阅读说明：本技术 一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 (Flame-retardant glass fiber reinforced polypropylene composite material and preparation method thereof ) 是由 田方 余成伟 李国东 张重庆 石允慧 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法,由以下重量组分制得：高熔体强度聚丙烯100份、普通聚丙烯30-50份、玻璃纤维30-50份、聚硼硅氧烷2-5份、阻燃剂4-7份、阻燃协效剂2-4份、相容剂3-5份、物理发泡剂8-15份、润滑剂0.3-0.6份、光稳剂0.3-0.6份、抗氧剂0.3-0.6份。通过使用高熔体强度聚丙烯、普通聚丙烯、玻璃纤维、聚硼硅氧烷等原料并结合特殊的制备工艺可制备出阻燃、物理发泡挤出玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及方法,发泡后的复合材料表观密度为0.06-0.15g/cm<Sup>3</Sup>,发泡数量达到10<Sup>7</Sup>-10<Sup>9</Sup>个/cm<Sup>3</Sup>,泡孔直径达到40-70微米,有90%的泡孔直径可达40-55微米水平,阻燃性能可达UL-V0等级,可广泛应用到汽车、家电、包装等各个领域。(The invention discloses a flame-retardant glass fiber reinforced polypropylene composite material and a preparation method thereof, wherein the flame-retardant glass fiber reinforced polypropylene composite material is prepared from the following components in parts by weight: 100 parts of high melt strength polypropylene, 30-50 parts of common polypropylene, 30-50 parts of glass fiber, 2-5 parts of polyborosiloxane, 4-7 parts of flame retardant, 2-4 parts of flame retardant synergist, 3-5 parts of compatilizer, 8-15 parts of physical foaming agent, 0.3-0.6 part of lubricant, 0.3-0.6 part of light stabilizer and 0.3-0.6 part of antioxidant. The preparation method of the flame-retardant and physically foamed and extruded glass fiber reinforced polypropylene composite material can be prepared by using the raw materials of high melt strength polypropylene, common polypropylene, glass fiber, polyborosiloxane and the like and combining a special preparation process, and the apparent density of the foamed composite material is 0.06-0.15g/cm 3 The foaming amount reaches 10 7 ‑10 9 per cm 3 the diameter of the foam pores reaches 40-70 microns, 90 percent of the foam pores can reach the level of 40-55 microns, the flame retardant property can reach the UL-V0 grade, and the flame retardant can be widely applied to various fields of automobiles, household appliances, packaging and the like.)

一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

聚丙烯(PP)是一种结构规整的结晶性聚合物，常为白色粒料或粉料，是无味、无毒、质轻的热塑性树脂。聚丙烯具备易加工、冲击强度、挠曲性以及电绝缘性好等优点，并具有良好的耐化学性能，在汽车工业、家用电器、电子、包装、建材及家具等方面具有广泛的应用。

EPP(Expanded Polypropylene)即发泡聚丙烯材料，它是一种性能优异的半高结晶型聚合物/气体复合材料，以其独特而优越的性能成为目前增长最快的新型环保抗压缓冲隔热材料。EPP制品具有十分优异的抗震吸能性能、形变后回复率高、很好的耐热性、耐化学品、耐油性和隔热性；同时，其质量轻，可大幅度减轻物品质量；另外，EPP还是一种环保材料，易于发生β降解，且PP泡沫便于回收利用，其环境友好性优于其他泡沫材料，因而被称为“绿色”泡沫。正是由于其表现出来的优异性能，使得EPP成为继聚苯乙烯(EPS)、聚氨酯(EPU)泡沫材料之后更具应用价值和市场潜力的新型泡沫材料。常规方法生产的EPP是一种线型半结晶性聚合物，分子链很少支化，分子量分布相对较窄，这导致它的软化点和熔点很接近。在温度达到熔点之前，它基本不流动，当温度超过熔点后，熔体强度急剧下降，这种熔体很难包住气体；此外，聚丙烯从熔融态转变为结晶态会放出大量的热量，由熔体转变为固体所需时间较长；加之聚丙烯透气率高，发泡气体易逃逸。故适于聚丙烯发泡的温度区间窄，发泡过程很难控制，极易造成发泡过程中泡壁破裂、气体逃逸、泡孔坍塌及气泡合并。因而要想得到高质量的聚丙烯发泡材料，提高其熔体强度是关键。

聚硼硅氧烷是一种新型的有机高分子材料，它是将硼元素引入聚硅氧烷的硅氧骨架中而得到的聚合物，较普通的有机硅氧烷有更加优异的耐高温性能和阻燃性能，将其加入到聚丙烯材料中可有效协助阻燃剂和阻燃协效剂的分散，起到良好的阻燃协效作用。

