CN110387079A - 一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料 - Google Patents

一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及涉及一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，属于包装材料领域，该聚乙烯发泡材料由如下重量份数的各组分组成：线性低密度聚乙烯40‑60份，中密度聚乙烯10‑30份，高密度聚乙烯35‑50份，复合阻燃剂12‑20份，交联剂2‑4份，发泡剂3‑7份，发泡助剂1.5‑4份，成核剂1‑4份，老化改性剂0.5‑2份，其中复合阻燃剂由纳米二氧化硅和碳纳米管复配而成。在模压发泡工艺下各原料组分相互协同作用，最终获得阻燃性能、耐环境应力开裂及拉伸强度性能等综合性能优异的新型聚乙烯发泡环保包装材料。

Description

一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料
技术领域
本发明涉及一种聚乙烯发泡材料，尤其涉及一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料。
背景技术
聚乙烯发泡材料作为一种新型环保包装材料，克服了普通发泡塑料易碎、变形、恢复性差的缺点，具有隔水防潮、防震、隔音、保温、可塑性能佳、韧性强、循环再造、环保、抗撞力强和抗化学性能佳等诸多优点，是传统包装材料的理想替代品。
随着聚乙烯发泡材料应用日益广泛，对其性能要求也越来越高。中国发明专利(CN107793618A)公开了一种聚乙烯发泡材料及其制备方法，通过低密度聚乙烯60-70份、高密度聚乙烯15-20份、乙烯-醋酸乙烯共聚物10-15份、钛酸酯改性碳酸钙4-5份、交联剂0.5-1份、偶氮二甲酰胺8-12份、氧化锌0.1-0.5份、二氧化硅1-3份、硬脂酸锌0.2-0.8份、抗氧剂0.2-0.4份组分和模压发泡法虽提高了聚乙烯产品的刚性、硬度和压缩强度，但其阻燃性能依然未得到改善，聚乙烯发泡材料分子链中只有碳、氢两种元素，所以极容易燃烧，且燃烧时滴落严重，有石蜡气味，其氧指数仅为17，大大限制了其在制冷、空调风管、采暖保温等领域作为建筑内饰材料的使用。为了进一步拓展聚乙烯发泡材料的应用领域，亟待开发一种综合性能优良，尤其是阻燃性能显著改善的聚乙烯发泡材料。
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，提供一种综合性能优良，尤其是阻燃性能显著提高的聚乙烯发泡材料。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，该聚乙烯发泡材料由如下重量份数的各组分组成：
线性低密度聚乙烯40-60份，
中密度聚乙烯10-30份，
高密度聚乙烯35-50份，
复合阻燃剂12-20份，
交联剂2-4份，
发泡剂3-7份，
发泡助剂1.5-4份，
成核剂1-4份，
老化改性剂0.5-2份。
本发明之所以选择线性低密度聚乙烯(LLDPE)而非常用的低密度聚乙烯(LDPE)，是因为LLDPE与LDPE相比具有强度高、韧性好、刚性强、耐热、耐寒的优点，还具有良好的耐环境应力开裂、耐撕裂强度性能。进一步将线性低密度聚乙烯与中密度聚乙烯(MDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)混合形成共混物，该共混物作为基体树脂打破了传统采用单一类型聚乙烯或低密度聚乙烯与高密封聚乙烯相结合的方式，传统方式下的基体树脂一般流动性、阻燃性及耐环境应力开裂、耐撕裂强度都会受到很大的限制而无法满足较高要求的建筑包装材料，而本发明将LLDPE、MDPE、HDPE三者混合能延缓结晶，改变物料的流动性，从而使聚乙烯发泡材料既能保持一定的柔软性又能提高强度、阻燃性及耐环境应力开裂性能。
