CN117586582A - 一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐烧蚀材料技术领域，尤其涉及一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料及其制备方法，按照质量百分比，耐烧蚀聚丙烯复合材料包括聚丙烯6.2～37.8%、短玻纤5～10%、长玻纤增强聚丙烯30～40%、耐烧蚀填料5～10%、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂5～10%、三嗪成炭剂5～10%、双氰胺阻燃剂3～5%、相容剂3～5%、耐候剂0.2～0.8%和助剂1～3%。本方案通过对聚丙烯复合材料的配方进行优化，有利于材料在遇到高温煅烧时形成坚固的防火层，使材料具有优异的耐烧蚀效果，同时还具有良好的耐候性能和阻燃性能，以克服现有技术中的不足之处。
Description
技术领域
本发明涉及耐烧蚀材料技术领域，尤其涉及一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
市面上的耐烧蚀材料是以环氧树脂、酚醛树脂、三元乙丙橡胶和有机硅橡胶等基材为主的复合材料，主要应用于军工、航天及电线电缆等技术领域。
现有的耐烧蚀材料起到耐烧蚀作用的主要机理是：依靠环氧树脂、酚醛树脂等热固性材料在生产过程中发生化学反应而交联固化，从而形成牢固的刚性的三维网络结构；在复合材料遇到高温煅烧时，三维网络结构也不会软化或流动，达到阻止材料被烧穿的目的。
但上述耐烧蚀机理的复合材料存在如下缺陷：（1）配方中含有热固性材料，不能重复利用，浪费较大，污染严重；（2）材料阻燃性能相对较差，一般是HB或V-0级别的，极少能达到5VA等级；（3）在高温燃烧过程中会产生大量烟雾和有毒气体，不符合绿色环保要求；（4）材料中一般含有大量矿物填料，韧性非常差，容易破裂；（5）材料耐候性能差，不能长时间在户外使用，长时间使用容易令上述材料制得的制件粉化和变脆。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料及其制备方法，通过对聚丙烯复合材料的配方进行优化，有利于材料在遇到高温煅烧时形成坚固的防火层，使材料具有优异的耐烧蚀效果，同时还具有良好的耐候性能和阻燃性能，以克服现有技术中的不足之处。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，按照质量百分比，包括聚丙烯6.2～37.8%、短玻纤5～10%、长玻纤增强聚丙烯30～40%、耐烧蚀填料5～10%、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂5～10%、三嗪成炭剂5～10%、双氰胺阻燃剂3～5%、相容剂3～5%、耐候剂0.2～0.8%和助剂1～3%。
优选的，所述短玻纤的长度为4～6mm；
按照质量百分比，所述长玻纤增强聚丙烯中长玻纤的含量为45～55%，且所述长玻纤的长度为10～12mm。
优选的，所述耐候剂包括紫外线吸收剂和光稳定剂，且按照质量比，所述紫外线吸收剂和所述光稳定剂的混合比例为1：1。
优选的，所述紫外线吸收剂为2-（4,6-双（2,4-二甲基苯基）-1,3,5-三嗪-2-基）-5-辛氧基酚，所述光稳定剂为具有NOR结构的光稳定剂。
优选的，所述耐烧蚀填料包括碳化硅、碳化硼、氧化铝和白炭黑中的任意一种或多种的组合。
优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
优选的，所述助剂包括抗氧剂、分散剂和偶联剂中的任意一种或多种的组合。
优选的，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂包括三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯和四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的任意一种或多种的组合，所述辅助抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
优选的，所述分散剂为聚乙烯蜡，所述偶联剂包括钛酸酯类偶联剂和硅烷类偶联剂中的任意一种。
一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的制备方法，用于制备上述无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，包括以下步骤：
A、按配方量将聚丙烯、短玻纤、耐烧蚀填料、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂、双氰胺阻燃剂、相容剂、耐候剂和助剂混合均匀，得到混合物；
B、将混合物加入到双螺杆挤出机熔融，挤出造粒并烘干得到复合材料半成品；
C、将复合材料半成品与配方量的长玻纤增强聚丙烯混合均匀，得到无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料。
本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1、通过在聚丙烯复合材料的配方中将3种膨胀型阻燃剂（聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂和双氰胺阻燃剂）、2种玻璃纤维（短玻纤和含有长玻纤的长玻纤增强聚丙烯）和耐烧蚀填料进行复配，有利于材料在遇到高温煅烧时形成坚固的防火层，使材料具有优异的耐烧蚀效果，同时还具有良好的耐候性能和阻燃性能。
2、在原料配方中添加了相容剂，使聚丙烯、耐烧蚀填料和长短玻纤可以有效地聚集，避免材料流动性太高而降低材料的耐烧蚀性能。
3、在原料配方中添加了耐候剂，以提升材料的耐候性能，赋予材料防老化性能，使其能够在户外长时间使用。
具体实施方式
一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，按照质量百分比，包括聚丙烯6.2～37.8%、短玻纤5～10%、长玻纤增强聚丙烯30～40%、耐烧蚀填料5～10%、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂5～10%、三嗪成炭剂5～10%、双氰胺阻燃剂3～5%、相容剂3～5%、耐候剂0.2～0.8%和助剂1～3%。
