一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，该材料的制备是利用偶联剂处理的玻璃纤维与成炭剂之间的氢键作用，在玻璃纤维表面吸附成炭剂，得到表面改性的玻璃纤维增强体；将聚丙烯树脂、改性的玻璃纤维增强体、膨胀型阻燃剂、相容剂以及抗氧剂通过熔融共混的方法复合后，制备得到聚丙烯复合材料。由于玻璃纤维表面包覆有成炭剂，界面上的成炭剂与基体中的膨胀型阻燃剂产生协同作用，燃烧过程中，聚合物熔体对玻璃纤维的浸润性减小，减缓热量回流从而缓解聚合物的分解和燃烧，因此“灯芯效应”被有效地消除。本发明专利技术聚丙烯复合材料阻燃性能好、阻燃效率高，机械性能优异。

A halogen-free glass fiber reinforced polypropylene composite and its preparation method

The invention discloses a halogen-free glass fiber reinforced polypropylene composite material and a preparation method thereof. The preparation of the material uses hydrogen bond between the glass fiber treated with coupling agent and the charring agent to adsorb the charring agent on the surface of the glass fiber and obtain the surface-modified glass fiber reinforced material; the polypropylene resin, the modified glass fiber reinforced material, the intumescent flame retardant and the compatibilizer are used. Polypropylene composites were prepared by melt blending of antioxidants. Because the surface of glass fibers is coated with charring agent, the charring agent on the interface has synergistic effect with the intumescent flame retardant in the matrix. During the combustion process, the wettability of polymer melt to glass fibers decreases, and the heat reflux is slowed down, thus the decomposition and combustion of polymers are alleviated. Therefore, the \wick effect\ is effectively eliminated. The polypropylene composite material of the invention has good flame retardant performance, high flame retardant efficiency and excellent mechanical performance.

【技术实现步骤摘要】
一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，涉及一种无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，更具体地，涉及通过氢键作用制备一种负载成炭剂的玻璃纤维增强体以及阻燃性能好、阻燃效率高、机械性能优异的聚丙烯复合材料。
技术介绍
聚丙烯具有良好的力学性能、易成型加工以及低成本等优点，是四大通用材料之一。在实际工程应用中，为了使力学性能达到工程要求，通常会在聚丙烯基体中加入玻璃纤维进行增强处理，得到玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。聚丙烯的组成元素仅有C和H，氧指数只有17.5左右，极易燃烧，存在很大的火灾隐患，因此，常常通过在聚丙烯基体中添加阻燃剂来对其进行阻燃改性。用于聚丙烯阻燃的阻燃剂大致可以分为三类：无机阻燃剂、卤系阻燃剂和膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂是一种以氮、磷为主要组成的复合阻燃剂，它不含卤素，也不采用氧化锑作为协效剂，该类阻燃剂在受热时发泡膨胀，故称为膨胀型阻燃剂，它是一类高效低毒的环保型阻燃剂。其优势在于无毒、低烟，是最佳的环境友好型阻燃剂，也符合当下环保的发展趋势。