稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法，该复合材料包括：稀土氯化物、膨胀型阻燃剂协同阻燃和聚丙烯。本发明将稀土氯化物引入到膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯材料中，稀土氯化物可以与膨胀型阻燃剂达到协同阻燃的效果，在降低膨胀型阻燃剂用量的同时，有效改善膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯材料的物理机械性能。

权利要求

1.一种稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：该复合材料包括：稀土氯化物、膨胀型阻燃剂和聚丙烯，该复合材料还包括抗氧剂；该复合材料由下列重量百分比的组分组成：聚丙烯70%-78%，膨胀型阻燃剂18.8%-24.2%，稀土氯化物3%-

5.5%，抗氧剂0.2%-0.3%,所述的稀土氯化物为六水合氯化镧，纯度大于99.99%。

2.根据权利要求1所述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚聚丙烯粒料，熔体流动速率3.0-4.2g/10min，Mn=58000-62000 g/mol，Mw=275500-305000 g/mol。

3.根据权利要求2所述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的膨胀型阻燃剂为聚磷酸铵，氮含量=17-19 wt%，磷含量=20-24 wt%。

4.根据权利要求3所述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为多酚类抗氧剂。

5.根据权利要求4所述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的多酚类抗氧剂为抗氧剂1010。

6.根据权利要求3所述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料的制备方法为：其特征在于：步骤包括：（1）先将聚丙烯、膨胀型阻燃剂、稀土氯化物和抗氧剂分别在80-110 oC的烘箱中干燥6-

10 h；

（2）然后按照配方比例称取聚丙烯和膨胀型阻燃剂在高速混炼机中预混5-10 min，然后加入稀土氯化物和抗氧剂再在高速混炼机中预混5-10 min；或者同时将聚丙烯、膨胀型阻燃剂、稀土氯化物和抗氧剂加入高速混炼机中预混5-10 min；

（3）将步骤（2）混合好的原料放入转矩流变仪中，在160-220℃，60-80 r/min条件下熔融共混10-15 min，即可得到稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料。

说明书

稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料及其制

备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及有机合成、高分子复合材料的共混、材料阻燃性能测试技术领域，具体涉及一种稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 聚丙烯(PP)是产量最大的通用塑料之一，在包装、纺织品、建材、汽车、电子电器、办公用品等行业都有广泛用途。但聚丙烯易燃，氧指数值较低，只有17-18％，而且燃烧时会产生大量熔滴，容易引发火灾并导致火势迅速蔓延。

[0003] 目前，聚丙烯阻燃领域主要还是以溴系阻燃占据市场的主导地位。但是溴系阻燃聚丙烯在燃烧过程中不仅产生的烟气量较大，而且燃烧产物中有毒气体对环境和人体有潜在的威胁，很多应用领域都对溴系阻燃聚丙烯设限。

[0004] 作为环境友好的阻燃剂，膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯已经成为无卤阻燃聚丙烯中的主要产品。但是同溴系阻燃剂相比，膨胀型阻燃剂的阻燃效率相对较低，达到相同阻燃级别需要的添加量较大(一般般要25％以上才能达到UL94V0级)，虽然达到了一定阻燃效果当时却是以牺牲材料力学性能为前提的。因此，如何在保持良好阻燃性能的同时，降低膨胀型阻燃剂在阻燃聚丙烯中的添加量，降低阻燃剂对材料力学性能的损失，成为了膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯研究中的关键性问题。

[0005] 稀土氯化物中稀土元素具有独特的4f电子结构，丰富的能级跃迁，大的原子磁矩，很强的自旋轨道耦合等特性，从而使其化合物可以催化促进高分子阻燃材料体系中的脱氢、氧化、交联、成炭等多种反应，改善聚合物的热稳定性，可以提高传统阻燃剂的使用效率，以减少其使用量，从而达到经济、节约、环保的。

[0006] 而且，稀土氯化物具有较强的Lewis酸性，可以催化聚合物在加工过程中通过催化降解产生碳正离子，从而提高聚合物基体的极性，起到类似偶联剂或增容剂的作用，可改善聚合物与阻燃剂之间的界面粘接力，有利于提高材料的力学性能。

[0007] 而如何将稀土氯化物与膨胀型阻燃剂相互结合以提高聚丙烯的阻燃性能，目前尚没有相关报道。

发明内容

[0008] 本发明提供一种阻燃效率高、对环境友好、不损害聚丙烯力学性能和加工性能的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料。

[0009] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，该复合材料包括：稀土氯化物、膨胀型阻燃剂和聚丙烯。

[0010] 本发明将稀土氯化物引入到膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯材料，稀土氯化物可以与膨胀型阻燃剂达到协同阻燃的效果，在降低膨胀型阻燃剂用量的同时，有效改善膨胀型阻燃剂阻燃聚丙烯材料的物理机械性能。

[0011] 本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，该复合材料还包括抗氧剂，抗氧剂的加入可以防止聚丙烯在加工过程中发生热氧降解。

[0012] 作为优选，本发明上述的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，该材料由下列重量百分比的组分组成：聚丙烯70％-78％，膨胀型阻燃剂18.8％-24.2％，稀土氯化物3％-5.5％，抗氧剂0.2％-0.3％。

[0013] 本发明上述的聚丙烯为均聚聚丙烯粒料，熔体流动速率3.0-4.2g/10min(230℃，16kg)，Mn＝58000-62000g/mol，Mw＝275500-305000g/mol。本发明的复合材料，对采用均聚聚丙烯粒料的基料有更为理想的阻燃效果，而不适用于共聚丙烯、高分子量聚丙烯、纤维级聚丙烯等。

