CN111154185A - 一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性基体树脂50～80份、阻燃剂6～10份、纤维10～30份、协效剂0.5～2份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂0.5～1份为制备原料。本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥。本发明材料来源广泛，易于获取，使用效果好。
Description
技术领域
本发明涉及化学技术领域，尤其涉及一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料及制备方法。
背景技术
热塑性基体树脂是一类非常重要的树脂，可以通过挤出、注塑等加工成各种形状的塑料产品，也可再次回收利用，主要包括聚丙烯、尼龙6、尼龙66、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯弹性体、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对羟基苯甲酸酯、热塑性聚酯弹性体、高温尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚等。由于热塑性基体树脂来源丰富，价格低廉，可以加工成各种形状的产品，而且热塑性基体树脂还可以回收再利用。但是热塑性基体树脂易燃烧，燃烧时有熔滴现象，使热塑性基体树脂在汽车、电子产品、电子电力设备、交通等对阻燃性能要求的领域受到限制，因此，对热塑性基体树脂进行阻燃改性是非常有必要的；但是，目前，热塑性基体树脂阻燃复合材料的阻燃剂添加量大，而且热塑性基体树脂阻燃复合材料的机械力学性能急剧降低，导致热塑性基体树脂材料的应用范围受到极大影响，当今社会，随着人们的安全意识提高，以及国家的环保理念不断加强，因此，使用无卤阻燃剂制备阻燃材料是非常重要的课题。目前，要获得热塑性基体树脂阻燃复合材料优异的机械力学性能，而且热塑性基体树脂阻燃复合材料具有良好机械力学性能但是采用添加型阻燃剂制备的热塑性基体树脂阻燃复合材料机械力学性能均没有未加阻燃剂时的热塑性基体树脂复合材料的机械力学性能好。
发明内容
本发明的目的是：提供一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料及制备方法，它具有优异的阻燃效果，优异界面相容性，优异机械力学性能，制备方法工艺简单，阻燃剂分散均匀，而且环保性好，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性基体树脂50～80份、阻燃剂6～10份、纤维10～30份、协效剂0.5～2份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂0.5～1份为制备原料。
优选的，所述热塑性基体树脂为聚丙烯、尼龙6、尼龙66、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯弹性体、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对羟基苯甲酸酯、热塑性聚酯弹性体、高温尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚中的一种或几种混合。
优选的，所述阻燃剂为带有反应基团的阻燃剂，其具有如下结构式之一：
优选的，所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、亚麻、苎麻、黄麻、竹纤维、剑麻或蕉麻。
优选的，所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
优选的，所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170-260℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
本发明提出的一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，本发明的有益效果是所有的阻燃剂均带有反应基团，带有反应基团的阻燃剂能够提高阻燃剂与热塑性基体树脂基体的界面相容性，也能够与纤维表面的羟基官能团发生反应，增强阻燃剂与纤维之间的相容性，因此，带有反应基团的阻燃剂能够有效改善热塑性基体树脂基体与纤维之间的界面性能，增强热塑性基体树脂基体与纤维之间的界面粘结力，提高热塑性基体树脂基体与纤维之间的界面强度，从而获得高强度的热塑性基体树脂阻燃复合材料；同时，加入的季磷盐插层改性蒙脱土协效剂不但对高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料产生阻燃协效，而且对高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能产生正协效，又进一步改善了热塑性基体树脂复合材料的机械力学性能。本发明材料来源广泛，易于获取，使用效果好。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明做进一步说明。
实施例一
一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性基体树脂60份、阻燃剂8份、纤维20份、协效剂1份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂0.5份为制备原料。
优选的，所述热塑性基体树脂为聚丙烯。
优选的，所述阻燃剂为带有反应基团的阻燃剂，其具有如下结构式之一：
优选的，所述纤维为玻璃纤维。
优选的，所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
优选的，所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170～260℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
实施例二
一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性基体树脂80份、阻燃剂10份、纤维10份、协效剂1份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂1份为制备原料。
优选的，所述热塑性基体树脂为丙烯腈-苯乙烯共聚物。
优选的，所述阻燃剂为带有反应基团的阻燃剂，其具有如下结构式之一：
优选的，所述纤维为碳纤维。
优选的，所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
优选的，所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170～260℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
实施例三
一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性基体树脂60份、阻燃剂8份、纤维30份、协效剂0.5份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂0.5份为制备原料。
优选的，所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
优选的，所述阻燃剂为带有反应基团的阻燃剂，其具有如下结构式之一：
优选的，所述纤维为玻璃纤维。
优选的，所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
优选的，所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170～260℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
本发明的对比例1：高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括聚丙烯 60份，阻燃剂8份，纤维20份、抗氧剂0.5份、协效剂1份以及成炭剂0.5份为制备原料。
所述阻燃剂的结构式为：
所述纤维为玻璃纤维。
所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算取各组分，将聚丙烯，阻燃剂，纤维、协效剂、抗氧剂以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：180～210℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
本发明的对比例2：高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括热塑性聚氨酯弹性体80份，阻燃剂10份，纤维10份、抗氧剂0.5份以及成炭剂1份为制备原料。
所述阻燃剂的结构式为：
所述纤维为碳纤维。
所述成炭剂为季戊四醇。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算取各组分，将热塑性聚氨酯弹性体，阻燃剂，纤维、抗氧剂以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170-200℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
本发明的对比例3：高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，按重量份数计算，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物60份，阻燃剂8份，纤维30份、抗氧剂0.5份以及协效剂1份为制备原料。
所述阻燃剂的结构式为：