为了克服现有耐烧蚀材料所存在的缺陷，本技术方案提出了一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其原料主要包括3种膨胀型阻燃剂（聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂和双氰胺阻燃剂）、2种玻璃纤维（短玻纤和含有长玻纤的长玻纤增强聚丙烯）和耐烧蚀填料。
当本方案的耐烧蚀聚丙烯复合材料遇到高温燃烧时，聚丙烯树脂首先会熔化并通过其粘结作用将耐烧蚀填料进行聚集，然后3种膨胀型阻燃剂在高温情况下会与耐烧蚀填料共同作用，并在材料表面形成致密的碳层，从而达到阻隔空气中的氧气、阻止高温火焰进一步燃烧的目的，最后再由长短玻纤交织形成三维网状结构，对致密碳层起到有力的支撑作用，一方面可以抵御材料的高温燃烧，另一方面可以大幅提升材料本身的刚性和硬度。本方案通过对聚丙烯复合材料的配方进行优化，有利于材料在遇到高温煅烧时形成坚固的防火层，使材料具有优异的耐烧蚀效果。
进一步地，为了巩固材料的耐烧蚀性能，本方案还在原料配方中添加了相容剂，使聚丙烯、耐烧蚀填料和长短玻纤可以有效地聚集，避免材料流动性太高而降低材料的耐烧蚀性能。更进一步地，为了赋予材料防老化性能，使其能够在户外长时间使用，本方案还在原料配方中添加了耐候剂，以提升材料的耐候性能。
更进一步说明，所述短玻纤的长度为4～6mm；
按照质量百分比，所述长玻纤增强聚丙烯中长玻纤的含量为45～55%，且所述长玻纤的长度为10～12mm。
进一步地，本方案还对长短玻纤的添加比例和长度进行了优选，更有利于材料形成坚固的三维网状结构，从而进一步保证材料的耐烧蚀性能和结构强度。
更进一步说明，所述耐候剂包括紫外线吸收剂和光稳定剂，且按照质量比，所述紫外线吸收剂和所述光稳定剂的混合比例为1：1。
在本技术方案的一个优选实施例中，将紫外线吸收剂和光稳定剂按1：1的质量比进行复配，两者起到协同作用，更有利于提升材料的耐候性能。
更进一步说明，所述紫外线吸收剂为2-（4,6-双（2,4-二甲基苯基）-1,3,5-三嗪-2-基）-5-辛氧基酚，所述光稳定剂为具有NOR结构的光稳定剂。
普通耐候剂都为偏碱性，在遇到阻燃剂和相容剂时会起到一定反应，从而削弱材料的耐候和阻燃性能。因此，为了避免上述情况的出现，本方案还对紫外线吸收剂和光稳定剂的具体种类进行优选；其中，本方案所使用的光稳定剂为具有NOR结构的光稳定剂，能最大限度地避免与材料中的酸性物质（如无机酸或燃烧中能原位生成酸的化合物，即磷酸、硼酸、硫酸和磷酸酯等）反应，从而为材料提供出色的防老化性能，同时也对材料的阻燃性能无任何影响。
更进一步说明，所述耐烧蚀填料包括碳化硅、碳化硼、氧化铝和白炭黑中的任意一种或多种的组合。
更进一步说明，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
更进一步说明，所述助剂包括抗氧剂、分散剂和偶联剂中的任意一种或多种的组合。
需要说明的是，本方案的助剂种类可根据材料的实际应用需求进行选择。
更进一步说明，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂包括三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯和四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的任意一种或多种的组合，所述辅助抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
更进一步说明，所述分散剂为聚乙烯蜡，所述偶联剂包括钛酸酯类偶联剂和硅烷类偶联剂中的任意一种。
一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的制备方法，用于制备上述无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，包括以下步骤：
A、按配方量将聚丙烯、短玻纤、耐烧蚀填料、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂、双氰胺阻燃剂、相容剂、耐候剂和助剂混合均匀，得到混合物；
B、将混合物加入到双螺杆挤出机熔融，挤出造粒并烘干得到复合材料半成品；
C、将复合材料半成品与配方量的长玻纤增强聚丙烯混合均匀，得到无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料。
本方案还提出了一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的制备方法，其有别于常规制备方法的是，在复合材料的最后生产步骤C才将长玻纤增强聚丙烯与其他原料进行混合，从而更有利于保留长玻纤的长度，以确保材料中坚固的三维网状结构的形成。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例组
A、按下表1中的配方量将聚丙烯、短玻纤、耐烧蚀填料、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂、双氰胺阻燃剂、相容剂、耐候剂和助剂混合均匀，得到混合物；
B、将混合物加入到双螺杆挤出机熔融，挤出造粒并烘干得到复合材料半成品；
C、将复合材料半成品与下表1中的配方量的长玻纤增强聚丙烯混合均匀，得到无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料。
表1 实施例组中无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的原料配比
需要说明的是，表1中：
短玻纤的长度为4～6mm；
按照质量百分比，长玻纤增强聚丙烯中长玻纤的含量为50%，且长玻纤的长度为10～12mm；
耐候剂包括2-（4,6-双（2,4-二甲基苯基）-1,3,5-三嗪-2-基）-5-辛氧基酚和具有NOR结构的光稳定剂，且上述两种原料的质量比为1：1；
耐烧蚀填料包括碳化硅和白炭黑，且上述两种原料的质量比为1：1；
相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；
助剂包括抗氧剂，且抗氧剂包括三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯和四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，且上述两种原料的质量比为1：1。
