专利名称：一种膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料及制备方法
技术领域：
本发明属于阻燃材料技术领域，具体涉及膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料及 其制备方法。
背景技术：
聚丙烯是一种用途非常广泛，发展速度很快的热塑性塑料，但由于其本身易燃，使 其在许多领域的应用受到限制，所以在很多应用场合都要求对其进行阻燃改性。
《工程塑料应用》(2005， 12: 55-57 )的"聚丙烯用阻燃剂研究进展" 一文中提到， 目前膨胀阻燃体系已广泛应用于阻燃聚丙烯。但由于多数膨胀体系和聚丙烯基体的相容 性较差、热分解温度区间匹配程度不够等原因，使得膨胀体系在阻燃聚丙烯时用量较多 而影响到材料的力学性能，还存在着热稳定性较差、成炭量低以及材料燃烧时伴随有严 重的滴落现象等缺点。
另夕卜，聚丙烯/层状硅酸盐(粘土)纳米复合材料也是阻燃材料研究领域热点之一。 粘土属天然矿物，自然界储量大，价格低廉，而且易于有机改性处理和形成纳米复合材 料。1976年日本专利JP51109998 "尼龙-6层状硅酸盐纳米复合材料的应用"中首次 提出粘土在聚合物复合材料的阻燃方面存在应用潜力。约翰维力(John Wiley)公司的 《聚合物先进科技》(Polymer for advanced technologies, 2006， 17: 235-245 )杂志 "聚丙烯/层状硅酸盐(粘土)纳米复合材料及其在阻燃领域的应用" 一文中提到，聚丙烯 /粘土纳米复合材料的阻燃性能和热稳定性能都较纯聚丙烯有一定程度的提高。但是，仅 仅加入粘土无法使聚丙烯/粘土纳米复合材料达到垂直燃烧测试标准中的UL-94 V0级， 从而限制了其应用范围。
约翰维力(John Wiley)公司的《聚合物国际》(Polymer International, 2003; 53: 1396 )杂志"膨胀阻燃蒙脱土阻燃聚丙烯层状硅酸盐纳米复合材料" 一文中提到， 膨胀阻燃技术与聚丙烯/粘土纳米复合技术相结合，形成纳米复合协同高效阻燃体系，能 有效提高阻燃性能，达到相关的阻燃标准，火灾危险性较低，并能保持或提高材料的其 他性能，从而达到使用要求。因此膨胀阻燃聚丙烯/粘土纳米复合材料将会是一种具有相 当潜力的新型阻燃材料。但是，若使膨胀阻燃蒙脱土阻燃聚丙烯层状硅酸盐纳米复合材 料达到垂直燃烧测试标准中的UL-94 V0级，需要添加较多量的膨胀阻燃剂( 一般需要30 %以上)，这样就严重影响了材料的力学性能。
荷兰艾尔斯科学(Elsevier science)公司的《聚合物降解和稳定》(Polymer degradation and stability, 2008， 93: 9-16)杂志"三氧化二镧协同新型膨胀阻燃聚 丙烯体系" 一文中提到，稀土金属氧化物三氧化二镧，作为协效剂，应用于膨胀阻燃聚 丙烯体系，发现其有利于降低膨胀型阻燃剂的用量，提高阻燃效率。但是至今有关将稀 土金属氧化物如何具体？ 1入膨胀阻燃聚丙烯/粘土纳米复合材料体系的技术却鲜有相关 专利和文献报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料及其制备方法，以 提高膨胀阻燃体系的阻燃效率、阻燃性能、热稳定性能。
本发明的膨胀阻燃聚丙蜂/有机粘土纳米复合材料，其特征在于由以下成分及其重量 配比纟且成
聚丙烯 65.0-70.0 %
高分子相容剂 3.0-8.0% 有机粘土 0. 5-2. 5%
膨胀阻燃剂 24.0% 稀土金属氧化物 0.5-2.5% 。
本发明的膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料的制备方法，其特征在于按质量 比将65. 0-70. 0%的聚丙烯与3. 0-8. 0%的高分子相容剂、0. 5-2. 5 %的有冲几粘土、 24.0 %的膨胀型阻燃剂和0. 5-2. 5 %的稀土金属氧化物混合均匀，然后将其在双螺杆挤出机 中挤出造粒，即得到膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料。 所述聚丙烯选自等规聚丙烯、间规聚丙烯或无规聚丙烯；
