一种阻燃PP复合材料及其制备方法与流程

2021-02-02 20:02:14|

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本发明涉及改性聚丙烯材料及其制备方法，具体地说，是一种阻燃pp复合材料及其制备方法

背景技术：

聚丙烯作为五大通用塑料之一，因为其机械性能优良、耐热性佳、化学稳定性高、电绝缘性优异，而且具有良好的可加工性，广泛应用于家电、汽车和建材等领域，但聚丙烯氧指数低，极易燃烧，极大程度限制了其应用，因此若想拓展其使用范围，必须对其进行阻燃改性。

目前聚丙烯常用阻燃剂为溴系、膨胀阻燃剂和氢氧化铝和氢氧化镁等，而目前市场上作为主流的溴系阻燃剂，虽然在聚合物中的阻燃效果最佳，但是其在阻燃过程中会产生大量的有毒气体，对环境和人身安全造成巨大的威胁。三聚氰胺属于氮系阻燃剂，是聚丙烯常用的无卤阻燃剂，具有低毒性及很低的腐蚀性，燃烧时会生成水蒸气、氨气、氮气等非腐蚀性气体可稀释燃烧区内的氧气和可燃性气体，且燃烧时由于升华、蒸发、分解等吸热过程要带走大量热，因而阻燃效果较佳，而对于膨胀阻燃剂和氢氧化铝等无卤阻燃剂，其虽然安全、无毒，燃烧过程中烟释放量少，但是其有一个共同的缺点即阻燃效率低，一般需要20-50％的添加量才能使pp获得良好的阻燃性能。为了提升阻燃效率，目前已经有相关研究者通过复配的方式，将三聚氰胺与含溴元素的有机或无机酸反应，结合两者的阻燃优势来减少阻燃剂的添加量。

目前磷氮溴复配的阻燃剂成为阻燃pp研究的热点，国内外也报导了相关专利，如cn104004270a公开了一种低卤聚丙烯阻燃材料及其制备方法，本发明以苯基次磷酸铝为基础，与溴系阻燃剂复配，通过p-br协同作用，用总添加量不大于2wt％的阻燃剂，获得了综合性能均衡，满足环保要求，阻燃性达到美国ul941.6mmv2，力学性能、电学性能优良的阻燃。但是该专利仅关注阻燃性能，没有涉及光泽度和麻点的评测。cn109776951a公开了一种使聚丙烯达到v2阻燃级别的耐温型阻燃剂组合物及其制备方法和应用，通过增加自由基引发剂的分子量来提高其热分解温度，在自由基引发滴落阻燃体系v2阻燃聚丙烯中，增加阻燃剂组合物的耐温性能，使得阻燃剂组合物在下游聚丙烯中分散，具有更好的耐温性能，可以满足一些对于温度要求较高的下游应用，实现长期使用不失效。该发明从阻燃剂的耐温性着手，实现了阻燃性能的长效性，但是对于产品的外观等无涉及。

沸石咪唑盐骨架结构化合物(zif-8)是一种典型的金属有机框架化合物((mofs)，锌离子和咪唑化合物通过配位作用可以制备得到zif-8，zif-8制备工艺简单，与沸石多孔材料具有类似骨架结构，具有高度有序层状结构、热稳定性和化学稳定性好、比表面积大等特点。但是由于zif-8颗粒存在较强的氢键、范德华力、π-π堆积，因此容易团聚，从而影响其作为纳米材料的小尺寸效应，也降低了其在聚合物中的分散性，影响材料的力学性能。查阅相关专利发现，随着5g时代的带来，低介电成为研究的热点，通过加入一些多孔材料能够有效降低材料的介电常数，但是目前没有通过加入zif-8进行介电研究的专利，本文基于zif-8的产品特性，通过使用硅烷偶联剂进行包覆，改善了其分散性能，结合其阻燃和多孔的材料特性，在保证阻燃性能和良外观的前提下，进一步降低阻燃pp的介电常数，未来在家电、电子电器等领域具有广阔的发展前景。

技术实现要素：

目前对于一些家电产品对于阻燃性能有要求，很多产品实现了优异的阻燃性能，但是往往忽略了阻燃剂加进去对于产品外观的影响，为了克服现有阻燃聚丙烯的上述不足，本发明提供一种阻燃pp复合材料及其制备方法，在实现优异阻燃性能的同时，产品兼具良外观、低介电的特性。

