CN114106468B - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用，涉及改性塑料领域。本发明提供了一种聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂20‑50份、阻燃剂30‑50份、低散发剂10‑20份；所述阻燃剂包括以下组分：磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐；所述阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐＝11‑32:3‑9:9‑20；所述低散发剂包括以下组分：活性炭、自制水母粒和钼酸盐类阻燃抑烟剂；所述活性炭的粒径D50为1‑200μm；所述自制水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯70‑85份、发泡剂6‑10份和水‑乙醇溶液10‑20份。本发明提供了一种高氧指数、低烟气毒性的阻燃聚丙烯复合材料。

Description

一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及改性塑料领域，尤其是一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来全国高铁、地铁发展迅速，高铁干线几乎遍布全国，一、二线城市市内地铁规划加速，铁路交通成为现今社会较为普遍的交通方式。然而地铁、高铁箱体较为封闭，一旦着火较难疏散，若有有毒烟气释放，更为安全撤离造成困难，所以防火安全成为铁路交通的重中之重。依据铁路安全防火标准EN45545要求，与电源接触的电子电器类产品需满足R23要求，防火等级达到HL3以上。铁路交通中与电源接触的电子电器所用材料需要有较高的氧指数，材料氧指数越高，越难以燃烧；与电源接触的电子电器产品需要有较低的烟密度，当与火焰接触时会有更少的烟尘产生，方便救援；与电源接触的电子电器产品需要有较低的烟气毒性，当接触火焰时，释放的烟气毒性越低，在封闭的车厢内就越安全，火灾时造成的伤亡就越低。
目前用于铁路交通电子元器件的材料通常为阻燃尼龙、阻燃PC等材料，但是成本过高、密度过重、气味较大。阻燃PP材料虽然造价便宜，密度轻，但是市面上的阻燃PP普遍存在着氧指数低，氧指数低于32，燃烧时烟密度高，烟气中氮氧化物、溴化物等有毒气体过高等问题。此外，阻燃PP的气味较高，长期使用不可避免存在气味逸散。目前市面上暂时不存在同时兼顾高氧指数、低烟气毒性的阻燃PP材料。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。本发明通过在聚丙烯复合材料中添加特定的阻燃剂及低散发剂，制备得到了一种高氧指数、低烟气毒性、低气味、阻燃聚丙烯复合材料。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂20-50份、阻燃剂30-50份、低散发剂10-20份；所述阻燃剂包括以下组分：磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐；所述阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐＝(11-32):(3-9):(9-20)；所述低散发剂包括以下组分：活性炭、自制水母粒和钼酸盐类阻燃抑烟剂；所述活性炭的粒径为1-200μm；所述自制水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂70-85份、发泡剂6-10份和水-乙醇溶液10-20份。
本发明通过加磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐，三种协同作用，使材料具有优良的阻燃性能。磷酸二氢钾在接触火焰时会迅速反应生成聚磷酸钾，会迅速脱去聚丙烯中的-H，终止燃烧反应；季戊四醇成炭剂接触火焰后会迅速形成碳层，阻隔氧气，阻止燃烧进一步扩大。碳酸氢盐使材料在遇到火焰时，迅速产生大量二氧化碳，二氧化碳密度比空气重沉积在下方，材料继续燃烧需要更多的氧气，从而使材料具有较高的氧指数。
本发明所加入的阻燃剂磷酸二氢钾、季戊四醇成碳剂中不含有N、S、卤素等有害成分，且磷酸二氢钾不含有游离态的磷，燃烧时不会产生磷化氢等有害物质；所加入的碳酸氢盐在遇到火焰时只产生二氧化碳，二氧化碳为非毒性气体，与市面上常用的三聚氰胺等气源阻燃剂相比，具有更低的烟气毒性。本发明制备的聚丙烯复合材料接触火焰时不会产生氮氧化物、硫化物等有毒气体，具有较低的烟气毒性。水母粒可以降低材料中小分子有机物的含量，钼酸盐类抑烟剂可以促进分子间交联，使分子链形成网状结构，材料分子链间更致密，更容易成碳，从而使材料燃烧时具有较低的烟密度和烟气毒性。本发明活性炭、水母粒和抑烟剂三者协同作用，可以得到毒性指数较低的聚丙烯复合材料。同时，本发明阻燃剂和低散发剂的选择可以在保障阻燃和低毒性的同时，改善产品气味。
优选地，所述的聚丙烯复合材料，包括以下重量份的组分：阻燃剂35-45份、低散发剂14-18份。
优选地，所述的聚丙烯复合材料，所述阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐＝(16-22):(4-8):(10-18)。本申请发明人经过大量创造性试验探究后发现，磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比在上述范围内，制备得到的聚丙烯复合材料阻燃性能更佳。
优选地，，所述低散发剂中活性炭、自制水母粒和抑烟剂的重量比为：活性炭：水母粒：抑烟剂＝(1-3):(2-4)：(10-12)。本申请发明人经过大量创造性试验探究后发现，活性炭、自制水母粒和抑烟剂的重量比在上述范围内，制备得到的聚丙烯复合材料的烟密度、毒性指数较低。