所述高分子相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、乙酸酐接枝聚丙烯或丁二酸酐接枝聚
丙蜂；
所述膨胀阻燃剂由酸气复合源与炭源按质量比3~1: l组成，其中酸气复合源选自 磷酸铵、聚磷酸铵、脲磷酸盐或三聚氰胺磷酸盐，炭源选自季戊四醇、季戊四醇双聚体、 季戊四醇三聚体、酚醛树脂、糊精或淀粉；
所述有机粘土选自有机改性蒙脱土 、层状双氢氧化物或水滑石；
所述稀土金属氧化物选自三氧化二镧、三氧化二铕、三氧化二钐、三氧化二镱、三 氧化二镨、或由三氧化二镧和三氧化二铕按质量比2 1: 1组成的混合稀土金属氧化物、 由三氧化二镧和三氧化二钐按质量比2~1: 1组成的混合稀土金属氧化物、由三氧化二 镧和三氧化二镱按质量比2~1: 1组成的混合稀土金属氧化物或由三氧化二镧和三氧化 二镨按质量比2 ~ 1: 1组成的混合稀土金属氧化物。
本发明提出的这种膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料及其制备方法，由于将 稀土金属氧化物与膨胀阻燃体系和有机粘土三者结合起来，克服了现有膨胀阻燃聚丙燁 粘土纳米复合材料存在的阻燃效率低的缺陷，以及材料热稳定性能较差的问题。
本发明的制备方法工艺简单，生产无污染，生产成本较低。本发明的膨胀阻燃聚丙 烯/有机粘土纳米复合材料具有优良的阻燃性能和热稳定性，当加入的膨胀阻燃剂、稀土 金属氧化物和有机粘土三者之间的质量比为25: 1: 2时，所制备材料的氧指数高达32. 5, 通过垂直燃烧测试标准UL-94 V0级，锥型量热计测试中的热释放速率峰值只有240 kW m—2,总热释放量只有84 MJ . m—2;初始热分解温度266 °C, 最大热分解温度384 °C, 600 °C时得残留质量分数8. 7%,可用于电器专用料，如电视、电脑、空调等，也可用 于汽车内外饰件、电瓶外壳等。
具体实施例方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。 实施例1:
首先将聚丙烯和马来酸肝接枝聚丙烯在80 °C干燥24小时，膨胀型阻燃剂和稀土 金属氧化物在80 °C干燥18小时，有机改性蒙脱土 80 °C干燥6小时。
将670克的聚丙烯与50克的马来酸酐接枝聚丙烯、15克的有机改性蒙脱土、 160 克的三聚氰胺磷酸盐、90克的季戊四醇和15克的三氧化二镧混合均勻；然后将其加入双 螺杆挤出机中，在机组温度170-190 。C，模头温度170 。C,螺杆转速300 rpm,挤出造 粒，经干燥，冷却，即得到膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料。
通过极限氧指数测试仪，垂直燃烧测试仪对本实施例中制备得到的膨胀阻燃聚丙烯 /有^L粘土纳米复合材料样品进行测试可知，此材料的氧指lt高达31.5,可达到UL-94 测试中的VO级；采用锥型量热计对本实施例中制备得到的膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳 米复合材料样品进行测试可知，此材料最大热释放速率值只有259 kW nT2,总热释放量 只有85. 1 MJ m—2;经过热重分析仪对本实施例中制备得到的膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土 纳米复合材料样品进行测试可知，此材料初始热分解温度273 。C, 最大热分解温度388 °C, 600 °C时得残留质量分数12. 0% 。 实施例2:
首先将聚丙烯和马来酸酐接枝聚丙烯在90 °C干燥12小时，膨胀型阻燃剂和稀土 金属氧化物在90 。C干燥12小时，有机改性蒙脱土90 。C干燥4小时。
将670克的聚丙烯与50克的马来酸if接枝聚丙烯、20克的有机改性蒙脱土、 160 克的三聚氰胺磷酸盐、90克的季戊四醇和IO克的三氧化二镧混合均勻；然后将其加入双 螺杆挤出机中，在机组温度170-190 。C,模头温度170 。C,螺杆转速300 rpm,挤出造 粒，经干燥，冷却，即得到膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料。
