CN117866319A - 无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚丙烯材料的领域，具体公开了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。无卤阻燃聚丙烯复合材料，包括：聚丙烯100质量份、无卤阻燃剂8‑13质量份以及阻燃促进剂7‑12质量份；所述阻燃促进剂为由高分子材料包裹的聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的混合物。无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，具有称量、熔融、挤出、冷却、造粒等步骤。本发明通过无卤阻燃剂和阻燃促进剂的协同作用，不仅使聚丙烯复合材料具有良好的阻燃性，且燃烧产物不含磷、卤等有害物质，提高了聚丙烯复合材料的阻燃环保性，同时还使聚丙烯复合材料具有良好的力学性能。

Description

无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚丙烯材料的领域，更具体地说，它涉及一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯材料是一种具有很高性价比的材料，具有比重小、无毒、易加工、抗冲击强度高、抗扰曲性以及电绝缘性好等优点。聚丙烯材料自问世以来不断在汽车塑料零部件上得到应用，目前已经被应用在保险杠、门板、行李箱、汽车仪表板、饰柱等汽车塑料零部件上。
然而，聚丙烯材料的阻燃性能较差，使其使用范围受到极大限制。为了提高聚丙烯材料的阻燃性，研究人员在其中加入了阻燃剂。卤系阻燃剂是最常见的阻燃剂，能使聚丙烯材料获得良好的阻燃性能。但是卤系阻燃剂在阻燃过程中会产生如CO、HCN、卤化氢、二恶英等有毒气体，对环境产生污染、对人体造成伤害。
相关技术中，研究人员采用非卤系阻燃剂如氮系阻燃剂和磷系阻燃剂；这类阻燃剂虽然环境友好、能抑制烟气、成本低，但是与基体相容性差，且对材料的力学性能影响较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
第一方面，提供了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，采用如下的技术方案：
一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，包括：聚丙烯100质量份、无卤阻燃剂8-13质量份以及阻燃促进剂7-12质量份；所述阻燃促进剂为由高分子材料包裹的聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的混合物。
通过采用上述技术方案，燃烧过程中无卤阻燃剂受热分解生成H2O和其他隔绝物，如N2、CO2或金属氧化物等；不仅吸收了热量，而且隔绝物质可以起到隔绝氧气和热量的作用，从而起到阻燃的作用。阻燃促进剂在高温时，其成分聚乙烯醇会在酸性物质的催化下发生碳氢单元断链反应并引起链传递反应，从而能够在短时间产生大量CO2，进而能进一步阻隔氧气、热量与聚丙烯基材的接触，提高了聚丙烯复合材料的阻燃性。同时阻燃促进剂与聚丙烯基材具有良好的相容性，从而在保证阻燃效果的同时减少了与聚丙烯基材相容性较差的无卤阻燃剂的用量，保证了聚丙烯复合材料的力学性能。
作为一种优选方案，所述聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比为(4-8)：1：(1-3)。
作为一种优选方案，还包括12-17质量份的高分子成炭剂。
通过采用上述技术方案，高分子成炭剂在燃烧后能形成炭层并包裹在聚丙烯材料表面，可以将氧气和可燃材料隔开，从而进一步提高了聚丙烯复合材料的阻燃性。同时高分子成炭剂与聚丙烯基材具有良好的相容性，从而不会对聚丙烯复合材料的力学性能产生不良的影响。
作为一种更优选方案，所述高分子成炭剂为PPO/酚醛树脂混合物。
作为一种更优选方案，所述PPO和酚醛树脂的质量配比为(1-4)：1。
作为一种优选方案，还包括5-7质量份的相容剂。
通过采用上述技术方案，有利于提高各组分与聚丙烯基材的相容性，从而进一步提高聚丙烯复合材料的力学性能。
作为一种更优选方案，所述相容剂为马来酸酐接枝PP。
作为一种优选方案，还包括0.1-1质量份的热稳定剂DSTP、0.1-1质量份的抗氧化剂1010以及0.1-0.5质量份的抗氧化剂168。
第二方面，提供了上述无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，采用如下的技术方案：
无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
称取原料并混合；
将原料熔融、挤出、冷却得到坯料；
将所述坯料造粒，得到无卤阻燃聚丙烯复合材料。
通过采用上述技术方案，无卤阻燃剂、阻燃促进剂与聚丙烯基材良好的复合在一起，提高了聚丙烯复合材料的环保阻燃能力。
综上所述，本发明至少具有以下有益技术效果：
1、本发明通过无卤阻燃剂和阻燃促进剂的协同作用，不仅使聚丙烯复合材料具有良好的阻燃性，且燃烧产物不含磷、卤等有害物质，提高了聚丙烯复合材料的阻燃环保性，同时还使聚丙烯复合材料具有良好的力学性能。
2、本发明通过引入高分子成炭剂，使其与无卤阻燃剂、阻燃促进剂相互配合，进一步提高了聚丙烯复合材料的阻燃性。
3、本发明引入相容剂提高了聚丙烯复合材料的各项性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例所用的相关原材料均可通过市售获得。
实施例1
本实施例公开了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，通过以下原料制备而成：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂13kg以及阻燃促进剂12kg。
其中：聚丙烯树脂在230℃的温度下，2.16kg负载下的流动速率为30-40g/min。无卤阻燃剂具体为三聚氰胺氰尿酸盐，其受热会吸收热量并分解出H2O、N2等产物。