作为优选，所述复合阻燃剂由纳米二氧化硅和碳纳米管按质量比(10-16)：1复配而成。纳米SiO2具有较低的表面能，易迁移到碳层表面，从而形成致密性良好的SiO2阻挡层，使得碳层免于被氧化降解，提高聚乙烯发泡材料的阻燃性能，且仅添加5％左右的纳米SiO2就能够有效提高聚乙烯发泡材料材料的氧指数，降低热释放速率，减小质量损失速率。但是单纯的添加纳米二氧化硅，会在一定程度上弱化聚乙烯发泡材料的力学性能，为了克服这一缺陷，本发明采用碳纳米管与纳米二氧化硅按质量比1：(10-16)进行复配，碳纳米管因其特殊的碳结构，不仅有利于协同纳米二氧化硅形成网络结构，从而有效形成刚性碳层，阻碍热量传输，降低发泡材料燃烧时的热释放速率，大大提高聚乙烯发泡材料的阻燃性能，还能与基材形成牢固的界面结合，与基体树脂之间的链段发生缠结，形成有利于力学性能提高的界面结构，从而在一定程度上提高聚乙烯发泡材料的力学性能。
进一步优选，所述纳米二氧化硅需经过表面改性，所述表面改性具体过程为：称取5g纳米二氧化硅，并加入60ml的乙醇和水的混合溶液(乙醇：水＝1：2)，磁力搅拌2h，然后超声分散20min；再称取1g十二烷基苯磺酸钠加入到去离子水中，用醋酸调节pH值为弱酸性；然后将纳米二氧化硅浆液与十二烷基苯磺酸钠溶液混合，加热搅拌2h，抽滤、洗涤置于75℃烘箱中烘干，即得表面改性后的纳米二氧化硅。
本发明经表面改性后的纳米SiO2在基体树脂中的分散性和相容性大大提高，有效发挥了纳米SiO2在燃烧过程中起到的物理阻隔作用，延缓了体系的热释放，有助于提高聚乙烯发泡材料的阻燃性能和拉伸性能。
作为优选，所述交联剂为过氧化二异丙苯。加入交联剂的目的是使聚乙烯基体树脂在熔融过程中发生交联以提高基体树脂的熔体强度，进而避免因泡孔壁破裂引起的泡孔塌陷现象。
作为优选，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺。
作为优选，所述发泡助剂为氧化锌和硬脂酸锌按质量比(1.5-2.5)：1复配而成。
作为优选，所述成核剂为苯甲酸钠与滑石粉按质量比(1-3)：1复配而成。成核剂的种类往往取决于基体树脂的分子结构，因此，在本发明基体树脂的基础上，成核剂选择苯甲酸钠与滑石粉按质量比(3-5)：1进行复配，二者复配的成核剂不仅使熔体在较高温度下异相成核，提高结晶速率，同时还使聚合物在高温下因结晶易固化脱模，从而缩短加工周期，提高产品质量。若单独采用苯甲酸钠，虽能有效的降低聚合物表面张力，更有助于生成气泡核，提高泡孔的整体均匀性，进而改善发泡材料的刚性和光泽度，但其透明改性效果不理想，为了克服这一缺陷，本发明将少量的滑石粉与其进行复配，少量滑石粉能提高聚乙烯发泡材料的的透明度，但其在聚乙烯材料中分散困难，并且对光线有屏蔽作用，用量太大反而会影响材料的透明度，因此与苯甲酸钠复配时要严格按照(3-5)：1的比例进行。
作为优选，所述老化改性剂为单硬脂酸甘油酯。本发明添加少量的单硬脂酸甘油酯作为老化改性剂不仅在室温下可稳定发泡过程，而且在高温时可更早地引入更多的泡孔结构，有助于获得更好的发泡效果。
本发明还提供了一种上述聚乙烯发泡材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
S1、按照上述聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；
S2、将称取的基体树脂在110-130℃开炼机上开炼融化，4-6min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，4-7min后出片；
S3、将出好的片置于预热模具中，于130-150℃下的平板硫化机上加压至9-11MPa，保压8-12min，然后置于6-8MPa的压力下冷却成型，制得压片；
S4、将压片进行发泡，发泡过程持续5-7min，最终制得聚乙烯发泡材料。
本发明通过模压发泡工艺制备的聚乙烯发泡材料泡孔分布均匀，孔径较小，表观密度、撕裂强度和拉伸强度均有所增加。该工艺简单，无需复杂设备，不仅节约成本，且符合无卤环保阻燃的要求。
作为优选，所述步骤S4在发泡时预热段温度设置在150-170℃，发泡段温度设置在180-200℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明将LLDPE、MDPE、HDPE三者混合作为基体树脂使聚乙烯发泡材料既能保持一定的柔软性又能提高强度、阻燃性及耐环境应力开裂性能。
