CN109897346A - 一种制备阻燃抑烟碳纤维增强pet复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的方法，属于一种功能化聚酯生产工艺，是选择PET树脂粒料为基体，PP树脂为改性基体，利用共混的方法并在共混前对PET和PP进行预处理，提高了PET粒料的粘度和PP的机械性能，之后将阻燃剂等配料一起加入到混料机内混合，通过双螺杆挤出机制成成品合金粒料，再与碳纤维增强相复合，制备的复合材料其各项性能均高于单一相性能，且阻燃性能好，抑烟效果好，成本低，可有效解决环境污染、节约资源和降低成本等问题，具有较好的社会经济效益。

Description

一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的方法

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种以塑料为基体的工程塑料，尤其是以PET为基体，PP为改性基体，碳纤维为增强相，制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的方法。

背景技术

聚对苯二甲酸乙二醇酯具有优良的化学稳定性、耐磨性、耐热性和电绝缘性等特性，尤其是透明性好、绝缘性佳和较高的性价比，广泛应用于包装瓶、薄膜、合成纤维、电器等领域，但其极限氧指数低，仅为17%，且燃烧过程中会释放大量的有毒气体和黑烟。

聚丙烯是目前用量最大的通用塑料之一，属于半结晶性高分子化合物，具有价格低廉、易于成型、无毒、耐化学腐蚀性好、综合力学性能优良及性价比高等优点，广泛应用于在包装业、纺织业、制造业、制药行业等领域。但聚丙烯存在低温脆性差、机械强度及硬度较低以及成型收缩率大等缺点，同时，其极限氧指数仅为17%～17.5%，极易燃烧，产生的熔滴又极易传播火焰，并产生大量烟雾和有毒气体，限制了聚丙烯的应用范围。

高分子材料的共混技术已被广泛用于塑料、橡胶工业中。通过高分子的共混可以起到改变高分子材料的物理机械性能、改善加工性能、降低成本和扩大适用范围的作用。不含增容剂的PET/PP合金，由于他们分子结构上的差异，其共混体系的界面作用小，相容性差，晶相分离，故这种共混物几乎没有实用价值。但是在PET/PP合金中添加增容剂后，改善了PP和PET的界面性能，提高了他们之间的粘着力，PET/PP合金的性能就得到了改善。

通过PET、PP和阻燃剂共混可大大改善纯PET与PP的韧性，提高它们的冲击强度和阻燃性能。

发明内容

本发明的目的是采用塑料合金改性方法，以PET为基体，PP为增韧剂，加入无卤环保阻燃剂，连续碳纤维为增强项，提供一种高性能功能化的碳纤维增强PET阻燃增韧复合材料及其制备方法，从而获得高性能、功能化的新材料，改善并提高了单一塑料材料的性能，且实现制品具有良好的阻燃效果及降低成本。

为了实现本发明的目的，具体技术方案如下：

一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，由下述重量配方组成：

聚对苯二甲酸乙二醇酯 40～60份

聚丙烯 10～50份

阻燃剂 12～18份

相容剂 2～8份

偶联剂 0.5～3份

抗氧剂 0.1～1份

碳纤维 10～25份

所述PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯粒料，为MFR：0.65~0.68 g/10min、弯曲模量≥1800MPa、冲击强度（23℃）≥7 kJ/m²、拉伸强度≥30 MPa的粒料，所述聚丙烯为聚丙烯粒料，为MFR：0.3~1.0 g/10min、弯曲模量≥1200 MPa、缺口冲击强度（-20℃）≥15 kJ/m²、拉伸强度≥25 MPa的粒料。

所述碳纤维为经过硅烷偶联剂(KH-550)处理过的连续碳纤维，碳纤维的加入使材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度等有了极大的改善。

所述的相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-GMA)和马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH），能大幅度提高复合材料的相容性和填料的分散性，同时可改善加工流变性，提高复合材料机械强度。

