CN115322488A - 一种阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。阻燃聚丙烯复合材料，包括以下重量份数的组分：聚丙烯60～70份，无机填料10～20份，溴系阻燃剂15～21份，阻燃协效剂5～7份，三聚氰胺聚磷酸盐2～5份，相容剂1～3份，光稳定剂0.5～1份，其他助剂0.1～0.9份；溴系阻燃剂为含有羟基和/或环氧基的溴系阻燃剂；溴系阻燃剂选自四溴双酚A或溴化环氧树脂中的一种或两种；溴化环氧树脂的平均分子量为14000～16000；光稳定剂为具有三嗪环结构的光稳定剂；光稳定剂的分子量为2000～4000。本发明制备的阻燃聚丙烯复合材料具有优异的阻燃性能，更高的极限氧指数和灼热丝起燃温度，且烟释放量较少。

Description

一种阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于阻燃材料的技术领域，更具体地，涉及一种阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚丙烯具有密度小、价格低、易加工等优点，已被广泛应用于汽车、家电等行业，但聚丙烯为碳氢化合物，属于易燃物质，限制了其进一步应用，为此需要加入阻燃剂进行改性，提高其阻燃性能。
阻燃剂又称难燃剂、耐火剂或防火剂，是能够提高易燃或可燃物的难燃性、自熄性或消烟性的一种助剂，是重要的精细化工产品和合成材料的主要助剂之一。在航天航空、化学建材、交通运输、室内装饰等领域中得到了广泛的应用。
阻燃剂种类繁多，一般分为有机阻燃剂和无机阻燃剂，最具代表性的阻燃剂是卤系、磷系及氢氧化铝、氢氧化镁等。卤系阻燃剂是含有卤素元素并以卤素元素起阻燃作用的一类阻燃剂。卤系阻燃剂(特别是溴系阻燃剂)的最大优点是阻燃效率高、用量少、相对成本较低，因而我国的阻燃剂仍以卤系阻燃剂为主，主要包含氯系和溴系。常用的卤系阻燃剂包括十溴二苯乙烷，八溴醚，溴化环氧，四溴双酚A和锑白等。中国专利文献CN109867862A公开了一种高韧性阻燃型聚丙烯材料及其制备方法。其主要特点是采用聚丙烯树脂作为基体树脂，通过在聚丙烯树脂中添加改性纳米氧化锑和溴化环氧树脂，二者协同作用起到良好的阻燃效果；但其阻燃等级仅达到V-1的水平，无法满足部分产品的阻燃要求。但是由于溴化环氧和四溴双酚A等与PP树脂的相容性较差，溴含量偏低，造成其力学性能较差，阻燃效率较低以及阻燃时大量烟雾产生，制约了其应用范围。
发明内容
针对上述现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种阻燃聚丙烯复合材料，所述阻燃聚丙烯复合材料在UL-94@1.5mm下具有V-0的阻燃性能，更高的极限氧指数和灼热丝起燃温度，且烟释放量较少。
本发明的第二个目的在于提供一种阻燃聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种阻燃聚丙烯复合材料在作为阻燃材料的应用。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种阻燃聚丙烯复合材料，包括以下重量份数的组分：聚丙烯60～70份，无机填料10～20份，溴系阻燃剂15～21份，阻燃协效剂5～7份，三聚氰胺聚磷酸盐2～5份，相容剂1～3份，光稳定剂0.5～1份，其他助剂0.1～0.9份；所述溴系阻燃剂为含有羟基和/或环氧基的溴系阻燃剂；所述溴系阻燃剂选自四溴双酚A或溴化环氧树脂中的一种或两种；所述溴化环氧树脂的平均分子量为 14000～16000；所述光稳定剂为具有三嗪环结构的受阻胺光稳定剂；所述光稳定剂的分子量为2000～4000。
如前所述，溴化环氧树脂、四溴双酚A等溴系阻燃剂的阻燃效果有限，通常难以达到V-0级别，同时阻燃过程中会有大量烟雾产生；为了改善其阻燃效果，会在溴系阻燃的体系中加入阻燃协效剂、三聚氰胺聚磷酸盐等，然而依然难以达到V-0的阻燃级别。发明人意外地发现，含有三嗪环结构的特定分子量范围的光稳定剂搭配进上述体系时，在氮氧自由基的作用下，含有三嗪环结构能与溴系阻燃剂的羟基和/或环氧基发生反应亲核加成反应，反应产生分子量更大、更稳定的碳层分子，阻隔燃烧进一步反应，起到了阻燃和减少烟雾释放量的作用，而特定分子量范围的溴化环氧树脂也更有利于减少成碳的反应时间，进一步提高阻燃效率，因此体系的阻燃效果得到进一步改善，复合材料的阻燃等级、极限氧指数、灼热丝起燃温度、烟释放量得到提高。
