CN110698805B - 一种改性阻燃工程塑料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种改性阻燃工程塑料，包括40‑75份ABS、15‑30份纳米纤维素、10‑15份膨胀石墨、3‑5份三乙基磷酸脂、3‑5份复配阻燃剂、3‑5份分散剂、2‑6份复合增韧剂、0.5‑1份抗氧化剂、0.2‑0.8份硼‑硅溶胶，其制备方法包括以下步骤：（1）将40‑75份ABS、15‑30份纳米纤维素、10‑15份膨胀石墨、3‑5份三乙基磷酸脂、3‑5份分散剂、2‑6份复合增韧剂、0.5‑1份抗氧化剂、0.2‑0.8份黏结剂，干燥、混匀；（2）将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒；（3）将步骤（2）所得粒料干燥，注塑即得所述改性阻燃工程塑料，所制得的改性阻燃工程塑料，应用于电力系统，提升阻燃效果的同时不影响工程塑料的力学性能，满足用电材料长期无人值守的苛刻阻燃要求。
Description
技术领域
本发明涉及工程塑料领域，具体涉及一种改性阻燃工程塑料。
背景技术
工程塑料包括PP、PA、ABS等，广泛应用于电力系统或建筑材料方面，其要求的阻燃性能相当高。
工程塑料主要通过两种途径进行阻燃：一是使用反应型阻燃剂，即阻燃剂是作为一种反应单体参加反应，即结合到工程塑料的主链或侧链上去，使工程塑料本身含有阻燃成分，但操作和加工工艺复杂，在实际应用中不及添加型阻燃方法普遍；二是使用添加型阻燃剂，即通过机械混合方法，使其获得阻燃性，然而传统的添加型阻燃剂在添加过程中，很多以牺牲其力学性能为代价达到阻燃效果，而优异的阻燃材料不仅仅需要有高的阻燃性能，还要求满足其作为工程塑料所需满足的特殊场合下的力学性能要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种改性阻燃工程塑料，应用于电力系统，提升阻燃效果的同时不影响工程塑料的力学性能，满足用电材料长期无人值守的苛刻阻燃要求。
本发明解决问题的技术方案是，提供一种改性阻燃工程塑料，包括如下组分：40-75份ABS、15-30份纳米纤维素、10-15份膨胀石墨、3-5份三乙基磷酸脂、3-5份复配阻燃剂、3-5份分散剂、2-6份复合增韧剂、0.5-1份抗氧化剂、0.2-0.8份硼-硅溶胶。
优选地，所述分散剂为木质素磺酸钠。
优选地，所述复合增韧剂为质量比为5：1的Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物。
优选地，所述抗氧化剂为Ultranox 626、Irganox 1010中的一种或多种。
优选地，所述复配阻燃剂由溴化环氧阻燃剂、三氧化二锑、氮系阻燃剂、磷系阻燃剂复配而成，其质量比为2：1：2：3。
优选地，所述溴化环氧阻燃剂包括十溴联苯醚、十四溴二苯氧基苯中一种或几种，氮系阻燃剂包括三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺氰尿酸盐中的一种或几种、磷系阻燃剂包括磷酸酯、亚磷酸酯、磷酸酯的一种或几种。
进一步地，其制备方法，包括以下步骤：（1）将40-75份ABS、15-30份纳米纤维素、10-15份膨胀石墨、3-5份三乙基磷酸脂、3-5份分散剂、2-6份复合增韧剂、0.5-1份抗氧化剂、0.2-0.8份黏结剂，干燥、混匀；（2）将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒；（3）将步骤（2）所得粒料干燥，注塑即得所述改性阻燃工程塑料。
优选地，所述步骤（1）的干燥温度为120℃，干燥时间为4h。
优选地，所述步骤（2）的挤出温度设定为一区240℃、二区240℃、三区240℃、四区235℃、五区235℃、六区235℃、机头245℃，主机螺杆转速为380r/min，喂料螺杆转速85r/min。
优选地，所述步骤（3）注塑温度一区为230℃、二区为240℃、三区为245℃、喷嘴250℃，注射速度为5mm/s，注塑压力为70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6s，溶胶速度40mm/s，溶胶压力55MPa。
本方案中使用溴、氮、磷三系阻燃剂复配，提高所述工程塑料的阻燃性能，在溴化环氧阻燃剂 / 三氧化二锑体系中引入氮系阻燃剂，虽然能够对材料的灼热丝阻燃性能和CTI等方面均有一定的改善，但仍不能满足长期无人值守电器的苛刻阻燃要求,然而引入了磷系阻燃剂后，在燃烧过程中，存在着溴系阻燃体系中的锑与有机溴化物之间的作用，同时又有溴-磷和磷-氮的协同作用及分解形成的溴衍生物及磷衍生物间的阻燃协效作用，从而使得ABS快速膨胀形成多孔泡沫炭层，阻止了燃烧火焰的形成,同时氮系阻燃剂分解产生的惰性气体也稀释了材料周围的O2浓度，抑制材料着火起燃,溴-氮-磷阻燃体系用于阻燃ABS工程塑料不仅具有在气相中捕获自由基的功能，而且具有快速膨胀成炭的能力，达到ABS在阻燃方面的高性能化。
但是，磷系阻燃剂具有增塑性，其作为复配阻燃剂加入会导致材料拉伸强度、弯曲强度、热变形温度的下降，不满足ABS材料在电力系统中的力学性能要求，因此本方案添加了膨胀石墨配合复配阻燃剂使用，膨胀石墨具有碳骨架，本身可增强ABS的刚性，在燃烧时，200℃左右即开始膨胀，在ABS分解之前就形成了良好的保护碳层，在燃烧的前期，利用了凝聚相阻燃机理，继续升温时，磷系阻燃物发生了剧烈的分解，生成挥发性的PO·、PO2·、NH3·及H2O等自由基以及不燃性气体，他们在气相中可以起到捕捉自由基和稀释可燃性气体的作用，为气相阻燃机理，在燃烧后期，温度急需升高，期间体系发生剧烈的化学反应，此时生成的多聚磷酸和磷酸类化合物促使ABS大量酯化、脱水、碳化，在氧、热的作用下初期形成的碳层发生氧化分解，ABS碳骨架也迅速分解，并发生交联成碳，这种交联碳和膨胀石墨碳层协同，起到了良好的隔热、隔质作用，提升了工程塑料的热形变温度；