所述的阻燃剂为次磷酸铝（AHP）、硅酸钙（CS）、三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）中的一种或多种的混合物，为磷-氮复配体系，同时添加协效剂硅酸钙，其主要阻燃机理为：AHP加入到材料中，先发生自身分解，产物为磷化氢和磷酸氢铝，第二步分解主要为磷酸氢铝脱水成聚磷酸铝，使阻燃材料在燃烧过程中产生一些含磷的难燃性气体，稀释了燃烧区域的可燃气体浓度，并且还分解产生了磷酸及聚磷酸，从而促进材料提前降解成炭，形成的炭层能很好地隔绝氧气和热量进入到材料的内部，同时减少了可燃性气体的逸出，保护了下层材料的进一步降解和燃烧，抑制了材料在燃烧时熔滴的产生。而硅酸钙由于其具有多孔结构和大量的硅元素，能有效抑制烟气的释放量，减少危害。MCA在燃烧过程中释放出难燃气体，同时促进材料产生熔滴而带走部分热量，主要起气相阻燃的作用。而添加适量硅酸钙可以有效的降低产品的烟气释放量，起到明显的协效阻燃作用。

所述的偶联剂为硅烷偶联剂（KH-550）；所述的抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂168中的一种或两种混合物，采用1010与抗氧剂168复配体系，上述抗氧剂1010作为主抗氧剂，终止自由基反应剂，抗氧剂168作为辅抗氧剂，抗氧剂1010和168分别分解生成的过氧化物具有良好的协同效应。

一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料方法，包括以下的步骤：

（1）将PET在110℃～120℃下干燥12 h，控制含水量在0.1％以下，待用；

（2）将PP在60℃～80℃下干燥2～4 h，待用；

（3）将阻燃剂等配料在80℃～85℃下干燥60～120分钟，待用；

（4）将烘干去除水分的PET粒料、PP粒料和相容剂（KH-550）放入高速混合机混合，保持转速2000 rpm，高速搅拌10 min；再依次加入阻燃剂和抗氧剂，继续共混10 min，使混合均匀后出料获得共混物料；

（5）将硅烷偶联剂配置成溶液（硅烷偶联剂：乙醇：水=20:70:10），用醋酸调节溶液pH至4.5，将5%~20%硅烷偶联剂溶液通过涂、刷，浸渍处理碳纤维表面，取出后室温静置24 h，并置于鼓风干燥箱中在120℃下干燥15~30 min后使用；

（6）将共混物料放入双螺杆挤出机中，经熔融挤出、冷却、切粒，制得PET阻燃增韧母料，其中，双螺杆挤出机各段温度分别为：190、220、230、240、250、260、255、250、245℃，模头温度为240℃，主机转速230 r/min；

（7）经双螺杆挤出机挤出的PET阻燃增韧母料在110℃～120℃下干燥8～12 h，在注塑机中注塑成标准样条用于力学测试，其中注塑机料筒温度为240～255℃，保压15 s，冷却时间15～35 s；

（8）将步骤（6）获得的PET阻燃增韧母料通过模压成型工艺在260℃~280℃下压制成0.2mm厚的薄膜，而后与步骤（5）处理的连续碳纤维进行铺层，并放入模压机中进行压制，制备出阻燃预浸料，经模压和叠层工艺制备PET树脂制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料。所述的模压和叠层工艺为现有技术。

采用上述技术方案后，本发明具有如下特点和优点：1、制品低温韧性好，表面光泽度良好；2、制品阻燃效率高，抑烟效果明显；3、通过添加适量的碳纤维大大提升了制品的各项力学性能；4、采用塑料合金改性方法，获得高性能、功能化的新材料，改善并提高了单一塑料材料的性能；5、实现制品轻量化及降低成本。

附图说明

图1为碳纤维复合材料热释放速率曲线图。

图2为碳纤维复合材料总烟气产生量曲线图。

具体实施方式

本发明所述实施例所采用的所述PET为MFR：0.65~0.68 g/10min、弯曲模量≥1800MPa、冲击强度（23℃）≥7 kJ/m²、拉伸强度≥30 MPa的粒料，所述聚丙烯为MFR：0.3~1.0 g/10min、弯曲模量≥1200 MPa、缺口冲击强度（-20℃）≥15 kJ/m²、拉伸强度≥25 MPa的粒料。