优选地，所述阻燃聚丙烯复合材料，包括以下重量份数的组分：聚丙烯65～ 70份，无机填料10～15份，溴系阻燃剂19～21份，阻燃协效剂5～7份，三聚氰胺聚磷酸盐3～5份，相容剂1～2份，光稳定剂0.5～1份，其他助剂0.6～0.9 份。
优选地，所述光稳定剂含有如式(Ⅰ)所示的重复单元：
Figure BDA0003793592040000021
Figure BDA0003793592040000031
其中，R1、R2各自独立地选自C1-C3烷氧基、氢中的一种或两种；R3、R4各自独立地选自氢、C4-C8烷基或
Figure BDA0003793592040000032
中的一种或多种。
进一步优选地，所述光稳定剂选自式(A)或式(B)中的一种或两种，其中式(A)的结构式为：
Figure BDA0003793592040000033
这类化合物市售常见的如Tinuvin NOR 371。
其中，式(B)的结构式为：
Figure BDA0003793592040000034
这类化合物市售常见的如CHIMASSORB 944FDL。
优选地，所述光稳定剂中三嗪环的质量含量为10.5～13％。
优选地，所述无机填料选自滑石粉、云母粉、硅灰石或硅酸镁中的一种或多种。
进一步优选地，所述无机填料为滑石粉。发明人团队通过研究发现，在本发明聚丙烯复合材料中，相对于其他的无机填料而言，滑石粉具有更优异的阻燃效果。
优选地，所述滑石粉的目数为1250～5000目。上述粒径大小的滑石粉在所述复合材料中具有更好的分散效果，有助于增强所述复合材料的力学性能。
优选地，所述阻燃协效剂为硼酸盐类阻燃协效剂。最常用的是硼酸锌。
优选地，所述聚丙烯为均聚聚丙烯和/或共聚聚丙烯。
优选地，所述聚丙烯的熔融指数在230℃/2.1622测试条件下为0.5～ 602/10min，测试方法为GB/T 3682-2000。进一步优选地，所述聚丙烯的熔融指数在230℃/2.1622测试条件下为9～152/10min。
优选地，所述相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物中的一种或多种。
优选地，其他助剂选自抗氧剂和/或抗滴落剂。
优选地，其他助剂选自0.2～0.6份的抗氧剂和/或0.1～0.3份的抗滴落剂。
进一步优选地，所述抗氧剂包括主抗氧剂和/或辅抗氧剂。其中，主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，选自抗氧剂1010、AO-330、AO-30和3114中的一种或多种。其中，辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂，选自抗氧剂168、PEP-36和627A中的一种或多种。
优选地，所述抗滴落剂包括但不限于聚四氟乙烯(PTFE)。
此外，本发明还提供了一种阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，将聚丙烯，无机填料，溴系阻燃剂，阻燃协效剂，三聚氰胺聚磷酸盐，相容剂，光稳定剂和其他助剂混合均匀，熔融挤出造粒，即得所述阻燃聚丙烯复合材料。
进一步地，本发明还保护上述阻燃聚丙烯复合材料在电子电器领域中的应用。更具体地，如电子电器中的电控盒。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种具有优异的阻燃性能，更高的极限氧指数和灼热丝起燃温度，且烟释放量较少的阻燃聚丙烯复合材料。所述阻燃聚丙烯复合材料中，以含有羟基和/或环氧基的溴系阻燃剂作为阻燃剂，在常规的阻燃协效剂搭配下，加入了含有三嗪环结构的光稳定剂和三聚氰胺聚磷酸盐，进一步提高了阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能。本发明中，所述阻燃聚丙烯复合材料的阻燃级别能达到 V-0，极限氧指数大于26.5％，灼热丝起燃温度在750℃以上，烟释放量等级在 80以下。本发明的阻燃聚丙烯复合材料更适合用于对阻燃性能有更高要求的场合，尤其是电子电器的电控盒。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例和对比例原料说明：
聚丙烯：EP300M-Z，共聚聚丙烯，熔融指数为9 2/10min(测试方法为ASTM D1238-2010，230℃，2.1622)，购自中海壳牌。