通过极限氧指数测试仪，垂直燃烧测试仪对本实施例中制备得到的膨胀阻燃聚丙烯 /有机粘土纳米复合材料样品进行测试可知，本实施例中制备得到的材料的氧指数高达 32. 5，可达到UL-94测试中的VO级；采用锥型量热计测试可知，本实施例中制备得到的 材料最大热释放速率值只有240 kW . nT2，总热释放量只有84. 0 MJ . nf2;经过热重分析 仪测试可知，本实施例中制备得到的材料初始热分解温度266 °C, 最大热分解温度384 °C, 600 °C时得残留质量分数8. 7 % 。
权利要求
1、一种膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料，其特征在于由以下成分及其重量配比组成:聚丙烯 65.0-70.0％高分子相容剂 3.0-8.0％有机粘土 0.5-2.5％膨胀阻燃剂 24.0％稀土金属氧化物 0.5-2.5％。
2、 权利要求1所述膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料的制备方法，其特征在 于按质量比将65. 0-70. 0%的聚丙烯与3. 0-8. 0 %的高分子相容剂、0. 5-2. 5%的有机 粘土、 24. 0 %的膨胀型阻燃剂和0. 5-2. 5 %的稀土金属氧化物混合均匀，然后将其挤出 造粒，即得到膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料。
3、 如权利要求1所述膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料或权利要求2所述的 制备方法，特征在于所述聚丙烯选自等规聚丙烯、间规聚丙烯或无规聚丙烯。
4、 如权利要求1所述膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料或权利要求2所述的 制备方法，特征在于所述高分子相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、乙酸酐接枝聚丙烯或 丁二酸酐接枝聚丙烯。
5、 如权利要求1所述膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料或权利要求2所述的 制备方法，特征在于所述膨胀阻燃剂由酸气源与炭源按质量比3-1: 1组成，其中酸气 源选自磷酸铵、聚磷酸铵、脲磷酸盐或三聚氰胺磷酸盐，炭源选自季戊四醇、季戊四醇 双聚体、季戊四醇三聚体、酚醛树脂、糊精或淀粉。
6、 如权利要求1所述膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料或权利要求2所述的 制备方法，特征在于所述有机粘土选自有机改性蒙脱土、层状双氢氧化物或水滑石。
7、如权利要求1所述膨胀阻燃聚丙蜂/有机粘土纳米复合材料或权利要求2所述的 制备方法，特征在于所述稀土金属氧化物选自三氧化二镧、三氧化二铕、三氧化二钐、 三氧化二镱、三氧化二镨、或由三氧化二镧和三氧化二铕按质量比2~1: 1组成的混合 稀土金属氧化物、由三氧化二镧和三氧化二钐按质量比2~1: 1组成的混合稀土金属氧 化物、由三氧化二镧和三氧化二镱按质量比2-1: 1组成的混合稀土金属氧化物或由三 氧化二镧和三氧化二镨按质量比2-1: 1组成的混合稀土金属氧化物。
全文摘要
本发明公开了一种膨胀阻燃聚丙烯/有机粘土纳米复合材料及其制备方法，特征是按质量比将65.0-70.0％的聚丙烯与3.0-8.0％的高分子相容剂、0.5-2.5％的有机粘土、24.0％的膨胀型阻燃剂和0.5-2.5％的稀土金属氧化物混合均匀，然后将其挤出造粒，即得产物；其氧指数高达33％，通过垂直燃烧测试标准UL-94 V0级，锥型量热计测试热释放速率峰值为250kW·m<sup>-2</sup>，总热释放量为85MJ·m<sup>-2</sup>；初始热分解温度为273℃，最大热分解温度为388℃，600℃时残留质量分数12.0％；可用作电器专用料。
文档编号C08L23/00GK101376727SQ200810155539
公开日2009年3月4日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者靖 吴, 顺 周, 磊 宋, 源 胡 申请人:中国科学技术大学