实施例1

一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的方法，由：PET粒料40份、PP粒料30份、连续碳纤维10份、阻燃剂13份、相容剂5.5份、偶联剂1份、抗氧剂0.5份。

（1）将40 wt%的PET粒料在温度为90～100℃下干燥12小时，控制含水量在0.1％以下；

（2）将30 wt%的PP在60℃～80℃下干燥2～4小时，待用；

（3）按重量配比称取主阻燃剂（AHP）8 wt%和辅阻燃剂（MCA、CS）5 wt%，加入高速混合机中混合均匀后，出料制得复配型阻燃剂，并在80℃～85℃下干燥60～120分钟，待用；

（4）将烘干去除水分的40份PET粒料、30份PP粒料、5.5 wt%的相容剂放入高速混合机混合，保持转速2000 rpm，高速搅拌10 min；再依次加入13 wt%的步骤（3）制得的复配型阻燃剂和0.5 wt%的抗氧剂，继续共混10 min，使混合均匀后出料；

（5）将10%的硅烷偶联剂溶液通过涂、刷，浸渍处理10份的碳纤维表面，取出后室温静置24 h，再置于鼓风干燥箱中120℃干燥15~30 min后使用；

（6）将步骤（4）所得的混合物料由双螺杆挤出机主喂料口加入，经熔融挤出、冷却、切粒，制得PET阻燃增韧母料，其中，双螺杆挤出机各段温度分别为：190、220、230、240、250、260、255、250、245℃，模头温度为240℃，主机转速230 r/min；

（7）经步骤（6）双螺杆挤出机挤出的PET阻燃增韧母料在110℃～120℃下干燥8～12 h，在注塑机中注塑成标准样条用于力学测试，其中注塑机料筒温度为240～255℃，保压15 s，冷却时间15～35 s；

（8）将步骤（6）获得的PET阻燃增韧母料通过模压成型工艺在260℃~280℃下压制成0.2mm厚的薄膜，而后与步骤（5）处理的连续碳纤维进行铺层，并放入模压机中进行压制，制备出阻燃预浸料，经模压和叠层工艺制备PET树脂制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料。

实施例2

一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的方法，由：PET粒料45份、PP粒料20份、连续碳纤维15份、阻燃剂15份、相容剂2份、偶联剂2份、抗氧剂1份。

（1）将45 wt%的PET粒料在温度为90～100℃下干燥12小时，控制含水量在0.1％以下；

（2）将20 wt%的PP在60℃～80℃下干燥2～4小时，待用；

（3）按重量配比称取主阻燃剂（AHP）9 wt%和辅阻燃剂（MCA、CS）6 wt%，加入高速混合机中混合均匀后，出料制得复配型阻燃剂，并在80℃～85℃下干燥60～120分钟，待用；

（4）将烘干去除水分的45 wt%的PET粒料、30 wt%的PP粒料、2 wt%的相容剂放入高速混合机混合，保持转速2000 rpm，高速搅拌10 min；再依次加入15 wt%的阻燃剂和1 wt%的抗氧剂，继续共混10 min，使混合均匀后出料；

（5）将15%的硅烷偶联剂溶液通过涂、刷，浸渍处理15份的碳纤维表面，取出后室温静置24 h，再置于鼓风干燥箱中120℃干燥15~30 min后使用；

（6）将步骤（4）所得的混合物料由双螺杆挤出机主喂料口加入，经熔融挤出、冷却、切粒，制得PET阻燃增韧母料，其中，双螺杆挤出机各段温度分别为：190、220、230、240、250、260、255、250、245℃，模头温度为240℃，主机转速230 r/min；

（7）经步骤（6）双螺杆挤出机挤出的PET阻燃增韧母料在110℃～120℃下干燥8～12 h，在注塑机中注塑成标准样条用于力学测试，其中注塑机料筒温度为240～255℃，保压15 s，冷却时间15～35 s；