溴系阻燃剂1：溴化环氧树脂，EP-15K，平均分子量为15000，购自江苏兴盛化工。
溴系阻燃剂2：溴化环氧树脂，EP-10K，平均分子量为10000，购自江苏兴盛化工。
溴系阻燃剂3：四溴双酚A，FR-1524，购自以色列化工。
溴系阻燃剂4：乙基双(四溴邻苯二甲酰胺)，SAYTEX BT-93，购自美国雅宝。
滑石粉：TYT-777A，3000目，海城添源化工。
硅灰石：HQ-1250，大连环球矿产。
三聚氰胺聚磷酸盐：FR-NP，寿光卫东化工。
光稳定剂1：CHIMASSORB 944FDL，三嗪环的质量含量为11.2％，分子量 2000-3100，巴斯夫。
光稳定剂2：Tinuvin NOR 371，三嗪环的质量含量为10.5％，分子量 2800-4000，巴斯夫。
光稳定剂3：Tinuvin 770DF，分子量480，巴斯夫，其具体结构式为
Figure BDA0003793592040000051
光稳定剂4：Chimassorb 966，三嗪环的质量含量为13.0％，分子量1197，巴斯夫。其具体结构式为
Figure BDA0003793592040000061
抗氧剂：抗氧剂1010，市售。
抗氧剂168，市售。
抗滴落剂：聚四氟乙烯，市售。
相容剂：马来酸酐接枝聚丙烯，市售。
阻燃协效剂：硼酸锌，市售。
如未特别说明，各平行实施例和对比例中选用的各组分(例如抗氧剂、抗滴落剂、相容剂、阻燃协效剂)均为相同的市售产品。
实施例1～8
以下各实施例所用原材料的重量份数如表1所示。
以下各实施例采用相同的制备方法，具体步骤包括：按照表1的重量份数称取各种原材料加入到高混机中混合均匀后，加入双螺杆挤出机的主喂料口，挤出温度控制在180～200℃，电流控制在70～80％，挤出造粒，即得阻燃聚丙烯复合材料。
对比例1～7
以下各对比例所用原材料的重量份数如表2所示。
上述实施例和对比例制备的阻燃聚丙烯复合材料按照如下测试方法进行测试：
阻燃性(UL-94@1.5mm)：采用GB/T2408-2008测试方法进行测试。
极限氧指数(LOI,％)：采用GB-T 2406.2-2009测试方法进行测试。
灼热丝起燃温度(GWIT@2mm)：采用IEC 60695-2-13-2010测试方法进行测试。
最大烟密度等级：采用GB/T 8627-2007测试方法进行测试。
表1为各实施例配方组分及性能测试结果：
表1
Figure BDA0003793592040000071
表2为各对比例配方组分及性能测试结果：
表2
Figure BDA0003793592040000072
Figure BDA0003793592040000081
上述实施例1～8数据表明，本发明制备的阻燃聚丙烯复合材料具有优异的阻燃性能，更高的极限氧指数，灼丝起燃温度和较低的最大烟密度等级。具体而言，阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能等级最高可达V-0，极限氧指数大于26.5％，灼热丝起燃温度在750℃以上，烟释放量等级在80以下。进一步地，由实施例2 可知，当阻燃聚丙烯复合材料中的溴系阻燃剂、三聚氰胺聚磷酸盐和光稳定剂含量增加时，其极限氧指数、灼丝起燃温度和最大烟密度等级相对于其他实施例也具有明显的提升。
由对比例1和实施例1可知，当组分中溴系阻燃剂的含量低于本发明的保护范围时，阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能受到了较大的影响，其阻燃性能仅达到了V-1，且极限氧指数、灼丝起燃温度和最大烟密度等级都有不同程度的下降。
对比例2、对比例3、对比例4和对比例5分别为采用未含有羟基或环氧基的溴系阻燃剂(乙基双(四溴邻苯二甲酰胺))，未采用三聚氰胺聚磷酸盐，未采用光稳定剂，采用未含有三嗪环的光稳定剂的对比例，通过对比例2～5和实施例1的数据进行对比发现，上述对比例中阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能都未能够达到V-0，且极限氧指数、灼丝起燃温度和最大烟密度等级都比本发明实施例差。