所述纤维为玻璃纤维。
所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
本发明还提出一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，按重量份数计算取各组分，将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，阻燃剂，纤维、抗氧剂以及协效剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：185-230℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料。
主要性能测试：生产出的产品按照标准制成标准测试样条，进行各项测试。
垂直燃烧性能：按GB/T2408-1996中的垂直法进行测试，每组测试至少要5根样条。
阻燃等级，即物质具有的或材料经处理后具有的明显推迟火焰蔓延的性质，并以此划分的等级制度，阻燃等级由V2，V1向V0逐级递增：V0为对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭，不能有燃烧物掉下； V1为对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭，不能有燃烧物掉下， V2为对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭，可以有燃烧物掉下。
力学性能的测试：每组测试样条为10根，结果取10个测试值的平均值；拉伸强度按照GB/T1040-2006进行测试，弯曲强度按照GB/T9341-2000进行测试；
缺口冲击强度用缺口制样机开４mm的缺口，按照GB/T1043- 2008进行测试。
其性能测试结果如表1所示。
表1
表1 复合材料性能测试
| 测试项目 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 |
| 拉伸强度（MPa） | 67.2 | 61.5 | 76.8 | 26.8 | 57.6 | 76.9 |
| 弯曲强度（MPa） | 82.4 | 70.6 | 113.5 | 48.3 | 64.8 | 113.6 |
| 悬臂梁缺口冲击强度（KJ/m<sup>2</sup>） | 7.3 | 8.6 | 8.9 | 5.1 | 7.2 | 8.8 |
| 阻燃等级（UL94） | V0 | V0 | V0 | 无 | V1 | V1 |
| 表面质量 | 无花纹 | 无花纹 | 无花纹 | 无花纹 | 无花纹 | 无花纹 |
| 成型难易程度 | 容易 | 容易 | 容易 | 容易 | 容易 | 容易 |
根据表1的测试结果可以得知，采用本发明的技术方案制备得到的样品，与常规的材料相比，一般高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料由于加入阻燃剂后导致其机械力学性能降低，而本发明中实施例一、实施例二与实施例三中的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料均表现出较好的机械力学性能，且实施例一、实施例二与实施例三中的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃等级均为V0级；根据表1中实验测试结果可以看出，实施例一与对比例1中的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的只是阻燃剂种类不一样，其余实验条件均相同，实施例一的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能优于对比例1的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能，这是由于实施例一中的阻燃剂带有反应基团，能够有效改善阻燃剂与阻燃复合材料的界面结构，增强阻燃复合材料的界面粘结力，从而使实施例一的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料表现出优异的机械力学性能；而对比例1中的阻燃剂并没有反应基团，不能改善阻燃剂与阻燃复合材料的界面相容性，从而使对比例1的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能降低。另外，实施例一的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃等级为V0级，而对比例1的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料没有阻燃等级，全部燃烧完，这是由于实施例一中带有反应基团的阻燃剂与复合材料的纤维表面的羟基发生反应，高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料在燃烧时产生的炭层结构致密，隔热隔氧能力强，从而获得较优的阻燃性能。实施例二与对比例2对比发现，相对于实施例二，对比例2中没有加入协效剂，实施例二与对比例2的实验结果表明，加入协效剂的实施例二中高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃等级为V0级，而未加入协效剂的对比例2中的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料阻燃等级则为V1级，同时，而且加入协效剂的实施例二中高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能比未加入协效剂的对比例2中的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能好，这表明，本发明中的季磷盐插层改性蒙脱土协效剂在高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料中不仅具有协效阻燃的效果，而且对高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能还具有正协效的作用。实施例三与对比例3的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料主要区别在于对比例2的原材料中没有加入成炭剂，从实验测试结果可以看出，高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的机械力学性能与成炭剂没有明显影响，但是对高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃性能产生显著的影响，实施例三高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃等级为V0级，而对比例3高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的阻燃等级则只为V1，这是因为加入季戊四醇成炭剂的高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料在燃烧时能够促进阻燃复合材料性能更好的炭层，形成的炭层结构致密、炭层强度更好，隔热隔氧能力增强，从而使实施例三高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料获得较优的阻燃性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：按重量份数计算，包括热塑性基体树脂50～80份、阻燃剂6～10份、纤维10～30份、协效剂0.5～2份、抗氧剂0.5份、以及成炭剂0.5～1份为制备原料。
2.根据权利要求1所述高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：所述热塑性基体树脂为聚丙烯、尼龙6、尼龙66、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯弹性体、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对羟基苯甲酸酯、热塑性聚酯弹性体、高温尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚中的一种或几种混合。
3.根据权利要求1所述高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：所述阻燃剂为带有反应基团的阻燃剂，其具有如下结构式之一：
4.根据权利要求1所述高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、亚麻、苎麻、黄麻、竹纤维、剑麻或蕉麻。
5.根据权利要求1所述高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：所述协效剂为季磷盐插层改性蒙脱土。
6.根据权利要求1所述高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料，其特征在于：所述成炭剂为季戊四醇。
7.根据权利要求1所述一种高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料的制备方法，其特征在于：按重量份数计算取各组分，将热塑性基体树脂、阻燃剂、纤维、协效剂、抗氧剂、以及成炭剂进行在80℃下进行干燥，将干燥后的上述物料混合均匀后，经过双螺杆挤出机进行共混挤出，加工温度为：170～260℃，经过冷却、牵引、切粒后，获得高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料，将高性能纤维增强热塑性无卤阻燃复合材料粒料干燥后，注塑成标准样条进行测试。
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