[0014] 本发明上述膨胀型阻燃剂为聚磷酸铵，氮含量＝17-19wt％，磷含量＝20-24wt％。由于聚磷酸铵其实并不是单一的化合物，不同工厂合成出来成分都有所不同，其中主要起到阻燃效果的是N和P，这两个元素的含量要符合一定的配比才能燃烧过程中较好的膨胀达到阻燃目的，因此，本发明严格限定了膨胀型阻燃剂中的N和P的含量，从而保证更为理想的阻燃效果。

[0015] 本发明上述稀土氯化物为六水合氯化镧，纯度大于99.99％。本发明之所以限定其纯度，是因为纯度低的稀土氯化物其燃烧的时候会出现炭层滴落，阻燃性能测试的时候容易引燃棉花，对力学性能没有太大的影响。

[0016] 上述抗氧剂为常见的多酚类抗氧剂1010或抗氧剂128，是为了防止聚丙烯在加工过程中发生热氧降解。

[0017] 本发明还提供一种上述稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料的制备方法为：

[0018] (1)先将聚丙烯、膨胀型阻燃剂、稀土氯化物和抗氧剂分别在80-110℃的烘箱中干燥6-10h；

[0019] (2)然后按照配方比例称取聚丙烯和膨胀型阻燃剂在高速混炼机中预混5-10min，然后加入稀土氯化物和抗氧剂再在高速混炼机中预混5-10min；或者同时将聚丙烯、膨胀型阻燃剂、稀土氯化物和抗氧剂加入高速混炼机中预混5-10min；

[0020] (3)将步骤(2)混合好的原料放入转矩流变仪中，在160-220℃，60-80r/min条件下熔融共混10-15min，即可得到稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料。

[0021] 本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料具有如下优点和有益效果：

[0022] (1)本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，不含铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等有害物质，燃烧过程中发热发烟量低，对环境和人体危害较小。

[0023] (2)本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，稀土氯化物中的稀土元素可以催化膨胀阻燃剂的脱氢和酯化反应，更有利于发泡形成蜂窝结构的炭层，防止燃烧过程中热、质、气的传递，抑制材料燃烧，阻止火焰传播蔓延，从而实现稀土氯化物与膨胀型阻燃剂的协同阻燃效果，降低膨胀型阻燃剂的用量。

[0024] (3)本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，稀土氯化物具有较强的Lewis酸性，有利于改善聚丙烯与膨胀型阻燃剂之间的界面粘接力，使膨胀型阻燃剂在聚丙烯中分散均匀，在改善阻燃性能的同时，使材料的物理机械性能最大程度的保持。

[0025] (4)本发明的稀土氯化物与膨胀型阻燃剂协同阻燃聚丙烯复合材料，充分利用了我国的稀土资源优势，开拓了稀土化合物在高分子材料阻燃改性中的应用，同时也为膨胀型阻燃剂阻燃高分子材料提供材料提供了一种很好的阻燃协效剂。

[0026] (5)本发明制备的是复合材料，不同于传统单纯的阻燃剂的合成，且现有技术阻燃剂多是通过化学键合将稀土元素接到三聚氰胺阻燃剂分子上，而本发明是将聚磷酸铵和稀土氯化物简单物理混合，不涉及化学改性；现有技术合成阻燃剂的过程中占用了或者部分占用了稀土元素的4f轨道，使其失去了或者部分失去了Lewis酸性，不具有我们发明中稀土氯化物具有较强的Lewis酸性，有利于改善聚丙烯与膨胀型阻燃剂之间的界面粘接力，使膨胀型阻燃剂在聚丙烯中分散均匀，在改善阻燃性能的同时，使材料的物理机械性能最大程度的保持的效果。

具体实施方式

[0027] 下面通过具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明不仅仅局限于以下实施例。该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

[0028] 本发明以下实施例和对比例使用的各项原料，如无特殊说明均为市售产品。

[0029] 各实施例与对比例的配方比例、阻燃级别及力学性能参见表1。将表1中各实施例的原料按照配比称量好后，先将聚丙烯、膨胀型阻燃剂、稀土氯化物和抗氧剂分别在80-110℃的烘箱中干燥6-10h，然后按照配方比例称取聚丙烯和膨胀型阻燃剂在高速混炼机中预混5-10min，然后加入稀土氯化物和抗氧剂再在高速混炼机中预混5-10min，将混合好的原料放入转矩流变仪中，在160-220℃，60-80r/min条件下熔融共混10-15min，即可得到实施例样品。对比例制备时只需要不添加入稀土氯化物即可，其他条件与实施例一致。然后将各实施例与对比例样品按照ASTM D2863进行垂直燃烧测试，获得UL94垂直燃烧级别；按照GB/T1040进行拉伸测试，获得拉伸强度；按照ASTM D256进行冲击测试，获得悬臂梁缺口冲击强度。

[0030] 表1.各实施例与对比例中的配方(重量百分比)、垂直燃烧测试和冲击测试结果[0031]

[0032] 从表1中可以看出，在对比例1中加入稀土氯化物后，膨胀型阻燃剂的用量减少，材料从无UL94垂直燃烧级别提高到UL94V2，而且冲击强度大幅提高；对于对比例2、对比例3而言，加入稀土氯化物后，膨胀型阻燃剂的用量减少，阻燃性能不变，但是力学性能有了很大的改善；从实施例2-7可以看出，加入稀土氯化物后材料的冲击强度提高，但是当稀土氯化物添加量过高时，冲击强度会有所降低，所以稀土氯化物的添加量要适当。