将实施例组制得的无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料按照下表2中的检测方法和测试条件进行相关检测项目的性能测试，其结果如下表3所示。
表2 无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的检测项目
表3 实施例组中无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的性能测试结果
对比例组
A、按下表4中的配方量将聚丙烯、短玻纤、耐烧蚀填料、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂、双氰胺阻燃剂、相容剂、耐候剂和助剂混合均匀，得到混合物；
B、将混合物加入到双螺杆挤出机熔融，挤出造粒并烘干得到复合材料半成品；
C、将复合材料半成品与下表4中的配方量的长玻纤增强聚丙烯混合均匀，得到无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料。
表4 对比例组中无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的原料配比
需要说明的是，表4中：
短玻纤的长度为4～6mm；
按照质量百分比，长玻纤增强聚丙烯中长玻纤的含量为50%，且长玻纤的长度为10～12mm；
耐候剂包括2-（4,6-双（2,4-二甲基苯基）-1,3,5-三嗪-2-基）-5-辛氧基酚和具有NOR结构的光稳定剂，且上述两种原料的质量比为1：1；
耐烧蚀填料包括碳化硅和白炭黑，且上述两种原料的质量比为1：1；
相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；
助剂包括抗氧剂，且抗氧剂包括三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯和四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，且上述两种原料的质量比为1：1。
将对比例组制得的无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料按照表2中的检测方法和测试条件进行相关检测项目的性能测试，其结果如下表5所示。
表5 对比例组中无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的性能测试结果
从表3和表5的性能测试结果可以得知，本方案通过在聚丙烯复合材料的配方中将3种膨胀型阻燃剂（聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂和双氰胺阻燃剂）、2种玻璃纤维（短玻纤和含有长玻纤的长玻纤增强聚丙烯）和耐烧蚀填料进行复配，有利于材料在遇到高温煅烧时形成坚固的防火层，使材料具有优异的耐烧蚀效果，同时还具有良好的耐候性能和阻燃性能。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，按照质量百分比，包括聚丙烯6.2～37.8%、短玻纤5～10%、长玻纤增强聚丙烯30～40%、耐烧蚀填料5～10%、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂5～10%、三嗪成炭剂5～10%、双氰胺阻燃剂3～5%、相容剂3～5%、耐候剂0.2～0.8%和助剂1～3%。
2.根据权利要求1所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述短玻纤的长度为4～6mm；
按照质量百分比，所述长玻纤增强聚丙烯中长玻纤的含量为45～55%，且所述长玻纤的长度为10～12mm。
3.根据权利要求1所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述耐候剂包括紫外线吸收剂和光稳定剂，且按照质量比，所述紫外线吸收剂和所述光稳定剂的混合比例为1：1。
4.根据权利要求3所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述紫外线吸收剂为2-（4,6-双（2,4-二甲基苯基）-1,3,5-三嗪-2-基）-5-辛氧基酚，所述光稳定剂为具有NOR结构的光稳定剂。
5.根据权利要求1所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述耐烧蚀填料包括碳化硅、碳化硼、氧化铝和白炭黑中的任意一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。
7.根据权利要求1所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述助剂包括抗氧剂、分散剂和偶联剂中的任意一种或多种的组合。
8.根据权利要求7所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂，所述主抗氧剂包括三(2,4-二叔丁基)亚磷酸苯酯和四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯中的任意一种或多种的组合，所述辅助抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
9.根据权利要求7所述的一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，其特征在于，所述分散剂为聚乙烯蜡，所述偶联剂包括钛酸酯类偶联剂和硅烷类偶联剂中的任意一种。
10.一种无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1～9任意一项所述的无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料，包括以下步骤：
A、按配方量将聚丙烯、短玻纤、耐烧蚀填料、聚焦磷酸哌嗪阻燃剂、三嗪成炭剂、双氰胺阻燃剂、相容剂、耐候剂和助剂混合均匀，得到混合物；
B、将混合物加入到双螺杆挤出机熔融，挤出造粒并烘干得到复合材料半成品；
C、将复合材料半成品与配方量的长玻纤增强聚丙烯混合均匀，得到无卤耐候阻燃耐烧蚀聚丙烯复合材料。
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