S2、聚丙烯颗粒与阻燃母粒一起进入单螺杆机，在每一个混料段调整单螺杆机的参数，使聚丙烯颗粒与阻燃母粒混合均匀，以保证聚丙烯颗粒性能的均匀性与发泡时的闭孔率；

S3、将步骤S2中挤出的物料送入高压釜中，所述高压釜中充满低导热性的气体，向高压釜中加入发泡剂、稳定剂，加温加压，进行一次发泡，使一次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀10-20倍，使发泡聚丙烯内部形成闭孔，闭孔中充满低导热气体，阻燃剂与片状石墨附着在发泡聚丙烯的泡孔外壁上；

S4、一次发泡后的聚丙烯颗粒需要进行养生确保其闭孔结构的稳定性，将步骤S3中的产物进行一次养生，一次养生为将一次发泡后的物料送至一次养生仓，所述的一次养生仓为透气的不锈钢网袋，让发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，并保持其闭孔率；

S5、将步骤S4中的物料通过二次发泡机，在充有空气与低导热气体的储压罐中进行二次发泡，使二次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀30-50倍，聚丙烯颗粒内部的泡孔保持闭孔状态，闭孔中充有低导热气体；

S6、将步骤S5中的产物进行二次养生，二次养生为将二次发泡后的发泡聚丙烯颗粒泵送到二次养生仓，所述的二次养生仓为透气的不锈钢网袋，所述的二次养生可让高倍率下的发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，保持闭孔率；

S7、对步骤S6中的产物进行筛选，将不同发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒分别放置；

S8、将步骤S7中相同或相近发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒进行高温熔融粘合，两个发泡聚丙烯颗粒之间的发泡倍数之差不超过五倍，避免因颗粒大小不均在高温熔融粘合时造成闭孔破裂；

S9、对步骤S8中的产物进行烘干、切割。

一次发泡使聚丙烯体积膨胀10-20倍。

二次发泡使聚丙烯体积膨胀30-50倍。

聚丙烯材料在发泡时还具有一个特殊的现象，即双熔融峰现象：聚丙烯发泡颗粒具有独特的熔融双峰，随发泡温度的升高或压力的增大，熔融双峰向高温区移动，且高温峰焓值减小，低温峰焓值增大；高温峰为PP微颗粒在发泡温度下的不熔晶体或以不熔晶体为"核"生长的新晶体的熔融峰，低温峰为PP熔体在淬冷作用下结晶所得晶体的熔融峰；熔融双峰的形成是由于在发泡升温过程中，PP的部分结晶被消除了所致。在本发明中对聚丙烯进行发泡时，增加双熔融峰之间的间距，即增加了低温峰和高温峰出现的时间差，使成模时间增长，有利于增加发泡聚丙烯的力学性能和闭孔率。

本发明的发泡聚丙烯材料阻燃效果可达到国标中的B1级，导热系数只有0.025-0.032，而目前市场上导热性最好的发泡聚丙烯的导热系数为0.040，本发明中制备的阻燃低导热的发泡聚丙烯的导热系数远远低于市售发泡聚丙烯。

本发明不仅可满足发泡聚丙烯具有优异的阻燃性、低导热性，还可以拥有优良的力学性能，并且生产工艺成熟，可大批量生产。

本发明通过发泡聚丙烯颗粒的改性，调节其泡孔外壁壁厚及闭孔尺寸结构，使其具有低导热系数和优异的阻燃性。

本发明由大量发泡聚丙烯在模具内经过加温加压熔融粘结而成，通过控制发泡时的温度、压力等控制闭孔的数量和大小，发泡聚丙烯颗粒具有90%以上的闭孔率，闭孔内均填充有不易燃气体，提高了发泡聚丙烯板材的阻燃效果及降低了导热系数。