使用纳米纤维素替代玻璃纤维，纳米纤维由树木、废木材、植物和废纸等天然生物质制成，重量仅为钢材重量的1/5，但强度是其5倍，还具有与玻璃纤维类似的低热膨胀系数，也保持了更高的弹性模量，其与ABS发生接触浸润，但由于其存在一定的粗糙度及一定的可拉伸性能，固化后的两相之间也有更高的界面摩擦力，提高ABS复合材料的拉伸性能及弯曲强度。
将纳米纤维掺入膨胀石墨中，形成纤维骨架膨胀石墨，提高纳米纤维与ABS的界面作用，强度得到了提高，木质素磺酸钠作为分散剂使得纳米纤维、膨胀石墨与ABS之间具有良好的相容性，在材料加工中可均匀地分散在基体中，从而可以提升ABS工程塑料的综合性能，硼-硅溶胶在本方案中作黏结剂，搭在ABS与膨胀石墨的搭接点处，形成大块硅溶胶形成的黏结体，粘结区域较多，提高了支撑强度。
本发明的有益效果如下：
1. 使用溴、氮、磷三系阻燃剂复配，提高所述工程塑料的阻燃性能；
2. 加入膨胀石墨降低磷系阻燃剂对工程塑料的力学性能影响；
3. 纳米纤维素替代玻璃纤维，其特有的粗糙度使得与ABS基体之间有更高的界面摩擦力，提高ABS复合材料的拉伸性能及弯曲强度；
4. 膨胀石墨与纳米纤维相互作用，形成纤维骨架膨胀石墨，材料强度提高；
5. 木质素磺酸钠将纳米纤维、膨胀石墨均匀分散，使得综合性能提高。
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。
实施例1
物料准备：将40gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将40gABS、15g纳米纤维素、10g膨胀石墨、3g复配阻燃剂、3g木质素磺酸钠、2g Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.5g Ultranox 626、0.2g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2：3的十溴联苯醚、三氧化二锑、三聚氰胺磷酸盐、磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例2
物料准备：将75gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将75gABS、30g纳米纤维素、15g膨胀石墨、5g复配阻燃剂、5g木质素磺酸钠、6g Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物、1g Ultranox 626、0.8g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2：3的十四溴二苯氧基苯、三氧化二锑、三聚氰胺氰尿酸盐、三乙基磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例3
物料准备：将60gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将60gABS、20g纳米纤维素、12g膨胀石墨、4g复配阻燃剂、4g木质素磺酸钠、5g Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.8g Ultranox 626、0.5g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2：3的十四溴二苯氧基苯、三氧化二锑、三聚氰胺氰尿酸盐、亚磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例4 不加纤维
物料准备：将60gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将60gABS、12g膨胀石墨、4g复配阻燃剂、4g木质素磺酸钠、5g MetablenS-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.8g Ultranox 626、0.5g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2：3的十四溴二苯氧基苯、三氧化二锑、三聚氰胺氰尿酸盐、亚磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例5 不加石墨碳
物料准备：将60gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将60gABS、20g纳米纤维素、4g复配阻燃剂、4g木质素磺酸钠、5g MetablenS-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.8g Ultranox 626、0.5g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2：3的十四溴二苯氧基苯、三氧化二锑、三聚氰胺氰尿酸盐、亚磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例6 不加磷
