CN111205538A - 含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法 - Google Patents

含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法，特点是：先将55‑85%的聚乙烯及0‑5%的润滑剂投入到高速混合机中高速分散2‑5分钟，得到混合物；然后将混合物与14.5‑40%的膨胀型阻燃剂及0.1‑0.5%的抗氧剂混合5‑20分钟，得到膨胀型阻燃混合物；再将膨胀型阻燃混合物用双螺杆挤出机挤出造粒或用双辊混炼机混合均匀，得到含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，双螺杆挤出机各区的温度或用双辊混炼机各区的温度设置在130‑200℃之间。其优点为：改善阻燃剂的耐热性、耐水性的同时，通过阻燃剂的结构设计与调整，提高阻燃阻燃效率，降低水溶性能和迁移性，弥补单分子阻燃剂可调性不高的缺点。

Description

含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及阻燃聚乙烯复合材料技术领域，具体来讲是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乙烯作为一种综合性能优良、性价比的通用塑料，广泛应用于家用电器、电子、建筑材料、包装材料等方面。但是，聚乙烯易燃，氧指数仅为17-18%，且燃烧时产生大量的熔滴，火灾危险性较大等，限制了聚乙烯在有阻燃要求场合的使用。因此，非常有必要对聚乙烯进行阻燃改性。
工业上较为常用且经济的方法是使用添加型阻燃剂。最常用于聚乙烯的阻燃剂可分为三大类，分别是含卤阻燃剂（尤其是含溴阻燃剂）、金属氢氧化物和膨胀型阻燃剂。
含卤阻燃剂具有良好的阻燃效果，尤其是溴系阻燃剂（如十溴二苯乙烷等）与三氧化二锑（Sb2O3）的复配体系，具有广谱的阻燃性能，广泛应用于各种聚合物的阻燃产品；但是，该类阻燃剂在燃烧时会释放出大量的有毒有害的气体（卤代氢和二噁英等），严重危害生命安全和环境安全。
金属氢氧化物在燃烧过程中释放出水蒸气，起到稀释可燃性气体，生成的金属氧化物覆盖在材料表面，起到阻隔作用，具有无毒、无污染等优点；但是它们的阻燃效率低，通常需要添加50-60%wt才能达到所需的阻燃等级，并且其与聚合物基材的相容性差，对材料的力学性能损害很大，从而限制了其在材料中的应用。专利CN109111674A和CN109233061A采用含卤阻燃剂或者与无机阻燃剂复配制备聚乙烯电缆料。然而，这将产生有毒烟气。因此，开发环保、高效、无卤、低毒、低烟的阻燃剂显得尤其重要。
膨胀型阻燃剂（IFR）以磷-氮为主要阻燃元素，在燃烧时能形成膨胀致密的炭层，阻隔空气、可燃性物质和热量的传递，从而实现挥阻燃作用，被认为是最有发展前景的环保型阻燃剂。最早发现的膨胀型阻燃剂由多聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER）和三聚氰胺（MEL）三者复合而成，对聚烯烃具有良好的阻燃效果。专利CN108084546A和CN101624457A分别采用赤泥复配膨胀型阻燃剂或含卤阻燃剂制备了阻燃聚乙烯，具有较好的效果。由于季戊四醇及其衍生物吸潮性强，且属于小分子，在聚合物中存在易渗出等问题。因此，开发难溶于水，分子量大的成炭剂成为了研究的热点。
目前，使用的膨胀型阻燃剂还存在下述缺点：1、阻燃效率不高，添加量较大；2）尤其是单分子阻燃剂元素配比不合理，可调范围不大，阻燃性能未能充分发挥；3）阻燃剂耐热性能、耐水性能还不够。因此，本发明旨在改善阻燃剂的耐热性、耐水性的同时，通过阻燃剂的结构设计与调整，制备高效的阻燃体系，降低水溶性能和迁移性，弥补单分子阻燃剂可调性不高的缺点。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的不足而提供一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法，改善阻燃剂的耐热性、耐水性的同时，通过阻燃剂的结构设计与调整，提高阻燃阻燃效率，降低水溶性能和迁移性，弥补单分子阻燃剂可调性不高的缺点。
为了达到上述目的，本发明的一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的技术方案是这样实现的，其包括55-85%的聚乙烯、14.5-40%的膨胀型阻燃剂、0.1-0.5%的抗氧剂及0-5%的润滑剂，它们为质量百分比。
在本技术方案中，所述膨胀型阻燃剂包括 “三元共生”的膨胀型阻燃剂，或所述膨胀型阻燃剂包括多聚磷酸铵或多聚磷酸密胺或焦磷酸哌嗪或次磷酸铝与 “三元共生”的膨胀型阻燃剂，多聚磷酸铵或多聚磷酸密胺或焦磷酸哌嗪或次磷酸铝与 “三元共生”的膨胀型阻燃剂的质量比例为10:1-1:10；其中：
所述 “三元共生”的膨胀型阻燃剂的结构式为：
Figure 386001DEST_PATH_IMAGE001
式中：Y为NH或O；X为苯基、苯氧基、苯氨基及带有取代基的苯基或苯氧基或苯氨基中的一种；R为含1-18个碳的直链或支链烷基，対苯基、间苯基或邻苯基中的一种；
所述多聚磷酸酸铵是高聚合度结晶Ⅱ型聚磷酸铵，聚合度n≥1500；
所述多聚磷酸密胺的聚合度n≥1000。
在本技术方案中，所述润滑剂是聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌和N,N-乙撑双硬脂酸酰胺中的一种或两种以上混合。
在本技术方案中，含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，其特征在于制备的步骤为：先将55-85%的聚乙烯及0.1-5%的润滑剂投入到高速混合机中高速分散2-5分钟，得到混合物；然后将混合物与14.5-40%的膨胀型阻燃剂及0.1-0.5%的抗氧剂混合5-20分钟，得到膨胀型阻燃混合物；再将膨胀型阻燃混合物用双螺杆挤出机挤出造粒或用双辊混炼机混合均匀即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，双螺杆挤出机各区的温度或用双辊混炼机各区的温度设置在130-200℃之间。
本发明与现有技术相比的优点为：改善了阻燃剂的耐热性、耐水性的同时，通过阻燃剂的结构设计与调整，制备高效的阻燃体系。
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到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
实施例一
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，将3.345Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的聚乙烯蜡加入在高速分散剂中预混2分钟，高速分散机的转速为800转/min，再分别准确称取1.5kg的单分子阻燃剂（FR1）及0.005kg的抗氧剂（1010）加入到上述混合机中混合15分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将得到的膨胀型阻燃混合物放在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在150-190℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为30.5%，UL-94测试达到V-0级（1.6 mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 499450DEST_PATH_IMAGE002