2.采用表面改性的纳米二氧化硅与碳纳米管作为复配阻燃剂，通过协同作用形成网络结构，从而有效形成刚性碳层，阻碍热量传输，降低发泡材料燃烧时的热释放速率，大大提高聚乙烯发泡材料的阻燃性能，还能在一定程度上提高聚乙烯发泡材料的力学性能。
3.本发明采用模压发泡工艺无需复杂设备，不仅节约成本，且符合无卤环保阻燃的要求。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并说明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。
实施例1-5
实施例1-5中所述无卤高阻燃聚乙烯发泡材料各重量份组分组成如表1所示，其中复合阻燃剂、发泡助剂、成核剂组分的复配质量比如表2所示。
表1：无卤高阻燃聚乙烯发泡材料各重量份组分组成
表2：复合阻燃剂、发泡助剂、成核剂组分的复配质量比
实施例1-5中所述纳米二氧化硅需经过表面改性，具体过程为：称取5g纳米二氧化硅，并加入60ml的乙醇和水的混合溶液(乙醇：水＝1：2)，磁力搅拌2h，然后超声分散20min；再称取1g十二烷基苯磺酸钠加入到去离子水中，用醋酸调节pH值为弱酸性；然后将纳米二氧化硅浆液与十二烷基苯磺酸钠溶液混合，加热搅拌2h，抽滤、洗涤置于75℃烘箱中烘干，即得表面改性后的纳米二氧化硅。
实施例6
按实施例1中聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；将称取的基体树脂在110℃开炼机上开炼融化，4min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，4min后出片；将出好的片置于预热模具中，于130℃下的平板硫化机上加压至9MPa，保压8min，然后置于6MPa的压力下冷却成型，制得压片；将压片进行发泡，发泡时预热段温度设置在150℃，发泡段温度设置在180℃发泡过程持续5min，最终制得聚乙烯发泡材料。
实施例7
按实施例2中聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；将称取的基体树脂在115℃开炼机上开炼融化，4min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，5min后出片；将出好的片置于预热模具中，于135℃下的平板硫化机上加压至9MPa，保压9min，然后置于7MPa的压力下冷却成型，制得压片；将压片进行发泡，发泡时预热段温度设置在155℃，发泡段温度设置在185℃发泡过程持续5min，最终制得聚乙烯发泡材料。
实施例8
按实施例3中聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；将称取的基体树脂在120℃开炼机上开炼融化，5min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，6min后出片；将出好的片置于预热模具中，于140℃下的平板硫化机上加压至10MPa，保压10min，然后置于7MPa的压力下冷却成型，制得压片；将压片进行发泡，发泡时预热段温度设置在160℃，发泡段温度设置在190℃，发泡过程持续6min，最终制得聚乙烯发泡材料。
实施例9
按实施例4中聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；将称取的基体树脂在125℃开炼机上开炼融化，5min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，6min后出片；将出好的片置于预热模具中，于145℃下的平板硫化机上加压至9.5MPa，保压11min，然后置于7.5MPa的压力下冷却成型，制得压片；将压片进行发泡，发泡时预热段温度设置在165℃，发泡段温度设置在195℃，发泡过程持续7min，最终制得聚乙烯发泡材料。
实施例10
按实施例5中聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；将称取的基体树脂在130℃开炼机上开炼融化，6min后加入其他组分原料混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，7min后出片；将出好的片置于预热模具中，于150℃下的平板硫化机上加压至11MPa，保压12min，然后置于8MPa的压力下冷却成型，制得压片；将压片进行发泡，发泡时预热段温度设置在170℃，发泡段温度设置在200℃，发泡过程持续7min，最终制得聚乙烯发泡材料。