优选地，所述水母粒中，水和乙醇的体积比为：(1-2):(1-2)；所述水母粒的制备方法如下：将聚丙烯和发泡剂混合加入密炼机中，在密炼机中均匀发泡后，通过出料口牵引到切粒机内造粒；将得到的粒子浸入水-乙醇溶液中40-50h，得到所述水母粒。
气味吸附剂可以降低材料的气味，气味吸附剂可以吸收材料在挤出机造粒加工时产生的小分子物质；水母粒可以降低材料的气味，水母粒在挤出机内受热熔融后，水-乙醇溶液会流出并溶解材料在挤出机造粒加工时的有机小分子物质，并通过真空泵抽出带走。
优选地，所述聚丙烯复合材料还包括0.2-0.6重量份的抗氧剂和0.2-0.6重量份的润滑剂。本发明通过加入抗氧剂，防止PP材料在挤出级加工过程中受热分解；通过加入润滑剂改善材料的加工性能，保证材料可以通过挤出机顺利加工、造粒。
优选地，所述聚丙烯树脂包括共聚聚丙烯树脂、均聚聚丙烯树脂中的至少一种；所述聚丙烯树脂的熔体质量流动速率＞20g/10min，所述聚丙烯树脂的熔体质量流动速率是根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量。
此外，本发明提供了所述的聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称量各种原料；
(2)将上述组分加入混合机中混合均匀，得到混合物料；挤出造粒后，得到聚丙烯复合材料A。
进一步地，本发明提供了所述的聚丙烯复合材料在车辆内饰产品中的应用。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明提供了一种高氧指数、低烟密度、低烟气毒性的阻燃聚丙烯复合材料。本发明通过加磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐，三者协同作用，使材料具有优良的阻燃性能。本发明活性炭、水母粒和抑烟剂三者协同作用，可以得到烟密度、毒性指数均较低的聚丙烯复合材料。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
现对实施例及对比例所用原料做如下说明，但不限于这些材料，本发明实施例和对比例所用抗氧剂和润滑剂相同：
聚丙烯树脂：
聚丙烯树脂1：共聚PP EP548RQ，中沙天津，根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量的熔体质量流动速率为25g/10min；
聚丙烯树脂2：共聚PP型号7760，厂家燕山石化，根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量的熔体质量流动速率为40g/10min；
聚丙烯树脂3：均聚PP型号9018，厂家兰州石化，根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量的熔体质量流动速率为60g/10min；
聚丙烯树脂4：共聚PP EP300M-Z，中沙天津，根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量的熔体质量流动速率为10g/10min；
阻燃剂：
磷酸二氢钾：分析纯磷酸二氢钾阻燃剂，市售；
聚磷酸铵，型号APP，市售；
季戊四醇类成炭剂：季戊四醇，购市售；
三嗪成炭剂，型号2200，市售；
碳酸氢盐：碳酸氢钙，市售；
三聚氰胺，型号MCA,市售；
低散发剂：
活性炭：活性炭1，粒径D50为10μm，医药活性炭，市售；活性炭2，粒径D50为100μm，食品活性炭，市售；活性炭3，粒径D50为200μm，污水处理活性炭，市售；活性炭4，粒径D50为100nm，型号NCP-15-1，市售；活性炭5，粒径400μm，工业活性炭，市售；
抑烟剂：
抑烟剂1钼酸锌，市售；
抑烟剂2氢氧化镁，市售；
自制水母粒：具体制备方法如下：所述水母粒的制备方法如下：将聚丙烯和发泡剂混合加入密炼机中，密炼机加工温度为170-200℃，转速50转/min，在密炼机中均匀发泡后，通过出料口牵引到切粒机内造粒；将得到的粒子浸入水-乙醇溶液中40-50h，得到所述水母粒；本发明自制水母粒1-6所用聚丙烯树脂为根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量的熔体质量流动速率为25g/10min，熔指对自制水母粒性能没有影响；
自制水母粒1：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯70份、发泡剂6份和水-乙醇溶液(水：乙醇＝1:2)10份；
自制水母粒2：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯85份、发泡剂10份和水-乙醇溶液(水：乙醇＝2:1)20份；
自制水母粒3：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯85份、发泡剂10份和水-乙醇溶液(水：乙醇＝3:1)20份；
自制水母粒4：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯65份、发泡剂12份和水-乙醇溶液(水：乙醇＝1:3)20份；
自制水母粒5：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯85份、发泡剂10份和水20份；
自制水母粒6：本发明实施例及对比例所用水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯85份、发泡剂10份和乙醇20份；
抗氧剂：抗氧剂1：苯酚类抗氧剂1076(β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯)，市售；抗氧剂2：硫醚类抗氧剂412S(3-(十二烷硫基)丙酸-2,2-双[[3-(十二烷硫基)-丙酰氧基]甲基]-1,3-丙二醇酯)，市售；
润滑剂：酰胺类润滑剂，市售；