本发明通过优化生产工艺，使发泡聚丙烯在添加了片状石墨、阻燃剂等助剂后力学性能几乎不变。

通过本发明做出的阻燃低导热的发泡聚丙烯，其阻燃性可达到B1级。

通过本发明做出的阻燃低导热的发泡聚丙烯，其力学性能与未加入片状石墨、阻燃剂、发泡剂等助剂时的力学性能相当。

通过本发明中的制备方法做出的阻燃低导热的发泡聚丙烯，泡径相似，闭孔不易破，闭孔率高，阻燃效果好。

本发明中在发泡聚丙烯每次发泡后都有养生步骤发泡聚丙烯颗粒之间的粘结性更好，成品的发泡聚丙烯板材力学性能更佳。

Claims (10)

1.一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，由大量发泡聚丙烯颗粒堆积并通过加温加压后熔融粘结而成，所述发泡聚丙烯颗粒包括内部有大量微小泡孔，所述泡孔为闭孔结构，泡孔内充有空气与低导热气体，所述发泡聚丙烯颗粒内的闭孔率为80%以上。

2.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述发泡聚丙烯颗粒泡孔外壁上包覆有阻燃剂与片状石墨。

3.根据权利要求2所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述泡孔内充有气体，所述气体包括空气和低导热气体，所述低导热气体为CO₂或低导热气体或CO₂与低导热气体的混合或低导热气体之间的混合。

4.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述发泡聚丙烯颗粒发泡前制成聚丙烯微晶颗粒，所述聚丙烯微晶颗粒的粒径为0.5-1.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述发泡聚丙烯颗粒的发泡膨胀率为30-50倍。

6.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述泡孔外壁的壁厚为2-4μm，所述闭孔的内径为12-25μm。

7.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述发泡聚丙烯颗粒熔融粘合的温度为140-200℃，压力为10-40个大气压。

8.根据权利要求1所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯，其特征在于，所述阻燃剂为环保低卤阻燃剂。

9.一种阻燃低导热的发泡聚丙烯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、用双螺杆机制备低导热阻燃母粒，所述阻燃母粒包括聚丙烯微晶颗粒、阻燃剂和片状石墨；

S2、聚丙烯颗粒与阻燃母粒一起进入单螺杆机，在每一个混料段调整单螺杆机的参数，使聚丙烯颗粒与阻燃母粒混合均匀，以保证聚丙烯颗粒性能的均匀性与发泡时的闭孔率；

S3、将步骤S2中挤出的物料送入高压釜中，所述高压釜中充满低导热性的气体，向高压釜中加入发泡剂、稳定剂，加温加压，进行一次发泡，使一次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀10-20倍，使发泡聚丙烯内部形成闭孔，闭孔中充满低导热气体，阻燃剂与片状石墨附着在发泡聚丙烯的泡孔外壁上；

S4、一次发泡后的聚丙烯颗粒需要进行养生确保其闭孔结构的稳定性，将步骤S3中的产物进行一次养生，一次养生为将一次发泡后的物料送至一次养生仓，所述的一次养生仓为透气的不锈钢网袋，让发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，并保持其闭孔率；

S5、将步骤S4中的物料通过二次发泡机，在充有空气与低导热气体的储压罐中进行二次发泡，使二次发泡后的聚丙烯颗粒体积膨胀30-50倍，聚丙烯颗粒内部的泡孔保持闭孔状态，闭孔中充有低导热气体；

S6、将步骤S5中的产物进行二次养生，二次养生为将二次发泡后的发泡聚丙烯颗粒泵送到二次养生仓，所述的二次养生仓为透气的不锈钢网袋，所述的二次养生可让高倍率下的发泡聚丙烯颗粒的泡孔外壁面稳步固化成型，保持闭孔率；

S7、对步骤S6中的产物进行筛选，将不同发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒分别放置；

S8、将步骤S7中相同或相近发泡倍数的发泡聚丙烯颗粒进行高温熔融粘合，两个发泡聚丙烯颗粒之间的发泡倍数之差不超过五倍，避免因颗粒大小不均在高温熔融粘合时造成闭孔破裂；

S9、对步骤S8中的产物进行烘干、切割。

10.根据权利要求9所述的一种阻燃低导热的发泡聚丙烯的制备方法，其特征在于，所述一次发泡使聚丙烯体积膨胀10-20倍，所述二次发泡使聚丙烯体积膨胀30-50倍。