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一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料及其制备方法

2021-01-31 22:26:27

一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料及其制备方法

  技术领域

  本发明属于塑料制备技术领域,尤其涉及一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料及其制备方法。

  背景技术

  聚丙烯是一种力学性能优良的塑料,广泛应用于建筑材料、电子电器、汽车船舶等领域。随着应用领域的不断深化,阻燃性差和耐磨性差这两个缺点制约着聚丙烯的应用。

  为了提高聚丙烯的阻燃性能,需要加入大量的阻燃剂,常用的聚丙烯阻燃剂主要分为卤系和无卤系两种。卤系阻燃剂的热稳定性欠佳,需要以三氧化二锑作为协效剂,且卤系阻燃剂与锑化合物的协效系统在燃烧或高温加工时会形成有毒化合物、腐蚀性气体和烟尘,对环境有害。另一方面,为降低成本,通常在卤系阻燃聚丙烯中添加碳酸钙、炭黑、滑石粉等无机填料,但无机填料有时会干扰卤系阻燃剂的效能。无卤系阻燃剂主要分为磷氮系、氢氧化物、微胶囊化以及膨胀型阻燃剂。磷氮系阻燃剂的热稳定性差,吸湿性大,添加量也较高;氢氧化铝和氢氧化镁的添加量大,对聚丙烯的物理效能和熔融性能产生不利影响,且分解温度较低,只适用于较低温度下加工的阻燃聚丙烯产材料;微胶囊化的红磷需要与氢氧化铝及氢氧化镁协同使用,但效果不理想;膨胀型阻燃剂主要以膨胀型石墨为主体,采用聚磷酸铵、三聚氰胺磷酸盐等磷化合物或三氧化二锑、硼酸锌等金属化合物为协效剂,其不足在于成本较高,且阻燃效果受石墨的膨胀能力以及石墨在加工过程中的尺寸完整性影响,阻燃效果不稳定。

  在聚丙烯基体树脂中添加具有耐磨特性的组元是提高聚丙烯的耐磨性能的主要途径,现有技术中的耐磨性改进方案中存在以下难点:1)当添加有机耐磨组元时,材料整体的耐磨性能提高有限,且对工艺要求较高,制造成本较高;2)当添加无机耐磨组元时,无机组元难以均匀分散,且会对整体树脂的组织结构造成不利影响,进一步地影响材料的阻燃性能和力学性能。

  为解决现有产品及工艺的不足,本申请应用新材料和新工艺制造一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料。

  发明内容

  为了克服现有技术中存在的问题,本发明旨在提供一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料及其制备方法。

  根据本发明的一方面,一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料,按重量份由以下组分组成:聚丙烯100重量份、纳米SiO2桥接微纤维0.05-0.5重量份、聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒10-20重量份;其中,所述纳米SiO2桥接微纤维由2-氰基乙基三乙氧基硅烷、去离子水、氨水、盐酸、甲基三甲氧基硅烷溶液和SiO2微纤维制得;所述聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒按重量份由以下组分组成:聚丙烯100重量份、聚醚砜10-30重量份、聚乙烯3-9重量份、交联剂0.5重量份。

  根据本发明的另一方面,一种阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料的制备方法,所述方法包括:

  一、纳米SiO2桥接微纤维制备

  1)氰基纳米SiO2制备:按体积份的比,将2-6份的2-氰基乙基三乙氧基硅烷加入到100份的去离子水中,40℃恒温搅拌30min,加入1-5份的0.15mol/L的氨水,50℃恒温搅拌120min后,过滤、洗涤,80℃真空干燥6h,得到氰基纳米SiO2;

  2)桥接介质溶液制备:采用0.15mol/L的盐酸溶液将5mol/L的甲基三甲氧基硅烷溶液PH值调节至4.0,静置180min,得到桥接介质溶液;

  3)桥接处理:按重量份的比,将0.5-1.5重量份的氰基纳米SiO2、10重量份的SiO2微纤维加入到100重量份的桥接介质溶液中,超声分散20min;采用0.15mol/L的氨水溶液调节PH值为8.0,静置、过滤、洗涤,120℃真空干燥90min,得到附着有氰基纳米SiO2的纳米SiO2桥接微纤维;

  二、聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒制备

  将100重量份的聚丙烯、10-30重量份的聚醚砜、3-9重量份的聚乙烯、0.22-0.52重量份的交联剂充分混合,60℃干燥处理,挤出、冷却、剪切、造粒,得到聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒;

  三、复合造粒

  按重量份的比,将100重量份的聚丙烯、0.05-0.5重量份的纳米SiO2桥接微纤维、10-20重量份的聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒在70℃温度下高速混合15min,冷却后挤出、冷却、剪切、造粒,得到阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒。

  根据本发明的示例性实施例,所述氰基纳米SiO2的平均粒径为20nm-100nm。

  根据本发明的示例性实施例,所述SiO2微纤维的平均直径为0.5μm,平均长度为2μm。

  为了进一步增强聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒造粒以及复合造粒效果,根据本发明的实施例,还可以对挤出温度和冷却温度做进一步的划分。

  根据本发明的示例性实施例,所述聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒制备时,挤出温度:一区155-170℃、二区175-185℃、三区180-195℃、四区195-205℃、机头口模温度195-205℃;冷却温度:一区60℃,二区30℃。

  根据本发明的示例性实施例,所述复合造粒时,挤出温度:一区145-160℃、二区165-180℃、三区185-195℃、四区190-205℃、机头口模温度190-205℃;冷却温度为:一区80℃,二区50℃,三区30℃。