中国专利(CN 106279965 A)公开了一种物理发泡填充阻燃聚丙烯材料及其制备方法，此专利使用的阻燃剂和阻燃协效剂含量高，且为注塑发泡，发泡倍率低下(发泡后的密度在0.68-1.13g/cm³)。

中国专利(CN 102372855 A)公开了一种超临界法制备预发泡聚丙烯，此专利是运用超临界流体法，利用物理发泡剂，将聚丙烯作增加熔体强度处理，并通过特殊的预发泡工艺，制备出预发泡聚丙烯材料；其制备方法主要采用PP与PE交联，同时通过添加无机填料与弹性体增加其熔程达到增加熔体强度的目的，但是交联度等存在不可控，因此制备出的发泡材料泡孔的均一性和稳定性是个问题。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，通过使用高熔体强度聚丙烯、普通聚丙烯、玻璃纤维、聚硼硅氧烷、阻燃剂、阻燃协效剂、相容剂、物理发泡剂、润滑剂、光稳剂、抗氧剂等原料并结合特殊的制备工艺可制备出阻燃、物理发泡挤出玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及方法，发泡后的复合材料表观密度为0.06-0.15g/cm³，发泡数量达到10⁷-10⁹个/cm³，泡孔直径达到40-70微米，有90％的泡孔直径可达40-55微米水平，阻燃性能可达UL-V0等级，可广泛应用到汽车、家电、包装等各个领域。

为了实现上述的目的，本发明提供以下技术方案：

一种阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，由以下重量组分制得：高熔体强度聚丙烯100份、普通聚丙烯30-50份、玻璃纤维30-50份、聚硼硅氧烷2-5份、阻燃剂4-7份、阻燃协效剂2-4份、相容剂3-5份、物理发泡剂8-15份、润滑剂0.3-0.6份、光稳剂0.3-0.6份、抗氧剂0.3-0.6份。

所述高熔体强度聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的一种或以上，且熔融指数在230℃、2.16kg条件下为0.1-3g/10min。

所述普通聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的一种或以上，且熔融指数在230℃、2.16kg条件下为26-100g/10min。

所述玻璃纤维为无碱玻纤且直径为10-13μm。

所述聚硼硅氧烷由如下重量组分及方法制得：

(1)制备聚硼硅氧烷中间体

首先称取100份的三乙氧基硼烷和3-5份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌，温度保持95-110℃、搅拌速度保持280-350转/分钟，接着同时且缓慢加入0.012-0.015份茂金属催化剂二氯二茂钛和0.030-0.035份助催化剂三乙基铝，加完催化剂后反应16-18小时，反应过程中一直处于加热和搅拌状态，得聚硼硅氧烷中间体；

其中，茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为90-120分钟；整个过程中需要通入氮气保护；

(2)制备聚硼硅氧烷

接着称取100-115份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)，缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应16-18小时，最后得水解产物，所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在135-150℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷；

其中，第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为60-90分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

所述阻燃剂为十溴二苯乙烷或八溴双酚S醚中的一种或以上。

所述阻燃协效剂为三氧化二锑或五氧化二锑中的一种或以上。

所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐。

所述物理发泡剂为二氧化碳或氮气中的一种或以上。

所述润滑剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙中的一种或以上。

所述抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯两种复配且质量比为1：1。

所述光稳剂为2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基硬脂酸酯和3，5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸正十六酯两种复配且质量比为1：1。

一种如上所述的阻燃玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备聚硼硅氧烷；

(2)将高熔体强度聚丙烯100份、普通聚丙烯30-50份、玻璃纤维30-50份、聚硼硅氧烷2-5份、阻燃剂4-7份、阻燃协效剂2-4份、相容剂3-5份、润滑剂0.3-0.6份、光稳剂0.3-0.6份、抗氧剂0.3-0.6份加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速500-1000RPM，混合时间10-15min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入8-15份物理发泡剂，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃；

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整；

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装即可。

本发明的优点是：

1、本发明通过使用自制的聚硼硅氧烷可显著改善阻燃剂和阻燃协效剂的分散，起到良好的阻燃协效作用。

2、本发明通过添加少量的阻燃剂和阻燃协效剂即可达到良好的阻燃效果，另外相容剂可明显改善聚丙烯与其他阻燃的相容性。

3、本发明通过添加玻璃纤维增加熔体的强度有利于改善发泡效果。

4、本发明生产工艺简单、适合大批量生产。

具体实施方式

以下结合具体的实例对本发明的技术方案做进一步说明：

以下实施例只是本发明的典型例，本发明的保护范围并不局限于此。以下实施例和对比例的密度按照ISO 1183-1进行测试，泡孔数量和泡孔尺寸采用扫描电镜(SEM)进行测试，阻燃性能按照UL-94进行测试(1.6mm厚度)。