对比例1
与实施例8的区别仅在于，本对比例基体树脂由低密度聚乙烯和高密度聚乙烯共混而成。
对比例2
与实施例8的区别仅在于，本对比例阻燃剂仅为纳米二氧化硅。
对比例3
与实施例8的区别仅在于，本对比例成核剂仅为苯甲酸钠。
对比例4
与实施例8的区别仅在于，本对比例不含有老化改性剂。
本发明实施例6-10与对比例1-4中所述的聚乙烯发泡材料的性能参数如表3所示。
表3：实施例6-10与对比例1-3中所述的聚乙烯发泡材料的性能参数
综合以上因素，本发明通过对基体树脂、阻燃剂、成核剂特别设计，与其他原料组分相互协同作用，配合模压成型工艺最终获得阻燃性能、耐环境应力开裂及拉伸强度性能等综合性能优异的新型聚乙烯发泡环保包装材料。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内，并且本发明方案所有涉及的参数间如未特别说明，则相互之间不存在不可替换的唯一性组合。

Claims (9)

1.一种无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，该聚乙烯发泡材料由如下重量份数的各组分组成：
线性低密度聚乙烯 40-60份，
中密度聚乙烯 10-30份，
高密度聚乙烯 35-50份，
复合阻燃剂 12-20份，
交联剂 2-4份，
发泡剂 3-7份，
发泡助剂 1.5-4份，
成核剂 1-4份，
老化改性剂 0.5-2份。
2.根据权利要求1所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述复合阻燃剂由纳米二氧化硅和碳纳米管按质量比(10-16)：1复配而成。
3.根据权利要求2所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述纳米二氧化硅需经过表面处理，具体过程为：称取5g纳米二氧化硅，并加入60ml的乙醇和水的混合溶液(乙醇：水＝1：2)，磁力搅拌2h，然后超声分散20min；再称取1g十二烷基苯磺酸钠加入到去离子水中，用醋酸调节pH值为弱酸性；然后将纳米二氧化硅浆液与十二烷基苯磺酸钠溶液混合，加热搅拌2h，抽滤、洗涤置于75℃烘箱中烘干，即得表面改性后的纳米二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述交联剂为过氧化二异丙苯。
5.根据权利要求1所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺。
6.根据权利要求1所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述发泡助剂为氧化锌和硬脂酸锌按质量比(1.5-2.5)：1复配而成。
7.根据权利要求1所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述成核剂为苯甲酸钠与滑石粉按质量比(3-5)：1复配而成。
8.一种如权利要求1所述的聚乙烯发泡材料的的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
S1、按如权利要求1中所述的聚乙烯发泡材料的重量份组分称取原料；
S2、将称取的基体树脂在110-130℃开炼机上开炼融化，4-6min后加入其他原料组分混合均匀，以反复打倒三角的方式使混合物塑化均匀，4-7min后出片；
S3、将出好的片置于预热模具中，于130-150℃下的平板硫化机上加压至9-11 MPa，保压8-12min，然后置于6-8 MPa的压力下冷却成型，制得压片；
S4、将压片进行发泡，发泡过程持续5-7min，最终制得聚乙烯发泡材料。
9.根据权利要求8所述的无卤高阻燃聚乙烯发泡材料，其特征在于，所述步骤S4在发泡时预热段温度设置在150-170℃，发泡段温度设置在180-200℃。
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