一种阻燃剂、使用该阻燃剂的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料及制备方法

摘要

本发明公开了一种阻燃剂，以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵4～16份、季戊四醇4～16份、三聚氰胺4～16份、氢氧化铝4～10份、碳纳米管0.1份；同时还公开了使用该阻燃剂的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法。本发明的阻燃剂在超高分子量聚乙烯阻燃复合材料中呈网络状非均匀分布，添加量小，在保证复合材料具有良好的力学性能的同时，具有良好的阻燃性能。本发明的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，采用模压法制备阻燃型超高分子量聚乙烯复合材料，所得超高分子量聚乙烯阻燃复合材料同时具有较好的力学性能和阻燃性能，工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于阻燃复合材料技术领域，具体涉及一种阻燃剂，同时还涉及使用该阻燃剂 的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料及其制备方法。

背景技术

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是分子量100万以上、具有优异综合性能的热塑性工 程塑料。该材料具有极高的耐磨损性、耐冲击性，极低的磨擦因数和自润滑性能。这些优 异性能使它在某些方面大大超过了目前所有工程塑料和一些金属材料，日益受到人们的重 视，在造纸、食品饮料、矿山开采、交通运输、陶瓷、机械、纺织、水利、电力等领域和 岩土工程施工申都有广泛的应用前景，在欧美等发达国家和地区己经在上述领域普遍推广 使用。2001年中国科技部将超高分子量聚乙烯管材列为当前优先发展的高科技产业重点领 域项目。

UHMWPE氧指数仅有17%左右，属易燃材料，高温受热降解成低分子量物质，极易 传播火焰，引发火灾，使其在许多领域的应用受到限制。UHMWPE常用的阻燃体系有含 卤阻燃体系、无机阻燃体系、氮系阻燃体系、膨胀型阻燃体系。其中，含卤阻燃剂阻燃机 理是终止自由基链反应，捕获传递燃烧链式反应的活性自由基；但卤素阻燃剂在燃烧时生 成大量的烟和有毒、具有腐蚀性的气体，可导致电路系统开关和其他金属物件的腐蚀，对 人体呼吸道和其他器官造成严重伤害。无机阻燃剂阻燃机理是吸收热分解产生的热量，降 低体系温度；氢氧化铝、氢氧化镁及硼酸类是典型代表；缺点是当添加量少时，阻燃效果 不大明显，往往达不到阻燃要求，而用量多了则会使材料机械性能下降，有时还会给加工 操作带来巨大困难；而且单用效果很差，只有当与含卤类阻燃剂并用，才能发挥协同阻燃 效果。氮系阻燃剂阻燃机理是稀释可燃性物质的浓度和氧气浓度，使之降到着火极限以下， 起到气相阻燃效果，但单独使用效果较差。膨胀阻燃剂阻燃机理是促进聚合物成碳，减少 可燃性气体的生成，在材料表面形成一层膨松、吸孔的均质碳层，起到隔热、隔氧、抑烟、 防止熔滴的作用，达到阻燃的目的；但通常情况下，膨胀阻燃剂的的填充量很大，对复合 材料的力学性能、加工性能有较大的负面影响，这也导致此类阻燃剂的应用受到限制。

由于UHMWPE熔融状态的粘度高达10⁸Pa*s，流动性极差，其熔体指数几乎为零，很 难用一般的聚合物成型加工方法进行加工。模压法是UHMWPE最常用的加工方法，模压 法制备UHMWPE制品时，由于加工过程中混合效果差，且UHMWPE粘度极高，阻燃剂 只能分布于UHMWPE粉末间隙，导致阻燃剂在UHMWPE中呈不均匀分布，一方面会使 得原本适用于聚烯烃类聚合物的阻燃体系在UHMWPE中阻燃效果变差，另一方面，阻燃 剂会抑制UHMWPE粉末加工过程中的融合，导致其力学性能显著下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种阻燃剂，在保证聚乙烯复合材料的力学性能的同时，提高其 阻燃性能。