（8）将步骤（6）获得的PET阻燃增韧母料通过模压成型工艺在260℃~280℃下压制成0.2mm厚的薄膜，而后与步骤（5）处理的连续碳纤维进行铺层，并放入模压机中进行压制，制备出阻燃预浸料，经模压和叠层工艺制备PET树脂制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料。所制备的碳纤维增强PET复合材料的阻燃性能见表1和表2，力学性能见表3。

表1.实施例1阻燃剂改性PET复合材料的阻燃性能

表2.实施例2阻燃剂改性碳纤维增强PET复合材料的阻燃性能

表3.增韧剂改性碳纤维增强PET复合材料的力学性能对比

	实施例1	实施例2
			拉伸强度（MPa）	361	383
弯曲强度（MPa）	126	132
			缺口冲击强度（KJ/m<sup>2</sup>）	8.8	9.6

Claims (7)

1.一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其原料是由PET、PP、碳纤维和助剂组成，其特征在于，所述原料以重量份计：

聚对苯二甲酸乙二醇酯 40～60份

聚丙烯 10～50份

阻燃剂 12～18份

相容剂 2～8份

偶联剂 0.5～3份

抗氧剂 0.1～1份

碳纤维 10～25份。

2.根据权利要求1所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其特征在于，所述PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯粒料；所述PP为聚丙烯粒料；所述的碳纤维为表面经硅烷偶联剂处理过的连续碳纤维。

3.根据权利要求1所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其特征在于，所述的阻燃剂为次磷酸铝（AHP）、硅酸钙（CS）、三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）中的一种或多种的混合物。

4.根据权利要求1或2所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为硅烷偶联剂（KH-550）。

5.根据权利要求1所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其特征在于，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯（PP-g-MA）或甲基丙烯酸缩水甘油酯（POE-g-GMA）。

6.根据权利要求1所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂168中的一种或两种混合物。

7.权利要求1-6任一所述的一种制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下的步骤：

（1）将PET在110℃～120℃下干燥12 h，控制含水量在0.1％以下，待用；

（2）将PP在60℃～80℃下干燥2～4 h，待用；

（3）将阻燃剂、相容剂和抗氧剂配料在80℃～85℃下干燥60～120 min，待用；

（4）将烘干去除水分的PET粒料、PP粒料和相容剂（KH-550）放入高速混合机混合，保持转速2000 rpm，高速搅拌10 min；再依次加入阻燃剂和抗氧剂，继续共混10 min，使混合均匀后出料获得共混物料；

（5）将硅烷偶联剂配置成溶液，所述溶液中硅烷偶联剂：乙醇：水质量比=20:70:10，用醋酸调节溶液pH至4.5形成硅烷偶联剂溶液，将配制成浓度为5wt%~20 wt %的硅烷偶联剂溶液通过涂、刷，浸渍处理碳纤维表面，取出后室温静置24 h，并置于鼓风干燥箱中在120℃下干燥15~30 min后使用；

（6）将步骤（4）获得的共混物料放入双螺杆挤出机中，经熔融挤出、冷却、切粒，制得PET阻燃增韧母料，其中，双螺杆挤出机各段温度分别为：190、220、230、240、250、260、255、250、245℃，模头温度为240℃，主机转速230 r/min；

（7）经步骤（6）双螺杆挤出机挤出的PET阻燃增韧母料在110℃～120℃下干燥8～12 h，在注塑机中注塑成标准样条用于力学测试，其中注塑机料筒温度为240～255℃，保压15 s，冷却时间15～35 s；

（8）将步骤（6）获得的PET阻燃增韧母料通过模压成型工艺在260℃~280℃下压制成0.2mm厚的薄膜，而后与步骤（5）处理的连续碳纤维进行铺层，并放入模压机中进行压制，制备出阻燃预浸料，经模压和叠层工艺制备PET树脂制备阻燃抑烟碳纤维增强PET复合材料。