CN110467772A - 一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。该无卤阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计，包括如下原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维10～30份、改性石墨烯1～6份、改性氢氧化镁3～10份、聚丙烯蜡0.5～2份、抗氧化剂0.1～1份。本发明将改性石墨烯、改性氢氧化镁加入到聚丙烯复合材料体系中，复合材料的阻燃效果明显增强，改性石墨烯与改性氢氧化镁的协同阻燃效果明显，而且，改性石墨烯、改性氢氧化镁与聚丙烯树脂的相容性好，对聚丙烯树脂的力学性能影响比较小，同时本发明通过添加玻璃纤维大幅增强复合材料的力学性能。

Description

一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子功能材料技术领域，特别涉及一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯是发展最快的通用树脂，聚丙烯具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性、低密度、低毒性、低成本等优点，在汽车、电缆、包装、建材、家具等领域有着广泛的应用。然而，聚丙烯的热稳定性和阻燃性较差，极大地限制了其应用领域。由于PP自由结构的原因，遇火易燃烧，发热量高，燃烧速度快，并伴有发烟、滴落现象，容易发生火灾，为了解决聚丙烯的这一缺陷，国外和国内的诸多学者在阻燃聚丙烯复合材料方面进行了大量的研究。现在应用最多是的卤素阻燃剂，但是卤素阻燃剂燃烧后会放出大量的烟雾和卤化氢气体，对在发生火灾时进行扑救造成了困难，而且生成的卤化氢气体会对环境造成严重的污染。因此研制新型的无卤阻燃聚丙烯复合材料势在必行。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供的一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计，包括如下原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维10～30份、改性石墨烯1～6份、改性氢氧化镁3～10份、聚丙烯蜡0.5～2份、抗氧化剂0.1～1份。
优选的，所述改性氢氧化镁为采用下述方法制得：
将氢氧化镁加入水中，经超声处理分散后，加入钛酸酯偶联剂，继续超声处理10～30min，经抽滤、洗涤、干燥、研磨得到改性氢氧化镁。
进一步优选的，所述钛酸酯偶联剂与所述氢氧化镁的质量比为0.005～0.1:1。
进一步优选的，所述钛酸酯偶联剂为三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯。
优选的，所述改性石墨烯为采用下述方法制得：
将尿素溶液滴加到氧化石墨烯分散液中，超声分散3～8小时后，在120～180℃水热反应4～8h得到氨基改性石墨烯水凝胶，将氨基改性石墨烯水凝胶破碎后，再分散于水中，经雾化、低温冷凝后，再冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶微粉，将石墨烯气凝胶微粉加入钛酸酯偶联剂中，升温至120～150℃，反应2～4小时，经干燥得到改性石墨烯。
进一步优选的，所述尿素与所述氧化石墨烯的质量比为10～30:1。
进一步优选的，所述尿素溶液与所述氧化石墨烯分散液的体积比为0.01～0.1:1。
进一步优选的，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1～5mg/mL。
进一步优选的，所述抗氧化剂选自抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂300中的一种或多种。
第二方面，本发明提供的一种如第一方面所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将改性石墨烯、改性氢氧化镁加入到聚丙烯复合材料体系中，复合材料的阻燃效果明显增强，改性石墨烯与改性氢氧化镁的协同阻燃效果明显，而且，改性石墨烯、改性氢氧化镁与聚丙烯树脂的相容性好，避免因石墨烯和氢氧化镁的团聚而减弱聚丙烯树脂的力学性能，同时本发明通过添加玻璃纤维大幅增强复合材料的力学性能。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
第一方面，本发明提供的一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，按重量份数计，包括如下原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维10～30份、改性石墨烯1～6份、改性氢氧化镁3～10份、聚丙烯蜡0.5～2份、抗氧化剂0.1～1份。
在本实施方式中，所述改性氢氧化镁为采用下述方法制得：
将氢氧化镁加入水中，经超声处理分散后，加入钛酸酯偶联剂，继续超声处理10～30min，经抽滤、洗涤、干燥、研磨得到改性氢氧化镁。
进一步的，所述水与所述氢氧化镁的质量比为1～5:1。
进一步的，所述超声处理的条件为：功率200～500W，超声波频率50～100KHz。
进一步的，所述钛酸酯偶联剂与所述氢氧化镁的质量比为0.005～0.1:1。
进一步的，所述钛酸酯偶联剂为三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯。