物料准备：将60gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将60gABS、20g纳米纤维素、12g膨胀石墨、4g复配阻燃剂、4g木质素磺酸钠、5g Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.8g Ultranox 626、0.5g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比为2：1：2的十四溴二苯氧基苯、三氧化二锑、三聚氰胺氰尿酸盐，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例7 不加纤维、石墨碳 溴系
物料准备：将60gABS切片放入鼓风干燥烘箱中，干燥温度120℃，干燥时间4h，然后按照一定的配比，将60gABS、4g复配阻燃剂、4g木质素磺酸钠、5g Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物、0.8g Ultranox 626、0.5g硼-硅溶胶称量后在高速混合机中混合均匀，其中复配阻燃剂包括质量比2：3的三聚氰胺氰尿酸盐、亚磷酸酯，Metablen S-2001与Lotader Ax 8900质量比为5：1。
挤出造粒：将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒，挤出温度设定为一区240℃、二区 240℃、三区240℃、四区 235℃、五区 235℃、六区 235℃、机头245℃，主机螺杆转速380 r/min，喂料螺杆转速85 r/min。
注塑试样：将上述粒料在 120℃下干燥4h后，按照以下工艺参数注塑试样。注塑机各段温度分别设为一区 230℃、二区 240℃、三区 245℃、喷嘴 250℃，注射速度5mm/s，注塑压力70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6 s，熔胶速度40 mm/s，熔胶压力55 MPa。
实施例8
对实施例1-7进行性能测试，其中，实施例4作为对比例，拉伸强度按 ISO527-2-1996测试，拉伸速度5mm/min；弯曲强度按ISO178-2003 测试，测试速率2 mm/min；缺口冲击强度按ISO179-1-2006 测试；热变形温度按ISO 75-2-2004测试；阻燃性能按UL94垂直燃烧法测试；灼热丝阻燃性能按IEC60695-2-12-2000测试；CTI 按IEC60112-2009 测试，以上结果如表1，由结果可知，本方案中的复合阻燃剂有效提升了阻燃性能，膨胀石墨使得复合阻燃剂发挥更优的效果，膨胀石墨与纳米纤维配合，保证复合阻燃剂对材料的力学性能。
以上未涉及之处，均适用于现有技术。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，包括如下组分：40-75份ABS、15-30份纳米纤维素、10-15份膨胀石墨、3-5份复配阻燃剂、3-5份分散剂、2-6份复合增韧剂、0.5-1份抗氧化剂、0.2-0.8份硼-硅溶胶，所述分散剂为木质素磺酸钠；
所述复配阻燃剂由溴化环氧阻燃剂、三氧化二锑、氮系阻燃剂、磷系阻燃剂复配而成，其质量比为2：1：2：3。
2.根据权利要求1所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述复合增韧剂为质量比为5：1的Metablen S-2001与Lotader Ax 8900的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述抗氧化剂为Ultranox 626、Irganox 1010中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述溴化环氧阻燃剂包括十溴联苯醚、十四溴二苯氧基苯中一种或几种，氮系阻燃剂包括三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺氰尿酸盐中的一种或几种，磷系阻燃剂包括磷酸酯、亚磷酸酯、三乙基磷酸酯的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，制备步骤包括：（1）将40-75份ABS、15-30份纳米纤维素、10-15份膨胀石墨、3-5份复配阻燃剂、3-5份分散剂、2-6份复合增韧剂、0.5-1份抗氧化剂、0.2-0.8份硼-硅溶胶，干燥、混匀；（2）将混合好的物料送入双螺杆挤出机进行造粒；（3）将步骤（2）所得粒料干燥，注塑即得所述改性阻燃工程塑料。
6.根据权利要求5所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述步骤（1）的干燥温度为120℃，干燥时间为4h。
7.根据权利要求5所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述步骤（2）的挤出温度设定为一区240℃、二区240℃、三区240℃、四区235℃、五区235℃、六区235℃、机头245℃，主机螺杆转速为380r/min，喂料螺杆转速85r/min。
8.根据权利要求5所述的一种改性阻燃工程塑料，其特征在于，所述步骤（3）注塑温度一区为230℃、二区为240℃、三区为245℃、喷嘴250℃，注射速度为5mm/s，注塑压力为70MPa，注塑时间3s，保压压力45MPa，保压时间2s，冷却时间6s，溶胶速度40mm/s，溶胶压力55MPa。
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- 2019-09-04 CN CN201910830594.1A patent/CN110698805B/zh active Active
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