本发明提供的良外观低介电阻燃pp复合材料及其制备方法，通过调整复配阻燃剂的比例在实现优异阻燃性能的同时，产品兼具良外观；通过加入硅烷偶联剂包覆zif-8，在实现阻燃和良外观的前提下，能够有效降低材料介电常数和介电损耗，产品综合性能优异，能够广泛应用于家电、汽车和电子电器等领域。

本发明解决其技术问题的技术方案是：一种阻燃pp复合材料，由包括以下重量百分比的成分经过熔融共混制备得到，：

聚丙烯：88-97％；

复配阻燃剂：1-5％；

表面改性剂：0.4-3％；

抗氧剂：0.3-0.5％；

润滑剂：0.3-0.5％；

钛白粉:1-3％；

所述聚丙烯为均聚或者共聚聚丙烯里的一种或多种。优选的，所述聚丙烯为均聚和共聚丙烯，熔指范围为3-100g/10min。

所述复配阻燃剂包含金属次磷酸盐/次膦酸盐、改性三聚氰胺氢溴酸盐和阻燃协效剂联枯，三者按重量比复配，比例如下(0.5-0.8):(0.1-0.3)：(0.05-0.25)。

优选地，所述金属次磷酸盐/次膦酸盐为次磷酸铝、次磷酸钠、次磷酸钙、次磷酸镁、二乙基次膦酸铝中的一种或多种。

所述改性三聚氰胺氢溴酸盐，为密胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐。优选地，其制备步骤包括：

s1：将甲醛水溶液调节ph＝8-9后与三聚氰胺粉末反应得到蜜胺树脂预聚体；

s2：将乙醇和蒸馏水的混合液与三聚氰胺氢溴酸盐混合搅拌0.5～2h得到三聚氰胺氢溴酸溶液；

s3：将步骤s1制备的蜜胺树脂预聚体溶液与步骤s2得到的三聚氰胺氢溴酸溶液，用甲酸溶液调节溶液ph至3-6后反应制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐。

作为一种更具体的方案，密胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐的制备步骤包括：

s1：取适量的37％甲醛水溶液于三口烧瓶中，用弱碱溶液调节ph＝8-9，倒入适量三聚氰胺粉末，其中37％甲醛水溶液与三聚氰胺粉末的质量比为1:1～1.2，将溶液搅拌均匀完全溶解后，将三口烧瓶置于油浴锅中，升温至80-90℃，保温反应1-3h，获得蜜胺树脂预聚体；

s2：取适量三聚氰胺氢溴酸盐于三口烧瓶中，倒入乙醇和蒸馏水的混合液，相对三聚氰胺氢溴酸盐溶液，两者质量比为1:10～20,，其中乙醇和蒸馏水的质量比为1：0.5～2，然后混合搅拌0.5～2h；

s3：将步骤s1制备好的蜜胺树脂预聚体溶液，倒入步骤s2中的三口烧瓶，其中密胺树脂预聚体与三聚氰胺氢溴酸溶液的质量比为1～2.5：1，用甲酸溶液调节溶液ph至3-6左右，油浴锅升温至60℃-100℃，恒温反应2-3h，反应完成后过滤溶液，冷却、抽滤、用大量蒸馏水洗涤，放入50-70℃恒温鼓风烘箱中干燥12-24h，研磨，制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐。

所述阻燃协效剂联枯，即2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷，其熔点为90-110℃。

所述表面改性剂为硅烷偶联剂包覆zif-8。

优选地，所述硅烷偶联剂包覆zif-8，其制备步骤包括：

s1；zif-8颗粒的制备：将2-甲基咪唑溶液与无机锌盐溶液混合均匀，在60-80℃的温度条件下，反应2-6h后，经过离心、洗涤，在70-90℃，干燥8-12h，得到zif-8颗粒；

s2：取步骤s1中的zif-8颗粒与硅烷偶联剂在高混机中混合3-5min，即得硅烷偶联剂包覆zif-8。

所述2-甲基咪唑溶液浓度为2-5mol/l，所述无机锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌，所述无机锌盐浓度为0.3-1.0mol/l。2-甲基咪唑溶液与无机锌盐溶液的质量比为0.5:0.5～0.8。

所述硅烷偶联剂是kh550硅烷偶联剂、kh560硅烷偶联剂或者kh570硅烷偶联剂一种或多种，优选的所述硅烷偶联剂为kh550。zif-8颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:1～1.5。

所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的复配体系。优选的，所述的抗氧剂为质量比为1:1～3的亚磷酸酯类抗氧剂168、受阻酚类抗氧剂1010的复配体系。