可以理解的是，本发明通过氢氧化镁表面的羟基与钛酸酯偶联剂中的R-O-Ti反应形成化学结合，钛酸酯偶联剂的三个烷酰氧基通过分子间范德华力及在高分子链的缠结作用下，将氢氧化镁与聚丙烯树脂耦合在一起，钛酸酯偶联剂包裹氢氧化镁，降低表面能促使氢氧化镁颗粒在聚丙烯树脂中分散均匀，有利于充分发氢氧化镁的阻燃作用。
在本实施方式中，所述改性石墨烯为采用下述方法制得：
将尿素溶液滴加到氧化石墨烯分散液中，超声分散3～8小时后，在120～180℃水热反应4～8h得到氨基改性石墨烯水凝胶，将氨基改性石墨烯水凝胶破碎后，再分散于水中，经雾化、低温冷凝后，再冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶微粉，将石墨烯气凝胶微粉加入钛酸酯偶联剂中，升温至120～150℃，反应2～4小时，经干燥得到改性石墨烯。
进一步的，所述尿素与所述氧化石墨烯的质量比为10～30:1。
进一步的，所述尿素溶液与所述氧化石墨烯分散液的体积比为0.01～0.1:1。
进一步的，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1～5mg/mL。
可以理解的是，本发明先对石墨烯进行改性，制成水凝胶，再制成气凝胶微粉，大大增大了石墨烯气凝胶微粉的孔隙率，钛酸酯偶联剂共价键合石墨烯气凝胶微粉的表面，可以阻止石墨烯发生沉积和团聚，在混炼过程中与聚丙烯树脂的相容性好，充分发挥其阻燃性能和耐热性能。
在本实施方式中，所述抗氧化剂选自抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂300中的一种或多种。
进一步的，所述抗氧化剂为抗氧化剂1010。
第二方面，本发明提供的一种如第一方面所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料。
下面对本发明的具体实施例作进一步说明。
以下实施例和对比例中，抗氧化剂为抗氧化剂1010。
实施例1
本实施例提供的一种无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备改性氢氧化镁
按照去离子水、三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯和氢氧化镁的质量比为3:0.05:1的比例，将氢氧化镁加入去离子中，在功率200～500W、超声波频率50～100KHz的条件下超声处理20min后，加入三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯，继续超声处理20min，经抽滤、洗涤、干燥、研磨得到改性氢氧化镁；
(2)制备改性石墨烯
将尿素溶液滴加到氧化石墨烯分散液中，超声分散5小时后，在160℃水热反应6h得到氨基改性石墨烯水凝胶，将氨基改性石墨烯水凝胶破碎后，再分散于水中，经雾化、低温冷凝后，再冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶微粉，将石墨烯气凝胶微粉加入钛酸酯偶联剂中，升温至140℃，反应3小时，经干燥得到改性石墨烯，其中，尿素与氧化石墨烯的质量比为20:1，尿素溶液与氧化石墨烯分散液的体积比为0.05:1，氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1.5mg/mL；
(3)制备聚丙烯复合材料
称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维10份、改性石墨烯3份、改性氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为80.1MPa，弯曲强度为133.7MPa，阻燃等级为V-0。
实施例2
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维20份、改性石墨烯3份、改性氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为94.7MPa，弯曲强度为147.1MPa，阻燃等级为V-0。
实施例3
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维20份、改性石墨烯3份、改性氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.5份、抗氧化剂0.2份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为97.4MPa，弯曲强度为150.1MPa，阻燃等级为V-0。
实施例4
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维30份、改性石墨烯3份、改性氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.6份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为90.2MPa，弯曲强度为142.5MPa，阻燃等级为V-0。
实施例5
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维24份、改性石墨烯3.5份、改性氢氧化镁6份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.25份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为97.7MPa，弯曲强度为151.3MPa，阻燃等级为V-0。
实施例6