玻璃纤维作为增强体能有效地提高聚丙烯的力学性能，虽然玻璃纤维本身不可燃，但玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在燃烧过程中的“灯芯效应”使得其燃烧过程更加剧烈，因此，玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的阻燃比聚丙烯的阻燃更加困难。专利CN104693604A报道了一种无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其中所使用的主阻燃剂为磷氮系阻燃剂，副阻燃剂为磷酸盐类阻燃剂，阻燃剂成本高，而且阻燃剂颗粒在基体中的引入会破坏界面结合，使得力学性能受到了较大的影响。LiuL等(2015年《CompositesScienceandTechnology》121卷：9～15)在论文《Interfacialcharringmethodtoovercomethewickingactioninglassfiber-reinforcedpolypropylenecomposite》中提出了界面阻燃的机制，在玻璃纤维表面接枝一种含磷的阻燃剂小分子DOPO，将改性的玻璃纤维加入聚丙烯基体中能够有效地克服了燃烧过程中的“灯芯效应”，但是界面阻燃机制远不能使聚丙烯复合材料达到可以使用的阻燃等级。专利CN200610023796.8报道了膨胀型阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，直接在聚丙烯基体中添加传统的膨胀型阻燃剂：聚磷酸铵、三聚氰胺与季戊四醇，要达到较好的阻燃效果，阻燃剂的添加量很大，这对聚丙烯的加工工艺和力学性能来说是一种考验。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阻燃性能好、阻燃效率高，机械性能优异的无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。本专利技术的具体技术方案是：一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，是以偶联剂处理的玻璃纤维与成炭剂之间的氢键作用，在玻璃纤维表面吸附成炭剂，得到表面改性的玻璃纤维增强体；将聚丙烯树脂、改性的玻璃纤维增强体、膨胀型阻燃剂、相容剂以及抗氧剂通过熔融共混的方法复合后，制备得到聚丙烯复合材料。由于玻璃纤维表面包覆有成炭剂，界面上的成炭剂与基体中的膨胀型阻燃剂产生协同作用，燃烧过程中，聚合物熔体对玻璃纤维的浸润性减小，减缓热量回流从而缓解聚合物的分解和燃烧，因此“灯芯效应”被有效地消除。本专利技术还提供了一种无卤阻燃玻璃纤维增强复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)称取20～40重量份的商品化玻璃纤维，将玻璃纤维浸渍在摩尔浓度为0.5～1.5mol/L的硝酸溶液中，浸渍时间为4～6小时，用去离子水反复清洗以除去在玻璃纤维表面的上浆剂。(2)将步骤(1)得到的玻璃纤维浸渍在1～3wt％水解后的硅烷偶联剂中，处理1～2小时，用去离子水反复清洗。(3)将步骤(2)得到的玻璃纤维浸渍在3～5wt％的成炭剂中，处理4～6小时，用去离子水反复清洗，干燥后得到表面包覆成炭剂的玻璃纤维增强体。(4)将膨胀型阻燃剂的酸源、气源和碳源按7～10：3～5：2～4的比例，加入高混机中混匀，得到膨胀型阻燃剂。(5)将聚丙烯树脂、膨胀型阻燃剂、相容剂、抗氧剂与步骤(3)得到的玻璃纤维熔融共混，经双螺杆挤出机挤出造粒，得到所述无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。其中，聚丙烯树脂、膨胀型阻燃剂、相容剂、抗氧剂由主喂料加入，玻璃纤维由双螺杆挤出机的玻纤喂料孔送入，所述双螺杆挤出机从加料口至机头分为五个温控区间，加工工艺条件为：一区温度：180～200℃、二区温度：200～220℃、三区温度：200～220℃、四区温度：180～200℃、五区温度：180～200℃。机头温度：180～200℃；螺杆转速：150～180r/min。所述无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料中含有：(a)40～60重量份聚丙烯树脂，(b)20～40重量份膨胀型阻燃剂，(c)20～40重量份包覆成炭剂的玻璃纤维，(d)2～6重量份相容剂，(e)0.4～0.6重量份抗氧剂。所述聚丙烯树脂是指熔体流动速度为2～4g/10min的聚丙烯树脂。所述玻璃纤维为无碱高强玻璃纤维，通过氢键作用包覆所述成炭剂。所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐。所述偶联剂为(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷。所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1010和抗氧剂628中的一种或几种的组合。所述膨胀阻燃剂中的酸源为磷酸铵、聚磷酸铵、三聚氰胺磷酸盐中的任一种。