所述润滑剂为硬脂酸镁、硬脂酸锌和硬脂酸钙中的一种或多种。优选的，所述的润滑剂为硬脂酸镁。

所述钛白粉为tio2，纯度为99.8％。

一种阻燃pp复合材料的制备方法：包括以下步骤：

s1：按比例将聚丙烯与复配阻燃剂、表面改性剂、抗氧剂、润滑剂和钛白粉一起加入高速混合机中混合3-5min；

s2：将步骤(1)中已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得阻燃pp复合材料，优选挤出机的机筒温度为120-200℃，螺杆转速为200-500r/min。

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过调整复配阻燃剂比例，同时对三聚氰胺氢溴酸盐进行密胺树脂微胶囊包覆，在实现优异阻燃性能的同时，产品无麻点。

2)本发明产品阻燃效率高，添加量为2％，达到ul-94v-2，通过xrf检测其溴含量小于900ppm，满足无卤的要求。

3)本发明通过加入硅烷偶联剂包覆zif-8，利用其多孔的结构，有效降低复合材料的介电常数，使产品兼顾阻燃性能和介电性能，综合性能优异。

附图说明：

图1为实施例1制备的阻燃pp的3d显微镜图；

图2为对比例1制备的pp的3d显微镜图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，通过实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所述的范围。

实施例和对比例所用原料信息如下：

hp500p，大连石化，熔指mfr为18g/10min(230℃/2.16kg，iso1133)；bx3900，sk，熔指mfr为60g/10min(230℃/2.16kg，iso1133)；次磷酸铝，喜嘉化工，磷含量为40-42％，铝含量为12-13％，d50为≤10um；三聚氰胺氢溴酸盐，喜嘉化工，分解温度tga(2％)≥265℃；联枯，喜嘉化工，其熔点为90-110℃；抗氧剂1010/168，巴斯夫(中国)有限公司；硬脂酸镁，溧阳化工有限公司；钛白粉，cr-210，锦州钛业有限公司。甲醛溶液，分析纯，含量37-40％，西陇科学股份有限公司；三聚氰胺，天津市光复化工研究院，化学纯，含量≥99.6％；无水甲酸，天津市光复化工研究院，分析纯。2-甲基咪唑溶液，纯度97％，上海吉至生化科技有限公司；六水合硝酸锌、氯化锌，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，硅烷偶联剂kh550，南京全希化工有限公司。

实施例和对比例性能测试方法如下：

mfr测试按照iso-1133标准测试，测定条件为230℃下，2.16kg砝码质量；拉伸强度按照法iso-527标准测试，弯曲强度按照iso-178标准测试，冲击强度按照iso-180标准测试；阻燃测试按ul-94标准，其中，阻燃等级一般根据材料的厚度进行定义，本发明中主要以1.6mm厚度的作为测试标准；光泽度测试，测试角度60°，按照iso-2813标准测试；麻点评测：采用3d显微镜观察样板进行评测；介电性能测试方法：介电常数和介电损耗按iec60250执行，测试频率2.5ghz，采用谐振腔法测试，dk即为材料的介电常数。

实施例1

改性三聚氰胺氢溴酸盐其主要制备步骤包括：

s1：取30g的37％甲醛水溶液于三口烧瓶中，用氨水溶液调节ph＝8，倒入30g三聚氰胺粉末，搅拌均匀完全溶解后，将三口烧瓶置于油浴锅中，升温至80℃，保温反应1h，获得蜜胺树脂预聚体，留出备用；

s2：取25g三聚氰胺氢溴酸盐于三口烧瓶中，倒入150g乙醇和100g蒸馏水的混合液，然后混合搅拌30min；

s3：分别取20g蜜胺树脂预聚体溶液和20g三聚氰胺氰溴酸盐溶液，倒入三口烧瓶中，用甲酸溶液调节溶液ph至3左右，油浴锅升温至60℃，恒温反应2h，反应完成后过滤溶液，冷却、抽滤、用大量蒸馏水洗涤，放入50℃恒温鼓风烘箱中干燥12h，研磨，制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐；

表面改性剂-硅烷偶联剂包覆zif-8；其制备步骤包括：

s1：zif-8颗粒的制备：取8g浓度为2mol/l的2-甲基咪唑溶液与8g浓度为0.3mol/l六水合硝酸锌溶液混合均匀，加入三口烧瓶中，60℃的温度条件下，反应2h后，经过离心、洗涤，在70℃，干燥8h，得到zif-8颗粒；

s2：取10g步骤s1中的zif-8颗粒加入高混机，加入10gkh550硅烷偶联剂，混合3min，即得硅烷偶联剂包覆zif-8；

取94.6ghp500p、1.1g次磷酸铝、0.3g改性三聚氰胺氢溴酸盐、0.2g联枯、1.5g表面改性剂、0.3g抗氧剂1010、0.1g168抗氧剂、0.4g硬脂酸镁和1.5g钛白粉一起加入高混机中混合3min；