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维27份、改性石墨烯4份、改性氢氧化镁6份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为93.1MPa，弯曲强度为143.1MPa，阻燃等级为V-0。
实施例7
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维20份、改性石墨烯2份、改性氢氧化镁10份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为91.7MPa，弯曲强度为143.3MPa，阻燃等级为V-0。
实施例8
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维15份、改性石墨烯5份、改性氢氧化镁3份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为84.3MPa，弯曲强度为139.2MPa，阻燃等级为V-0。
实施例9
按照实施例1的步骤(1)和步骤(2)分别制得改性氢氧化镁和改性石墨烯，称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维20份、改性石墨烯1份、改性氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为92.5MPa，弯曲强度为146.1MPa，阻燃等级为V-0。
对比例1
称取下述按重量份数计的原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维20份、石墨烯3份、氢氧化镁8份、聚丙烯蜡0.8份、抗氧化剂0.3份；将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机挤出温度为：机筒I区160℃、机筒Ⅱ区170℃，机筒Ⅲ区185℃、模头I区190℃、模头Ⅱ区200℃，模头Ⅲ区200℃。
经测试，本对比例所得产品的拉伸强度为85.1MPa，冲击强度为130.5MPa，阻燃等级为V-1。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括如下原料：聚丙烯树脂100份、玻璃纤维10～30份、改性石墨烯1～6份、改性氢氧化镁3～10份、聚丙烯蜡0.5～2份、抗氧化剂0.1～1份。
2.根据权利要求1所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述改性氢氧化镁为采用下述方法制得：
将氢氧化镁加入水中，经超声处理分散后，加入钛酸酯偶联剂，继续超声处理10～30min，经抽滤、洗涤、干燥、研磨得到改性氢氧化镁。
3.根据权利要求2所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述钛酸酯偶联剂与所述氢氧化镁的质量比为0.005～0.1:1。
4.根据权利要求2所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述钛酸酯偶联剂为三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯。
5.根据权利要求1所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述改性石墨烯为采用下述方法制得：
将尿素溶液滴加到氧化石墨烯分散液中，超声分散3～8小时后，在120～180℃水热反应4～8h得到氨基改性石墨烯水凝胶，将氨基改性石墨烯水凝胶破碎后，再分散于水中，经雾化、低温冷凝后，再冷冻干燥，得到石墨烯气凝胶微粉，将石墨烯气凝胶微粉加入钛酸酯偶联剂中，升温至120～150℃，反应2～4小时，经干燥得到改性石墨烯。
6.根据权利要求5所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述尿素与所述氧化石墨烯的质量比为10～30:1。
7.根据权利要求5所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述尿素溶液与所述氧化石墨烯分散液的体积比为0.01～0.1:1。
8.根据权利要求5所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的质量浓度为1～5mg/mL。
9.根据权利要求5所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述抗氧化剂选自抗氧化剂1010、抗氧化剂168、抗氧化剂300中的一种或多种。
10.一种如权利要求1～9中任一项所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、改性石墨烯、改性氢氧化镁、聚丙烯蜡、抗氧化剂加入高速混合机内混合均匀，再转入双螺杆挤出机，同时将玻璃纤维加入双螺杆挤出机，在160～210℃下熔融混合分散，挤出造粒，经注塑成型制成无卤阻燃聚丙烯复合材料。
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CN115746452A (zh) * 2022-11-09 2023-03-07 广州工程技术职业学院 一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法
CN115838513A (zh) * 2022-12-22 2023-03-24 爱丽家居科技股份有限公司 一种石墨烯阻燃型地板及其制备方法

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