所述膨胀阻燃剂中的气源为三聚氰胺、三聚氰胺氰尿酸盐、聚酰胺中的任一种。所述膨胀阻燃剂中的炭源为季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇、季戊四醇磷酸酯中的任一种。所述成炭剂为季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇、季戊四醇磷酸酯的任一种。本专利技术中用偶联剂对玻璃纤维进行表面改性，再利用偶联剂与成炭剂之间的氢键作用，制备得到负载成炭剂的玻璃纤维增强体，界面相阻燃机制与基体相阻燃机制协同作用，既可以提高聚合物的阻燃性能又改善了增强体与基体之间的界面结合，使得力学性能也得到了进一步的提高。附图说明图1为对比例1的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在锥形量热测试后的炭层扫描电镜图；图2为对比例2的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在锥形量热测试后的炭层扫描电镜图；图3为1mol/L硝酸处理5小时、3wt％水解后的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷中处理1小时，3～5wt％的成炭剂处理4小时后得到的玻璃纤维增强体的扫描电镜图；图4为上述玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在锥形量热测试后的炭层扫描电镜图。具体实施方式为了加深对本专利技术的理解，提出以下实施例，但本专利技术的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本专利技术精神和保护范围的情况下做出的其他的变化和修改仍包含在本专利技术保护范围之内。对比例1将20重量份未处理过的玻璃纤维、3重量份相容剂、0.5重量份的抗氧剂168与76.5份的聚丙烯通过挤出成型工艺复合，得到本例中的聚丙烯复合材料。图1为对比例1的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料在锥形量热测试后的炭层扫描电镜图。对比例2将聚磷酸铵、三聚氰胺氰尿酸与双季戊四醇按8:4:3的比例混合，得到膨胀型阻燃剂；将20重量份未处理的玻璃纤维、30重量份膨胀型阻燃剂、3重量份相容剂、0.5重量份的抗氧剂168与46.5份的聚丙烯通过挤出成型工艺复合，得到本例中的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。图2为对比例2的玻璃纤维增强聚丙烯复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，是以偶联剂处理的玻璃纤维与成炭剂之间的氢键作用，在玻璃纤维表面吸附成炭剂，得到表面改性的玻璃纤维增强体；将聚丙烯树脂、改性的玻璃纤维增强体、膨胀型阻燃剂、相容剂以及抗氧剂通过熔融共混的方法复合后，制备得到聚丙烯复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种无卤玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，是以偶联剂处理的玻璃纤维与成炭剂之间的氢键作用，在玻璃纤维表面吸附成炭剂，得到表面改性的玻璃纤维增强体；将聚丙烯树脂、改性的玻璃纤维增强体、膨胀型阻燃剂、相容剂以及抗氧剂通过熔融共混的方法复合后，制备得到聚丙烯复合材料。2.一种无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)称取20～40重量份的商品化玻璃纤维，将玻璃纤维浸渍在摩尔浓度为0.5～1.5mol/L的硝酸溶液中，浸渍时间为4～6小时，用去离子水反复清洗以除去在玻璃纤维表面的上浆剂。(2)将步骤(1)得到的玻璃纤维浸渍在1～3wt％水解后的硅烷偶联剂中，处理1-2小时，用去离子水反复清洗。(3)将步骤(2)得到的玻璃纤维浸渍在3～5wt％的成炭剂中，处理4～6小时，用去离子水反复清洗，干燥后得到表面包覆成炭剂的玻璃纤维增强体。(4)将膨胀型阻燃剂的酸源、气源和碳源按7～10：3～5：2～4的比例，加入高混机中混匀，得到膨胀型阻燃剂。(5)将聚丙烯树脂、膨胀型阻燃剂、相容剂、抗氧剂与步骤(3)得到的玻璃纤维熔融共混，经双螺杆挤出机挤出造粒，得到所述无卤阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料；其中，聚丙烯树脂、膨胀型阻燃剂、相容剂、抗氧剂由主喂料加入，玻璃纤维由双螺杆挤出机的玻纤喂料孔送入，所述双螺杆挤出机从加料口至机头分为五个温控区间，加工工艺条件为：一区温度：180～200℃、二区温度：200～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玲，李春忠，王政华，赵榕晶，
申请(专利权)人：华东理工大学，汉特工程塑料浙江有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31