实施例二
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，将2.845Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的聚乙烯蜡加入在高速分散剂中预混3分钟，高速分散机的转速为1000转/min，再分别准确称取1.0kg的多聚磷酸铵（APP）、1.0kg的 “三元共生”阻燃剂（FR2）及0.005kg的抗氧剂（1010）加入到上述混合机中混合20分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将得到的膨胀型阻燃混合物放在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在160-190℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为35.9%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 237730DEST_PATH_IMAGE003
实施例三
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.39Kg的聚乙烯粒料和0.10k 的N,N-乙撑双硬脂酸酰胺（EBS）加入高速混合机中预混5分钟，高速分散机的转速为1200转/min，再分别准确称取1.35kg的多聚磷酸密胺（MPP）、0.15kg的“三元共生”阻燃剂（FR3）及0.010kg的抗氧剂（168），加入到高速混合机中预混10分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将膨胀型阻燃混合物用双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度150-200℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为31.3%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 462038DEST_PATH_IMAGE004
（FR3）
实施例四
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.94Kg的聚乙烯粉料和0.05kg的硬脂酸钙加入高速分散机中预混4分钟，高速分散机的转速为1000转/min；再分别准确称取0.75kg的焦磷酸哌嗪、0.25kg的 “三元共生”阻燃剂（FR4）及0.01kg的抗氧剂264，加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在130-180℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为29.5%，UL-94测试达到V-0级（3.2mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 523535DEST_PATH_IMAGE005
实施例五
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.335Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的硬脂酸加入高速分散机中，预混6分钟，高速分散机的转速为1100转/min；再分别准确称取0.3kg的次磷酸铝、1.20kg的 “三元共生”阻燃剂（FR5）及0.015kg的抗氧剂（168和1098的混合物），加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在140-200℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为32.3%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 870203DEST_PATH_IMAGE006
实施例六
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.335Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的硬脂酸加入高速分散机中，预混6分钟，高速分散机的转速为1000转/min；再分别准确称取1.25kg的多聚磷酸铵、0.25kg的 “三元共生”阻燃剂（FR6）及0.015kg的抗氧剂（168和1010的混合物），加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在150-200℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为32.8%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 282729DEST_PATH_IMAGE007
实施例七
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.335Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的硬脂酸加入高速分散机中，预混6分钟，高速分散机的转速为1000转/min；再分别准确称取1.2kg的多聚磷酸铵、0.3kg的 “三元共生”阻燃剂（FR7）及0.015kg的抗氧剂（168和1010的混合物），加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在150-200℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为33.2%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 310728DEST_PATH_IMAGE008
实施例八
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，将3.595Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的聚乙烯蜡加入在高速分散剂中预混2分钟，高速分散机的转速为800转/min，再分别准确称取1.25kg的单分子阻燃剂（FR8）及0.005kg的抗氧剂（1010）加入到上述混合机中混合15分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将得到的膨胀型阻燃混合物放在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在150-190℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为30.3%，UL-94测试达到V-0级（3.2 mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 305360DEST_PATH_IMAGE009