实施例和对比例中用到的主要代表材料如下：

高熔体强度聚丙烯(HMSPP)：

型号：WB140HMS(熔融指数0.1g/10min) 厂家：北欧化工；

型号：K8003(熔融指数3g/10min) 厂家：上海赛科；

普通聚丙烯(PP)：

型号：K7926(熔融指数26g/10min) 厂家：上海赛科；

型号：K7100(熔融指数100g/10min) 厂家：燕山石化；

玻璃纤维：

型号：E7CS10-03-508A(玻纤直径＝10μm) 厂家：巨石集团；

型号：E7CS13-03-508A(玻纤直径＝13μm) 厂家：巨石集团；

阻燃剂：

型号：十溴二苯乙烷 厂家：山东海王化工；

型号：八溴双酚S醚 厂家：山东齐博化工；

阻燃协效剂：

型号：三氧化二锑 厂家：益阳恒昌；

型号：五氧化二锑 厂家：上海金锦乐；

相容剂：

型号：CA100 厂家：法国阿克玛；

抗氧剂：

型号：受阻酚类1010 厂家：宜兴市天使合成化学；

型号：亚磷酸酯类168 厂家：宜兴市天使合成化学；

光稳定剂：

型号：LA-402AF 厂家：日本艾迪科；

润滑剂：

硬脂酸钙 型号：BS-3818 厂家：华明泰化工；

硬脂酸锌 型号：BS-2818 厂家：华明泰化工；

实施例1

(1)制备聚硼硅氧烷中间体：

首先称取100份的三乙氧基硼烷和3份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌(温度保持95℃、搅拌速度保持280转/分钟)，接着同时且缓慢加入0.012份茂金属催化剂(茂金属催化剂为二氯二茂钛)和0.030份助催化剂(助催化剂为三乙基铝)，加完催化剂后反应16小时(反应过程中一直处于加热和搅拌状态)，得聚硼硅氧烷中间体。注：茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为90分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

接着称取100份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应16小时，最后得水解产物，所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在135℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷。注：第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为60分钟，整个过程中需要通入氮气保护。

(2)将高熔体强度聚丙烯WB140HMS 100份，普通聚丙烯K7926 30份，玻璃纤维E7CS10-03-508A 30份，聚硼硅氧烷2份，阻燃剂十溴二苯乙烷7份，阻燃协效剂三氧化二锑2份，相容剂3份，润滑剂BS-2818 0.3份，光稳剂0.3份，抗氧剂0.3份(1010：168＝1：1)加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速500RPM，混合时间10min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入超临界二氧化碳物理发泡剂8份，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃。

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整。

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装。性能见表1。

对比例1：与实施例1相比，去掉聚硼硅氧烷将2份。性能见表1。

对比例2：与实施例1相比，去掉聚硼硅氧烷将2份加到十溴二苯乙烷上。性能见表1。

对比例3：与实施例1相比，去掉高熔体强度聚丙烯将100份加到K7926上。性能见表1。

对比例4：与实施例1相比，去掉玻璃纤维。性能见表1。

表1实施例1和对比例1-4性能

从以上表1可以看出，高熔体强度聚丙烯、自制聚硼硅氧烷、玻璃纤维三者缺一不可，少了其中任何一种组份对材料整个性能的完整性都要较大的影响。

实施例2

(1)制备聚硼硅氧烷中间体：

首先称取100份的三乙氧基硼烷和5份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌(温度保持110℃、搅拌速度保持350转/分钟)，接着同时且缓慢加入0.015份茂金属催化剂(茂金属催化剂为二氯二茂钛)和0.035份助催化剂(助催化剂为三乙基铝)，加完催化剂后反应18小时(反应过程中一直处于加热和搅拌状态)，得聚硼硅氧烷中间体。注：茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为120分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

接着称取115份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应18小时，最后得水解产物。所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在150℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷。注：第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为90分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

(2)将高熔体强度聚丙烯WB140HMS 100份，普通聚丙烯K7100 50份，玻璃纤维E7CS13-03-508A 50份，聚硼硅氧烷5份，阻燃剂十溴二苯乙烷4份，阻燃协效剂三氧化二锑4份，相容剂5份，润滑剂BS-3818 0.6份，光稳剂0.6份，抗氧剂0.6份(1010：168＝1：1)加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速1000RPM，混合时间15min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入超临界二氧化碳物理发泡剂15份，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃。

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整。

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装。性能见表2。

实施例3

(1)制备聚硼硅氧烷中间体：

首先称取100份的三乙氧基硼烷和3.3份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌(温度保持98℃、搅拌速度保持288转/分钟)，接着同时且缓慢加入0.013份茂金属催化剂(茂金属催化剂为二氯二茂钛)和0.031份助催化剂(助催化剂为三乙基铝)，加完催化剂后反应16小时(反应过程中一直处于加热和搅拌状态)，得聚硼硅氧烷中间体。注：茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为95分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