本发明的第二个目的是提供一种使用上述阻燃剂的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料。

本发明的第二个目的是提供一种超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种阻燃剂，由以下重量份数的组 分组成：聚磷酸铵4～16份、季戊四醇4～16份、三聚氰胺4～16份、氢氧化铝4～10份、 碳纳米管0.1份。

一种使用上述阻燃剂的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组 成：超高分子量聚乙烯粉60～80份、聚磷酸铵4～16份、季戊四醇4～16份、三聚氰胺4～ 16份、氢氧化铝4～10份、碳纳米管0.1份。

一种上述的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1）取聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、氢氧化铝、超高分子量聚乙烯粉、碳纳米管 混合并搅拌，得混合物料；

2）将步骤1）所得混合物料放入平板硫化机的模具中，3～50MPa条件下加压2～3min 排出混合物料中的气体后，在180～210℃、3～50MPa条件下保压15min；

3）将模具停止加热，保持5～50MPa压力冷却至室温，脱模，即得。

步骤1）中所述搅拌的转速为9000rpm，搅拌时间为3min。

本发明的阻燃剂，选用聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺与氢氧化铝进行复配作为膨胀 型阻燃主体，以碳纳米管为协效阻燃剂，添加到超高分子量聚乙烯粉中，膨胀阻燃剂在超 高分子量聚乙烯粉间隙呈现局部富集，形成有效的阻燃屏蔽层，使其阻燃效率高于阻燃剂 呈均匀部分时的阻燃效率，故可在较低的阻燃剂用量下达到良好的阻燃效果；同时，碳纳 米管分布于超高分子量聚乙烯粉间隙形成连续的导热网络，利用碳纳米管的导热特性将材 料内部的热量导出释放，并促进膨胀阻燃剂成炭，从而提高复合材料的耐燃性，提高其阻 燃效率。本发明的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，阻燃剂的添加量小，对其力学性能影 响极小；同时，分布在超高分子量聚乙烯粉中的碳纳米管可增强复合材料的力学性能，从 而在保证复合材料具有良好的力学性能的同时，具有良好的阻燃性能。

本发明的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，采用模压法制备阻燃型超高分 子量聚乙烯复合材料，在高温下模压成型，利用超高分子量聚乙烯熔融状态下高粘度的特 点，使阻燃剂在复合材料中呈网络状非均匀分布，从而使复合材料同时具有较好的力学性 能和阻燃性能；工艺简单，操作方便，适合大规模工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵4份、季戊四醇4份、三 聚氰胺4份、氢氧化铝4份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉80份、聚磷酸铵4份、季戊四醇4份、三聚氰胺4份、氢氧化铝4份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1）取聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、氢氧化铝、超高分子量聚乙烯粉、碳纳米管， 放入高速搅拌机，混合并搅拌，搅拌的转速为9000rpm，搅拌时间为3min，得混合物料；

2）将步骤1）所得混合物料平铺至平板模具中，覆盖聚酯膜，将模具合拢，放至高压 平板硫化机中，50MPa条件下加压2min排出模具及混合物料中的气体；排气结束后，启 动平板硫化机，在185℃、15MPa条件下保压15min；

3）将模具停止加热，保持15MPa压力冷却至室温，脱模，即得。

实施例2

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵7.5份、季戊四醇7.5份、 三聚氰胺7.5份、氢氧化铝7.5份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉70份、聚磷酸铵7.5份、季戊四醇7.5份、三聚氰胺7.5份、氢氧化铝7.5份、 碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1）取聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、氢氧化铝、超高分子量聚乙烯粉、碳纳米管， 放入高速搅拌机，混合并搅拌，搅拌的转速为9000rpm，搅拌时间为3min，得混合物料；

2）将步骤1）所得混合物料平铺至平板模具中，覆盖聚酯膜，将模具合拢，放至平板 高压硫化机中，3MPa条件下加压3min排出模具及混合物料中的气体；排气结束后，启动 平板硫化机，在180℃、50MPa条件下保压15min；