实施例九
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，将2.845Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的聚乙烯蜡加入在高速分散剂中预混3分钟，高速分散机的转速为1000转/min，再分别准确称取0.25kg的多聚磷酸铵（APP）、1.75kg的 “三元共生”阻燃剂（FR9）及0.005kg的抗氧剂（1010）加入到上述混合机中混合20分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将得到的膨胀型阻燃混合物放在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在160-210℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为33.5%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 495033DEST_PATH_IMAGE010
实施例十
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.39Kg的聚乙烯粒料和0.10k 的N,N-乙撑双硬脂酸酰胺（EBS）加入高速混合机中预混5分钟，高速分散机的转速为1200转/min，再分别准确称取0.15kg的多聚磷酸密胺（MPP）、1.35kg的 “三元共生”阻燃剂（FR10）及0.010kg的抗氧剂（168），加入到高速混合机中预混10分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后将膨胀型阻燃混合物用双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度150-200℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为31.2%，UL-94测试达到V-0级（3.2 mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 457173DEST_PATH_IMAGE010
实施例十一
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.44Kg的聚乙烯粉料和0.05kg的硬脂酸钙加入高速分散机中预混4分钟，高速分散机的转速为1000转/min；再分别准确称取0.25kg的焦磷酸哌嗪、1.25kg的 “三元共生”阻燃剂（FR11）及0.01kg的抗氧剂264，加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在130-180℃。
所得到的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为32.3%，UL-94测试达到V-0级（1.6mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 23283DEST_PATH_IMAGE011
实施例十二
其是一种含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，先将3.335Kg的聚乙烯粒料和0.15kg的硬脂酸加入高速分散机中，预混6分钟，高速分散机的转速为1100转/min；再分别准确称取0.3kg的次磷酸铝、1.2kg的 “三元共生”阻燃剂（FR12）及0.015kg的抗氧剂（168和1098的混合物），加入到上述高速混合机中预混8分钟，得到膨胀型阻燃混合物，最后在双螺杆挤出机中挤出、冷却、造粒，即可得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料。其中，双螺杆挤出机各区的温度设置在140-200℃。
所得到的含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的氧指数为31.7%，UL-94测试达到V-0级（3.2mm）。在实际过程中，可用双辊混炼机代替双螺杆挤出机。
Figure 324952DEST_PATH_IMAGE012
以上是对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种含“三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于包括55-85%的聚乙烯、14.5-40%的膨胀型阻燃剂、0.1-0.5%的抗氧剂及0.1-5%的润滑剂，它们为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的含“三元共生三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于所述膨胀型阻燃剂包括 “三元共生”的膨胀型阻燃剂，或所述膨胀型阻燃剂包括多聚磷酸铵或多聚磷酸密胺或焦磷酸哌嗪或次磷酸铝与 “三元共生”的膨胀型阻燃剂，多聚磷酸铵或多聚磷酸密胺或焦磷酸哌嗪或次磷酸铝与 “三元共生”的膨胀型阻燃剂的质量比例为10:1-1:10；其中：
所述 “三元共生”的膨胀型阻燃剂的结构式为：
Figure 717556DEST_PATH_IMAGE001
式中：Y为NH或O；X为苯基、苯氧基、苯氨基及带有取代基的苯基或苯氧基或苯氨基中的一种；R为含1-18个碳的直链或支链烷基，対苯基、间苯基或邻苯基中的一种；
所述多聚磷酸酸铵是高聚合度结晶Ⅱ型聚磷酸铵，聚合度n≥1500；
所述多聚磷酸密胺的聚合度n≥1000。
3.根据权利要求1所述的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，其特征在于所述润滑剂是聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌和N,N-乙撑双硬脂酸酰胺中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求1所述的含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，其特征在于制备的步骤为：先将55-85%的聚乙烯及0-5%的润滑剂投入到高速混合机中高速分散2-5分钟，得到混合物；然后将混合物与14.5-40%的膨胀型阻燃剂及0.1-0.5%的抗氧剂混合5-20分钟，得到膨胀型阻燃混合物；再将膨胀型阻燃混合物用双螺杆挤出机挤出造粒或用双辊混炼机混合均匀，得到含 “三元共生”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料，双螺杆挤出机各区的温度或用双辊混炼机各区的温度设置在130-200℃之间。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112646252A (zh) * 2020-12-11 2021-04-13 顺德职业技术学院 含“四位一体”阻燃剂的聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法

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