将上述已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得阻燃pp复合材料；其中挤出机的第一节机筒到第十一节机筒温度分别为130℃，170℃，175℃，175℃，180℃，180℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，机头温度为180℃，螺杆转速为200r/min。

实施例2

改性三聚氰胺氢溴酸盐，其主要制备步骤包括：

s1：取40g的37％甲醛水溶液于三口烧瓶中，用氨水溶液调节ph＝9，倒入48g三聚氰胺粉末，搅拌均匀完全溶解后，将三口烧瓶置于油浴锅中，升温至90℃，保温反应3h，获得蜜胺树脂预聚体，留出备用；

s2：取18g三聚氰胺氢溴酸盐于三口烧瓶中，倒入120g乙醇和240g蒸馏水的混合液，然后混合搅拌1h；

s3：分别取20g蜜胺树脂预聚体溶液和8g三聚氰胺氰溴酸盐溶液，倒入三口烧瓶中，用甲酸溶液调节溶液ph至6左右，油浴锅升温至100℃，恒温反应3h，反应完成后过滤溶液，冷却、抽滤、用大量蒸馏水洗涤，放入70℃恒温鼓风烘箱中干燥24h，研磨，制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐；

表面改性剂为硅烷偶联剂包覆zif-8；其制备步骤包括：

s1：zif-8颗粒的制备：取5g浓度为5mol/l的2-甲基咪唑溶液与8g浓度为1mol/l的六水合硝酸锌溶液混合均匀，加入三口烧瓶中，80℃的温度条件下，反应6h后，经过离心、洗涤，在90℃，干燥12h，得到zif-8颗粒；

s2：取30gs1中的zif-8颗粒加入高混机，加入45gkh550硅烷偶联剂，混合5min，即得硅烷偶联剂包覆zif-8；

取93.7gbx3920、1.6g二乙基次膦酸铝、0.3g改性三聚氰胺氢溴酸盐、0.1g联枯、2.0g表面改性剂、0.3g抗氧剂1010和0.1g168抗氧剂、0.4g硬脂酸镁和1.5g钛白粉一起加入高混机中混合5分钟；

将上述已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得一种阻燃pp复合材料；其中挤出机的第一节机筒到第十一节机筒温度分别为140℃，175℃，180℃，175℃，180℃，185℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，机头温度为185℃，螺杆转速为500r/min。

实施例3

改性三聚氰胺氢溴酸盐其主要制备步骤包括：

s1：取35g的37％甲醛水溶液于三口烧瓶中，用氨水溶液调节ph＝9，倒入39g三聚氰胺粉末，搅拌均匀完全溶解后，将三口烧瓶置于油浴锅中，升温至85℃，保温反应2h，获得蜜胺树脂预聚体，留出备用；

s2：取22g三聚氰胺氢溴酸盐于三口烧瓶中，倒入150g乙醇和110g蒸馏水的混合液，然后混合搅拌45min；

s3：分别取20g蜜胺树脂预聚体溶液和14g三聚氰胺氰溴酸盐溶液，倒入三口烧瓶中，用甲酸溶液调节溶液ph至4.5左右，油浴锅升温至80℃，恒温反应2.5h，反应完成后过滤溶液，冷却、抽滤、用大量蒸馏水洗涤，放入65℃恒温鼓风烘箱中干燥18h，研磨，制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐；

表面改性剂-硅烷偶联剂包覆zif-8；其制备步骤包括：

s1：zif-8颗粒的制备：取7.5g浓度为2.5mol/l的2-甲基咪唑溶液与9g浓度为0.8mol/l的氯化锌溶液混合均匀，加入三口烧瓶中，65℃的温度条件下，反应4h后，经过离心、洗涤，在80℃，干燥10h，得到zif-8颗粒；

s2：取12.5gs1中的zif-8颗粒加入高混机，加入20gkh550硅烷偶联剂，混合4min，即得硅烷偶联剂包覆zif-8；

取64.2ghp500p、30gbx3900、1.5g次磷酸铝、0.2g改性三聚氰胺氢溴酸盐、0.3g联枯、1.5g表面改性剂、0.3g抗氧剂1010和0.1g168抗氧剂、0.4g硬脂酸镁和1.5g钛白粉一起加入高混机中混合4分钟；