具体而言，对比例2中采用未含有羟基或环氧基的溴系阻燃剂，其阻燃性能为V-1，虽然对比例2中的溴系阻燃剂中不含有羟基或环氧基，但是由于三聚氰胺聚磷酸盐的存在，以及乙基双(四溴邻苯二甲酰胺的阻燃效果会稍微优于溴化环氧树脂，因此对比例2中阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能仍具有V-1，但是其最大烟密度等级却达到了111，灼丝起燃温度也仅有700℃。而对比例3中未采用三聚氰胺聚磷酸盐，由于光稳定剂和溴系阻燃剂的相互作用，生成了大分子量的碳层分子，因此，虽然对比例3中不含有三聚氰胺聚磷酸盐，其阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能仍然具有V-1，且由于大分子量碳层分子的存在，也起到了一定程度的阻隔作用，其最大烟密度等级仍在100以内。对比例4中未采用光稳定剂，其制备的阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能受到了较大的影响，阻燃性能为 NR。对比例5中采用未含有三嗪环的光稳定剂，其制备的阻燃聚丙烯复合材料的阻燃性能为V-2。
对比例6中采用分子量为1197(分子量小于2000)的含有三嗪环的光稳定剂，其阻燃性能仅为V-2，可见，光稳定剂的分子量极大的影响了聚丙烯复合材料的阻燃性能，2000～4000分子量范围外的光稳定剂不能够与含有羟基或环氧基的溴系阻燃剂形成大分子量的、稳定的碳层结构，因此其阻燃效果难以达到 V-0，且减少烟雾释放量等作用有限。对比例7种采用了分子量10000的溴系阻燃剂，其阻燃性能仅为V-1，可见，优选平均分子量为14000～16000的溴系阻燃剂更有利于减少成碳的反应时间，进一步提高阻燃效率，使阻燃性能达到V-0。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例为申请人真实试验结果加以论证。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。

Claims (10)

1.一种阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量份数的组分：聚丙烯60～70份，无机填料10～20份，溴系阻燃剂15～21份，阻燃协效剂5～7份，三聚氰胺聚磷酸盐2～5份，相容剂1～3份，光稳定剂0.5～1份，其他助剂0.1～0.9份；
所述溴系阻燃剂为含有羟基和/或环氧基的溴系阻燃剂；所述溴系阻燃剂选自四溴双酚A或溴化环氧树脂中的一种或两种；所述溴化环氧树脂的平均分子量为14000～16000；
所述光稳定剂为具有三嗪环结构的受阻胺光稳定剂；所述光稳定剂的分子量为2000～4000。
2.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述光稳定剂含有如式(Ⅰ)所示的重复单元：
Figure FDA0003793592030000011
其中，R1、R2各自独立地选自C1-C3烷氧基、氢中的一种或两种；R3、R4各自独立地选自氢、C4-C8烷基或
Figure FDA0003793592030000012
中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述光稳定剂选自式(A)或式(B)中的一种或两种，其中，式(A)的结构式为：
Figure FDA0003793592030000021
式(B)的结构式为：
Figure FDA0003793592030000022
4.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述无机填料选自滑石粉、云母粉、硅灰石或硅酸镁中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述无机填料为滑石粉，所述滑石粉的目数为1250～5000目。
6.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述阻燃协效剂为硼酸盐类阻燃协效剂。
7.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于，所述其他助剂为抗氧剂和/或抗滴落剂。
9.权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，将聚丙烯，无机填料，溴系阻燃剂，阻燃协效剂，三聚氰胺聚磷酸盐，相容剂，光稳定剂和其他助剂混合均匀，熔融挤出造粒，即得所述阻燃聚丙烯复合材料。
10.权利要求1所述阻燃聚丙烯复合材料在电子电器领域中的应用。
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