  与现有技术相比,本发明基于材料和工艺,本发明通过纳米SiO2桥接纤维、聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒的制备实现阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料的制备。本发明的阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料,熔体质量流动速率不小于25g/10min,拉伸屈服应力不低于15MPa,弯曲模量不低于1.62GPa;按照GB/T%203960-2016《塑料滑动摩擦磨损试验方法》进行磨损试验,质量磨损不大于12.8mg,摩擦系数不大于0.13;按照UL94-2016《Tests%20forFlammability%20of%20Plastic%20Materials%20for%20Parts%20in%20Devices%20and%20Appliances》进行垂直燃烧试验,材料的阻燃级别达到V-0。在获得稳定的综合性能的同时,提高材料的耐磨性能和阻燃性能。

  具体实施方式

  为使本发明技术方案和优点更加清楚,通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

  实施例:阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料的制备

  一、纳米SiO2桥接微纤维制备

  1)氰基纳米SiO2制备:按体积比,将2-氰基乙基三乙氧基硅烷加入到去离子水中,40℃恒温搅拌30min,加入0.15mol/L的氨水,50℃恒温搅拌120min后,过滤、洗涤,80℃真空干燥6h,得到氰基纳米SiO2;

  2)桥接介质溶液制备:采用0.15mol/L的盐酸溶液将5mol/L的甲基三甲氧基硅烷溶液PH值调节至4.0,静置180min,得到桥接介质溶液;

  3)桥接处理:按重量份的比,将氰基纳米SiO2、SiO2微纤维加入到桥接介质溶液中,超声分散20min,其中,SiO2微纤维的平均直径为0.5μm,平均长度为2μm;采用0.15mol/L的氨水溶液调节PH值为8.0,静置、过滤、洗涤,120℃真空干燥90min,得到附着有氰基纳米SiO2的纳米SiO2桥接微纤维;

  二、聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒制备

  将聚丙烯、聚醚砜、聚乙烯、交联剂充分混合,60℃干燥处理,采用双螺杆挤塑机进行挤出,挤出温度(按照材料依次通过的顺序):一区155-170℃、二区175-185℃、三区180-195℃、四区195-205℃、机头口模温度195-205℃;挤出后的材料经过分区冷却(按照材料依次通过的顺序),冷却一区温度为60℃,冷却二区温度为30℃;经过冷却的材料经过剪切、造粒,得到聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒;

  三、复合造粒

  按重量份的比,将聚丙烯、纳米SiO2桥接微纤维、聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒在70℃温度下高速混合15min,冷却后采用双螺杆挤塑机进行挤出,挤出温度(按照材料依次通过的顺序):一区145-160℃、二区165-180℃、三区185-195℃、四区190-205℃、机头口模温度190-205℃;挤出后的材料经过分区冷却(按照材料依次通过的顺序),冷却一区温度为80℃,冷却二区温度为50℃,冷却三区温度为30℃;经过冷却的材料经过剪切、造粒,得到阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒。

  按上述制备方法进行多组试验,试验组号分别为A1、A2、A3、A4和A5(聚醚砜/聚乙烯复合中间颗粒制备和复合造粒时各区挤出温度以及机头口模温度可取区间温度的中间值),试验参数见表1。

  表1

  

  

  根据试验组号T1-T5制备的阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒,材料编号分别为S1、S2、S3、S4和S5;采用市场常用牌号分别为C6540L-033 CN2057A、C3322T-1JS-AIP-2015的材料作为对比例1和对比例2,材料编号为分别为D1和D2。

  按照GB/T 3682.1-2018《塑料热塑性塑料熔体质量流动速率(MFR)和熔体体积流动速率(MVR)的测定第1部分:标准方法》对各组材料进行熔体质量流动速率测定,每种编号的材料取5个试样进行测试,测定结果见表2。

  表2 S1-S5材料及对比例材料的熔体质量流动速率

  由表2可见,本申请T1-T5制备的阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒的最小熔体质量流动速率为25g/10min,平均值为26g/10min,与对比例1的熔体质量流动速率相近,优于对比例2的熔体质量流动速率,易于加工成型。

  按照GB/T 2546.2-2003《塑料聚丙烯(PP)模塑和挤出材料第2部分:试样制备和性能测定》进行注塑试样的制备,试样规格为80mm×10mm×4mm;按照GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的测定第2部分:模塑和挤塑塑料的试验条件》进行拉伸屈服应力测定;按照GB/T9341-2008《塑料弯曲性能的测定》进行弯曲模量测定;每种编号的材料取5个试样进行测定,测定结果见表3。

  表3 S1-S5材料及对比例材料的力学性能

  

  

  由表3可见,与对比例试样D1与D2的性能相比,具体的,本申请T1-T5制备的阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒的最小拉伸屈服应力为15MPa,平均值为17.2MPa,与对比例1及对比例2的拉伸屈服应力相比,出现小幅降低。本申请T1-T5制备的阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料颗粒的最小弯曲模量为1.62GPa,平均值为1.70GPa,低于对比例2的弯曲模量,优于对比例1的弯曲模量。

  按照GB/T 3960-2016《塑料滑动摩擦磨损试验方法》进行磨损试验,每种编号的材料取5个试样进行测试,试样规格为30mm×7mm×6mm,磨损试验结果见表4。

  表4

  

  由表4可见,与对比例试样的性能相比,S1-S5试样平均磨损量为9.5mg,平均摩擦系数为0.10,与对比例D1和D2试样相比,阻燃耐磨聚丙烯基共混组合物材料的耐磨性能得到了提高。

  按照UL94-2016《Tests for Flammability of Plastic Materials for Partsin Devices and Appliances》进行垂直燃烧试验,每种编号的材料取10个试样(两种规格)进行测定,测定结果见表5。

  表5

  

  

  由表5可见,经过UL94标准规定的50W垂直燃烧测试,T1、T2、T3、T4、T5试样的阻燃级别达到V-0,优于对比例的阻燃级别。

  以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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