将上述已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得一种阻燃pp复合材料；其中挤出机的第一节机筒到第十一节机筒温度分别为150℃，170℃，175℃，185℃，180℃，180℃，175℃，175℃，175℃，180℃，180℃，机头温度为195℃，螺杆转速为350r/min。

对比例1

与实施例1相比，对比例复配阻燃剂中的三聚氰胺氢溴酸盐无改性，为市售产品；

所述表面改性剂为硅烷偶联剂包覆zif-8；其制备步骤包括：

s1：zif-8颗粒的制备：取8g浓度为2mol/l的2-甲基咪唑溶液与8g浓度为0.3mol/l六水合硝酸锌溶液混合均匀，加入三口烧瓶中，60℃的温度条件下，反应2h经过离心、洗涤，在70℃，干燥8h，得到zif-8颗粒；

s2：取10g步骤s1中的zif-8颗粒加入高混机，加入10gkh550硅烷偶联剂，混合3min，即得硅烷偶联剂包覆zif-8；

取94.6ghp500p、1.1g次磷酸铝、0.3g三聚氰胺氢溴酸盐、0.2g联枯、1.5g表面改性剂、0.3g抗氧剂1010、0.1g168抗氧剂、0.4g硬脂酸镁和1.5g钛白粉一起加入高混机中混合3分钟；

将上述已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得一种阻燃pp复合材料；其中挤出机的第一节机筒到第十一节机筒温度分别为130℃，170℃，175℃，175℃，180℃，180℃，175℃，175℃，175℃，175℃，175℃，机头温度为180℃，螺杆转速为200r/min。

对比例2

与实施例2和对比例1相比，对比例2中添加普通zif-8颗粒。

复配阻燃剂由次磷酸铝、联枯、改性三聚氰胺氢溴酸盐组成，其中，改性三聚氰胺氢溴酸盐，其主要制备步骤包括：

s2：取18g三聚氰胺氢溴酸盐于三口烧瓶中，倒入120g乙醇和240g蒸馏水的混合液，然后混合搅拌1h；

s3：分别取20g蜜胺树脂预聚体溶液和8g三聚氰胺氰溴酸盐溶液，倒入三口烧瓶中，用甲酸溶液调节溶液ph至6左右，油浴锅升温至100℃，恒温反应3h，反应完成后过滤溶液，冷却、抽滤、用大量蒸馏水洗涤，放入70℃恒温鼓风烘箱中24h干燥，研磨，制得蜜胺树脂包覆三聚氰胺氢溴酸盐；

取93.7gbx3920、1.6g次磷酸铝、0.3g改性三聚氰胺氢溴酸盐、0.1g联枯、2gzif-8、0.3g抗氧剂1010和0.1g抗氧剂168、0.4g硬脂酸镁和1.5g钛白粉一起加入高混机中混合5min；

将上述已混合好的物料加入平行双螺杆挤出机中熔融，经挤出、造粒制得一种阻燃pp复合材料；其中挤出机的第一节机筒到第十一节机筒温度分别为140℃，175℃，180℃，175℃，180℃，185℃，175℃，175℃，175℃，175℃，180℃，机头温度为185℃，螺杆转速为500r/min。

表1为一种阻燃pp复合材料各实施例和对比例性能测试结果。

由实施例1～3的结果，我们可以发现无论在均聚或共聚聚丙烯体系里，三个样品均通过ul-94v-2等级，同时燃烧时间很短，实现了优异的阻燃性能，同时其外观无麻点，介电常数低，综合性能优异。对比例1，其采用未改性的三聚氢胺氢溴酸盐，虽然阻燃性能v-2等级，但是其燃烧时间较长，并且其麻点较多(图2中大圈是麻点)。对比例2，里面加入了改性的三聚氢胺氢溴酸盐，与对比例1对比，其麻点得到明显改善，但是因为没有加入硅烷偶联剂包覆zif-8，其表面还是存在少量麻点，同时因为其zif-8未进行硅烷偶联剂包覆，其对于介电常数的降低有限，以上实施例和对比例的结果，证实通过加入改性三聚氢胺氰溴酸盐和硅烷偶联剂包覆zif-8，在实现优异阻燃性能的同时，兼顾良外观和低介电的特性，产品综合性能优异，可在家电、电子电器等领域广泛应用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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