阻燃促进剂为由有机高分子包覆的聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸混合物。聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比为6：1：3；有机高分子为有机硅材料并采用常规方法(如搅拌混合-真空干燥法)对聚乙烯醇等进行包覆。阻燃促进剂在高温下能短时间内产生大量的CO2，从而阻隔了氧气、热量与聚丙烯基材的接触，降低了燃烧的可能性。另外，采用有机高分子包覆有利于提高阻燃促进剂与聚丙烯的相容性，从而使阻燃促进剂在聚丙烯中的分散均匀性，对于聚丙烯复合材料的力学性能有着积极的影响。
实施例1还公开了上述无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，包括：
S1、准确称取聚丙烯100kg、无卤阻燃剂13kg以及阻燃促进剂12kg，将它们置于50℃的环境下干混10min，得到混合原料。
S2、将混合原料通入双螺杆挤出机中熔融挤出；控制原料在挤出机中停留时间为1.5min(在其他实施方案中，亦可选择1-3min之间的任意值)，挤出压力为15MPa(在其他实施方案中，亦可选择12-18MPa之间的任意值)；同时挤出机各工区温度为：一区温度180-190℃，二区温度180-190℃，三区温度190-200℃，四区温度190-200℃，五区温度200-210℃，六区温度210-220℃，七区温度220-230℃，八区温度220-230℃，九区温度210-220℃，十区温度210-220℃。
S3、将双螺杆挤出机中挤出的物料通过5℃的循环水冷却得到坯料。
S4、通过造粒机将坯料造粒，得到无卤阻燃聚丙烯复合材料。
通过上述步骤，聚丙烯基材与无卤阻燃剂、阻燃促进剂等融为了一个整体而形成了具有环保、高效、力学性能优异等特性的阻燃聚丙烯复合材料。
实施例2-3
实施例2-3与实施例1基本相同，不同之处在于：原料的配比不同。
具体为：
实施例2中，其原料配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂8kg以及阻燃促进剂7kg。
实施例3中，其原料配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg以及阻燃促进剂10kg。
实施例4-5
实施例4-5和实施例3基本相同，不同之处在于：聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比不同。
具体为：
实施例4中，聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比为4：1：1。
实施例5中，聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比为8：1：2。
实施例6-7
实施例6-7与实施例3基本相同，不同之处在于：加入了高分子成炭剂。
在本实施方案中，高分子成炭剂具体为PPO/酚醛树脂的混合物(两者质量比例为2：1)，酚醛树脂中苯酚和甲醛数量比值5：2。该物质在燃烧时可以形成炭层并包裹在聚丙烯基材上。另外，该物质与聚丙烯具有良好的相容性，因此可以均匀分散在聚丙烯基材中，对聚丙烯复合材料获得良好的力学性能具有积极的影响。
其中：
实施例6中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂12kg以及阻燃促进剂10kg。
实施例7中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂17kg以及阻燃促进剂10kg。
另外，在实施例6-7中，高分子成炭剂在聚丙烯复合材料制备方法的S1中与聚丙烯等一同混合。
实施例8-9
实施例8-9和实施例6基本相同，不同之处在于：PPO和酚醛树脂的质量配比不同。
具体为：
实施例8中，PPO和酚醛树脂的质量配比为1：1。
实施例9中，PPO和酚醛树脂的质量配比为4：1。
实施例10-11
实施例10-11与实施例6基本相同，不同之处在于：加入了相容剂。
在本实施方案中，相容剂具体为马来酸酐接枝PP，能够有效地提高各组成与聚丙烯基材的相容性，从而有利于聚丙烯复合材料力学性能的提升。
其中：
实施例10中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂12kg、阻燃促进剂10kg以及相容剂5kg。
实施例11中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂12kg、阻燃促进剂10kg以及相容剂7kg。
另外，在实施例10-11中，相容剂在聚丙烯复合材料制备方法的S1中与聚丙烯等一同混合。
实施例12-13
实施例12-13与实施例11基本相同，不同之处在于：加入了热稳定剂DSTP、抗氧化剂1010和抗氧化剂168。
其中：
实施例12中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂12kg、阻燃促进剂10kg、相容剂7kg、热稳定剂DSTP 0.1kg、抗氧化剂10100.1kg以及抗氧化剂1680.1kg。
实施例13中，原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg、高分子成炭剂12kg、阻燃促进剂10kg、相容剂7kg、热稳定剂DSTP 1kg、抗氧化剂10101kg以及抗氧化剂1680.5kg。
另外，在实施例12-13中，在热稳定剂DSTP、抗氧化剂1010和抗氧化剂168聚丙烯复合材料制备方法的S1中与聚丙烯等一同混合。
对比例1
本对比例公开了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，其与实施例3基本相同；不同之处在于：不含阻燃促进剂。原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂11kg。
对比例2
本对比例公开了一种无卤阻燃聚丙烯复合材料，其与实施例3基本相同；不同之处在于：以等量的无卤阻燃剂代替阻燃促进剂。原料具体配比为：聚丙烯100kg、无卤阻燃剂21kg。
性能检测
取实施例1-13以及对比例1-2所得无卤阻燃聚丙烯复合材料进行性能测试。