3）将模具停止加热，保持50MPa压力冷却至室温，脱模，即得。

实施例3

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵10份、季戊四醇10份、 三聚氰胺10份、氢氧化铝10份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉60份、聚磷酸铵10份、季戊四醇10份、三聚氰胺10份、氢氧化铝10份、 碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法，包括下列步骤：

1）取聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、氢氧化铝、超高分子量聚乙烯粉、碳纳米管， 放入高速搅拌机，混合并搅拌，搅拌的转速为9000rpm，搅拌时间为3min，得混合物料；

2）将步骤1）所得混合物料平铺至平板模具中，覆盖聚酯膜，将模具合拢，放至平板 高压硫化机中，25MPa条件下加压2.5min排出模具及混合物料中的气体；排气结束后，启 动平板硫化机，在200℃、25MPa条件下保压15min；

3）将模具停止加热，保持25MPa压力冷却至室温，脱模，即得。

实施例4

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵4份、季戊四醇8份、三 聚氰胺4份、氢氧化铝4份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉80份、聚磷酸铵4份、季戊四醇8份、三聚氰胺4份、氢氧化铝4份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实施例5

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵6份、季戊四醇12份、 三聚氰胺6份、氢氧化铝6份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉70份、聚磷酸铵6份、季戊四醇12份、三聚氰胺6份、氢氧化铝6份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实施例6

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵8份、季戊四醇16份、 三聚氰胺8份、氢氧化铝8份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉60份、聚磷酸铵8份、季戊四醇16份、三聚氰胺8份、氢氧化铝8份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实施例7

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵4份、季戊四醇4份、三 聚氰胺8份、氢氧化铝4份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉80份、聚磷酸铵4份、季戊四醇4份、三聚氰胺8份、氢氧化铝4份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实施例8

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵6份、季戊四醇6份、三 聚氰胺12份、氢氧化铝6份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉70份、聚磷酸铵6份、季戊四醇6份、三聚氰胺12份、氢氧化铝6份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实施例9

本实施例的阻燃剂，由以下重量份数的组分组成：聚磷酸铵8份、季戊四醇8份、三 聚氰胺16份、氢氧化铝8份、碳纳米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料，由以下重量份数的组分组成：超高分子 量聚乙烯粉60份、聚磷酸铵8份、季戊四醇8份、三聚氰胺16份、氢氧化铝8份、碳纳 米管0.1份。

本实施例的超高分子量聚乙烯阻燃复合材料的制备方法同实施例1。

实验例

将实施例1～9所得超高分子量聚乙烯阻燃复合材料进行检测，结果如表1所示。

其中，对比例1为未添加阻燃剂的超高分子量聚乙烯。

对比例2、3、4的复合材料的组分及含量分别同实施例4、5、6，其制备方法为：按 比例称取各组分，放入高速搅拌机，搅拌混合；2）将混合均匀的物料于185℃条件下，在 开炼机中混炼15min，促使阻燃剂在超高分子量聚乙烯中达到均匀分散；将混炼后的物料 加入模具中，在高压平板硫化机中，加压2～3min，排出物料中的气体后，在185℃、15MPa 的压力下压制一段时间；停止加热，保持压力冷却至室温，即得。

表1实施例1～9所得超高分子量聚乙烯阻燃复合材料检测结果

检测对象氧指数（%） 燃烧性能等级 拉伸强度（MPa） 冲击强度(KJ/m²) 检测方法GB/T10707-2008 GB/T2408-2008 GB1843280 GB/T1043-1993 实施例126 FV-0 28.9 25.7 实施例227 FV-0 27.0 23.7 实施例330 FV-0 26.0 21.7 实施例427 FV-0 29.0 26.0 实施例527 FV-0 28.0 25.20 实施例630 FV-0 26.8 23.1 实施例725 FV-1 29.0 25.6 实施例827 FV-0 27.1 23.4 实施例929 FV-0 26.0 21.0 对比例117 无法分级* 31.2 34.3 对比例219 无法分级* 23.2 18.3 对比例321 无法分级* 18.2 13.3 对比例423 无法分级* 12.6 4.9

注：*无法分级表示改组样品不能通过垂直燃烧测试。