实施例1-21及对比例1-13
实施例1-21及对比例1-13的聚丙烯复合材料的组分及重量份选择如表1、表2、表3所示，其中，实施例1-21及对比例1-13的聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称量各种原料；
(2)将各组分加入混合机中混合均匀，得到混合物料；挤出造粒后，得到聚丙烯复合材料A；挤出机熔融挤出的加工条件如下：一区温度170-180℃，二区温度180-190℃，三区温度180-190℃，四区温度190-200℃，五区温度190-200℃，六区温度190-205℃，七区温度190-205℃，八区温度200-210℃，九区温度200-210℃，主机转速300-350转/分钟。
表1组分及重量份选择
Figure BDA0003350245660000061
Figure BDA0003350245660000071
表2组分及重量份选择
Figure BDA0003350245660000072
表3组分及重量份选择
Figure BDA0003350245660000081
性能测试
将实施例1-21及对比例1-13制备的聚丙烯复合材料进行相关性能测试，具体测试方法如下：
(1)阻燃等级：按照标准UL94-2013方法进行测试；
(2)氧指数：按照标准ISO 4589-2-2017方法进行测试；
(3)烟气毒性：按照标准EN45545-2006中NF X-70-100-1-2006和NF X70-100-2-2006：600℃进行测试，得到材料的毒性指数；
测试结果如下表4、表5所示。
表4性能测试结果
Figure BDA0003350245660000091
表5性能测试结果
Figure BDA0003350245660000092
由上表可知，本发明通过在聚丙烯复合材料中添加特定的阻燃剂及低散发剂，制备得到了一种高氧指数、低烟气毒性的阻燃聚丙烯复合材料。
由实施例1-7对比可知，本发明实施例1-4制备得到的聚丙烯复合材料具有高氧指数、低烟气毒性、阻燃的效果。阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐＝16-22:4-8:10-18时，制备得到的聚丙烯复合材料的氧指数更高，烟气毒性指数更低。由实施例1-7、对比例1-6对比可知，本发明阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐缺一不可。
由实施例8-11对比可知，低散发剂中活性炭、水母粒和抑烟剂的重量比为：活性炭：自制水母粒：抑烟剂＝1-3:2-4：10-12时，制备得到的聚丙烯复合材料的烟气毒性指数更低。由实施例8-11、对比例7-9对比可知，本发明低散发剂中活性炭、水母粒和抑烟剂缺一不可。
由实施例12-13对比可知，抗氧剂、润滑剂等在本发明保护范围内时，对聚丙烯复合材料的阻燃、氧指数、烟气毒性等没有影响。
由实施例14-16对比可知，所述聚丙烯树脂的熔体质量流动速率＞20g/10min时，制备得到的聚丙烯复合材料性能更佳。由实施例17-18、对比例10-11对比可知，活性炭的粒径为1-200μm时，烟气毒性指数更低。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂20-50份、阻燃剂30-50份、低散发剂10-20份；所述阻燃剂包括以下组分：磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐；所述阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐=（11-32）:（3-9）:（9-20）；所述低散发剂包括以下组分：活性炭、自制水母粒和钼酸盐类阻燃抑烟剂，所述低散发剂中活性炭、自制水母粒和钼酸盐类阻燃抑烟剂的重量比为：活性炭：自制水母粒：钼酸盐类阻燃抑烟剂=（1-3）:（2-4）：（10-12）；所述活性炭的粒径D50为1-200μm；所述自制水母粒包括以下重量份的组分：聚丙烯树脂70-85份、发泡剂6-10份和水-乙醇溶液10-20份；所述自制水母粒中，水和乙醇的体积比为：（1-2）:（1-2）；所述水母粒的制备方法如下：将聚丙烯和发泡剂混合加入密炼机中，在密炼机中均匀发泡后，通过出料口牵引到切粒机内造粒；将得到的粒子浸入水-乙醇溶液中40-50h，得到所述水母粒。
2.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：阻燃剂35-45份、低散发剂14-18份。
3.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述阻燃剂中磷酸二氢钾、季戊四醇类成炭剂和碳酸氢盐的重量比为：磷酸二氢钾：季戊四醇类成炭剂：碳酸氢盐=（16-22）:（4-8）:（10-18）。
4.如权利要求1-3任一项所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯复合材料还包括0.2-0.6重量份的抗氧剂和0.2-0.6重量份的润滑剂。
5.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯树脂包括共聚聚丙烯树脂、均聚聚丙烯树脂中的至少一种；所述聚丙烯树脂的熔体质量流动速率＞20g/10min，所述聚丙烯树脂的熔体质量流动速率是根据ASTMD1238使用2.16kg重量并在230℃的温度测量。
6.如权利要求1-5任一项所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按配比称量各种原料；
（2）将上述组分加入混合机中混合均匀，得到混合物料；挤出造粒后，得到聚丙烯复合材料A。
7.一种如权利要求1-5任一项所述的聚丙烯复合材料在车辆内饰产品中的应用。
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