1、拉伸强度测试：参照标准ISO527-2进行检测；其中：跨距为50mm，速度50mm/min。
2、弯曲模量测试：参照标准ISO178进行检测；其中：跨距为64mm，速度2mm/min。
3、缺口冲击强度测试：参照标准ISO179-1进行检测；其中，跨距为62mm。
4、阻燃性测试：参照标准UL-94进行检测。
检测结果如下：
实施例1：拉伸强度：29Mpa、弯曲强度：1595Mpa、缺口冲击强度：17kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例2：拉伸强度：30Mpa、弯曲强度：1650Mpa、缺口冲击强度：20kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例3：拉伸强度：34Mpa、弯曲强度：1638Mpa、缺口冲击强度：19kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例4：拉伸强度：33Mpa、弯曲强度：1645Mpa、缺口冲击强度：19kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例5：拉伸强度：31Mpa、弯曲强度：1620Mpa、缺口冲击强度：20kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例6：拉伸强度：32Mpa、弯曲强度：1636Mpa、缺口冲击强度：21kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例7：拉伸强度：33Mpa、弯曲强度：1641Mpa、缺口冲击强度：20kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例8：拉伸强度：32Mpa、弯曲强度：1597Mpa、缺口冲击强度：20kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例9：拉伸强度：35Mpa、弯曲强度：1585Mpa、缺口冲击强度：20kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例10：拉伸强度：37Mpa、弯曲强度：1665Mpa、缺口冲击强度：23kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例11：拉伸强度：40Mpa、弯曲强度：1681Mpa、缺口冲击强度：24kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例12：拉伸强度：38Mpa、弯曲强度：1665Mpa、缺口冲击强度：22kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
实施例13：拉伸强度：41Mpa、弯曲强度：1675Mpa、缺口冲击强度：23kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
对比例1：拉伸强度：34Mpa、弯曲强度：1619Mpa、缺口冲击强度：19kJ·m-2、阻燃性测试：V1。
对比例2：拉伸强度：23Mpa、弯曲强度：1490Mpa、缺口冲击强度：16kJ·m-2、阻燃性测试：V0。
根据检测结果可以发现：
本发明各实施例所得的无卤阻燃聚丙烯复合材料均具有良好的阻燃性(V0)以及理想的力学性能(拉伸强度≥29MPa、弯曲模量≥1580MPa)，且由于无卤阻燃剂(三聚氰胺氰尿酸盐)和阻燃促进剂在燃烧过程中不产生卤素、磷等有害物质，故聚丙烯复合材料还具有良好的阻燃环保性。
通过对比实施例3和对比例1-2的试验结果可得：阻燃促进剂的加入能够在保证聚丙烯复合材料阻燃性的同时保证了材料的力学性能。
由实施例6-7的试验结果可得：含高分子成炭剂的聚丙烯复合材料具有良好的阻燃性和力学性能。
通过对比实施例6，10-11的试验结果可得：相容剂的加入有利于提高聚丙烯复合材料的力学性能。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：包括：聚丙烯100质量份、无卤阻燃剂8-13质量份以及阻燃促进剂7-12质量份；所述阻燃促进剂为由高分子材料包裹的聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的混合物。
2.根据权利要求1所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚乙烯醇、乙酸钠以及枸橼酸的质量配比为(4-8)：1：(1-3)。
3.根据权利要求1所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：还包括12-17质量份的高分子成炭剂。
4.根据权利要求3所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述高分子成炭剂为PPO/酚醛树脂混合物。
5.根据权利要求4所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述PPO和酚醛树脂的质量配比为(1-4)：1。
6.根据权利要求1-5任一所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：还包括5-7质量份的相容剂。
7.根据权利要求6所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述相容剂为马来酸酐接枝PP。
8.根据权利要求1-5任一所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：还包括0.1-1质量份的热稳定剂DSTP、0.1-1质量份的抗氧化剂1010以及0.1-0.5质量份的抗氧化剂168。
9.权利要求1所述的无卤阻燃聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
称取原料并混合；
将所述原料熔融、挤出、冷却得到坯料；
将所述坯料造粒，得到无卤阻燃聚丙烯复合材料。
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