接着称取104份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应16.2小时，最后得水解产物。所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在137℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷。注：第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为65分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

(2)将高熔体强度聚丙烯WB140HMS 100份，普通聚丙烯K7100 33份，玻璃纤维E7CS10-03-508A 34份，聚硼硅氧烷3份，阻燃剂十溴二苯乙烷5份，阻燃协效剂三氧化二锑2.4份，相容剂3.2份，润滑剂BS-2818 0.32份，光稳剂0.36份，抗氧剂0.34份(1010：168＝1：1)加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速600RPM，混合时间11min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入氮气物理发泡剂10份，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃。

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整。

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装。性能见表2。

实施例4

(1)制备聚硼硅氧烷中间体：

首先称取100份的三乙氧基硼烷和3.7份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌(温度保持103℃、搅拌速度保持302转/分钟)，接着同时且缓慢加入0.013份茂金属催化剂(茂金属催化剂为二氯二茂钛)和0.032份助催化剂(助催化剂为三乙基铝)，加完催化剂后反应16.5小时(反应过程中一直处于加热和搅拌状态)，得聚硼硅氧烷中间体。注：茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为99分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

接着称取106份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应16.8小时，最后得水解产物。所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在140℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷。注：第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为68分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

(2)将高熔体强度聚丙烯WB140HMS 100份，普通聚丙烯K7926 38份，玻璃纤维E7CS13-03-508A 38份，聚硼硅氧烷3.5份，阻燃剂八溴双酚S醚5份，阻燃协效剂五氧化二锑2.4份，相容剂3.2份，润滑剂BS-2818 0.32份，光稳剂0.36份，抗氧剂0.34份(1010：168＝1：1)加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速600RPM，混合时间11min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入氮气物理发泡剂12份，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃。

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整。

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装。性能见表2。

实施例5

(1)制备聚硼硅氧烷中间体：

首先称取100份的三乙氧基硼烷和4.5份的四氯化硅于5000ml的三口烧瓶中，置于加热套中加热、搅拌(温度保持107℃、搅拌速度保持332转/分钟)，接着同时且缓慢加入0.014份茂金属催化剂(茂金属催化剂为二氯二茂钛)和0.033份助催化剂(助催化剂为三乙基铝)，加完催化剂后反应17.5小时(反应过程中一直处于加热和搅拌状态)，得聚硼硅氧烷中间体。注：茂金属催化剂和助催化剂缓慢加入的时间为105分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

接着称取112份的四氯化硅和过量的蒸馏水(如：1000份)缓慢加入三口烧瓶中，加完后进行反应16.8小时，最后得水解产物。所得水解产物进行去离子水洗涤，最后在145℃的温度下进行减压蒸馏去除小分子，最后得液状聚硼硅氧烷。注：第二步中的四氯化硅和过量的蒸馏水缓慢加入的时间为72分钟。整个过程中需要通入氮气保护。

(2)将高熔体强度聚丙烯WB140HMS 100份，普通聚丙烯K7926 44份，玻璃纤维E7CS13-03-508A 44份，聚硼硅氧烷3.9份，阻燃剂八溴双酚S醚5.5份，阻燃协效剂五氧化二锑3.4份，相容剂3.8份，润滑剂BS-3818 0.43份，光稳剂0.39份，抗氧剂0.44份(1010：168＝1：1)加入到高速混合机中混合均匀，高速混合机的转速650RPM，混合时间13min，将以上混合好的材料投入到双螺杆挤出机内熔融塑化，在双螺杆挤出机的末端引入氮气物理发泡剂14份，其中双螺杆挤出机的温度为200-240℃。

(3)将以上含有物理发泡剂的熔体加入特殊的挤出发泡机中进行物理发泡，挤出发泡机的模头厚度可在1.0-3.0mm进行调整。

(4)发泡的片材从挤出发泡机出来后进入三辊机传递，最终通过切刀切片、包装。性能见表2。

表2实施例2-5性能

测试项目	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
					密度/(g/cm<sup>3</sup>)	0.06	0.13	0.11	0.08
UL-94阻燃/等级	V0	V0	V0	V0
					泡孔数量/(个/cm<sup>3</sup>)	8.6*10<sup>9</sup>	3.7*10<sup>8</sup>	7.2*10<sup>8</sup>	5.4*10<sup>9</sup>
泡孔平均直径/μm	40	63	53	45

从以上表1、2可以看出，复合材料表观密度为0.06-0.15g/cm³，发泡数量达到10⁷-10⁹个/cm³，泡孔直径达到40-70微米，有90％的泡孔直径可达40-55微米水平，阻燃性能可达UL-V0等级，可广泛应用到汽车、家电、包装等各个领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。