本发明涉及高分子材料改性领域，尤其涉及一种汽车碳罐专用无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料的制备及方法。
背景技术：
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聚丙烯（PP）由于价格低廉，易于加工成型及其具有密度低，耐化学腐蚀和自身优异的物理力学性能等优点，其应用非常广泛，成为发展最快的通用型塑料之一。
由于汽油是一种易挥发的液体，在常温下燃油箱经常充满蒸气，主要是通过燃料蒸发排放控制系统将蒸气引入燃烧并防止其挥发到大气中。这个过程中起重要作用是安装在汽油箱和发动机之间碳罐来收集和储存汽油蒸汽，当发动机启动后，装在活性碳罐与进气歧管之间的电磁阀门打开，活性碳罐内的汽油蒸汽在进气管的真空度作用下被洁净空气带入气缸内参加燃烧。这样做不但降低了排放，而且也降低了油耗。
目前作为碳罐材料的主要有玻纤增强PA、玻纤增强PBT、玻纤增强PP。但随着社会的进步，工业的发展，很多汽车主机厂对汽车碳罐材料提出了更高的要求，即在原有玻纤增强的基础上加了阻燃性能要求。目前主要在体系中增加阻燃剂来提高材料的阻燃性能。但由于玻纤的存在又阻碍了碳层的形成以及碳层的延续，阻燃性能达不到要求。
碱式硫酸镁晶须的分子式为MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O，直径D：＜1.0μm ，平均长度L：10~50μm，长径比L/D：＞30，比重：2.3g/cm3，堆积比重：0.1~0.3，含水量：＜1.0%，PH值：9~9.5（2%水分散体），白度：≥93（荧光白度）。可以用作塑料和橡胶复合材料的补强剂，提高基体材料的模量和热变形温度。
埃洛石纳米管，一般是由二十多个片层卷曲而成，管内径15~20nm，管外径约为50nm，长度100~1500nm。其理想化学式为Al2Si2O5(OH)4·nH2O，其中n=0和n=2分别代表层间距为7埃和10埃。可用作塑料、橡胶的填充补强剂，提高基体材料的模量和热变形温度。
本发明针对这一要求，开发了一种汽车碳罐专用无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料，与普通的无卤阻燃玻纤增强聚丙烯材料相比，其中加入了特效的阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须或埃洛石纳米管，可以降低材料成本以及阻燃剂的用量。并
通过加入阻燃协效剂起到了延续碳层的作用，提高阻燃性能。阻燃协效剂的量是非常重要的，添加量较少的的话，不能延续碳层；添加量较多的话，影响碳层的形成。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种汽车碳罐专用无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
一种汽车碳罐专用无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料，由以下组分按重量份制备而成：
聚丙烯 100份，
玻璃纤维 20~40份，
相容剂 2~8份，
无卤阻燃剂 35~50份，
阻燃协效剂 2~8份，
润滑剂 0.2~0.5份，
抗氧剂 0.2~0.5份，
炭黑 0.03~0.1份。
进一步方案，所述聚丙烯为熔融指数在230℃、2.16kg条件下不小于25g/10min的共聚聚丙烯。
所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐。
所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维，可以为卷状长玻璃纤维或短切玻璃纤维。
所述无卤阻燃剂为磷氮系膨胀阻燃剂。
所述阻燃协效剂为碱式硫酸镁晶须或埃洛石纳米管中的至少一种。
所述润滑剂为有机硅类润滑剂。
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（抗氧剂1010）和硫代二丙酸二(十八)酯（抗氧剂DSTDP）。
本发明的另一个发明目的是提供上述无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，方法如下：
（1）称取100份聚丙烯、2~8份相容剂、35~50份无卤阻燃剂于高速混合机中常温混合3~5分钟；接着称取2~8份阻燃协效剂加入高速混合机中继续混合3~5分钟；然后称取0.2~0.5份润滑剂、0.2~0.5份抗氧剂、0.03~0.1份炭黑加入高速混合机中继续混合3~5分钟；
（2）将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将20~40份玻璃纤维从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
所述高速混合机的转速为200~300转/分钟；所述双螺杆挤出机的温度从喂料段到机头依次为170℃、190℃、200℃、200℃、195℃、195℃、200℃、200℃、195℃、190℃，螺杆直径为42毫米，螺杆长径比为40。上述聚丙烯为共聚聚丙烯，且要求熔融指数≥25g/10min（在230℃，2.16kg条件下测试）。
本发明的有益效果有：
1、本发明采用碱式硫酸镁晶须或埃洛石纳米管作为无卤阻燃协效剂，有效提高复合材料的阻燃性能，降低材料成本；且阻燃协效剂的量是非常重要的，添加量较少的的话，不能延续碳层；添加量较多的话，影响碳层的形成。
2、本发明通过加入阻燃协效剂达到对无卤阻燃剂碳层的形成以及碳层的延续，提高复合材料的阻燃性能。
3、本发明制备的无卤阻燃增强聚丙烯复合材料具有较强的阻燃生，符合汽车碳罐材料对材料机械性能与阻燃性能的要求。
具体实施例：
下面结合一些实施例与对比例对本发明作进一步说明。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。阻燃性能按照UL-94标准进行测试，拉伸性能按照ASTM D638进行测试（拉伸速度为20mm/min），弯曲性能按照ASTM D790进行测试（弯曲速度为1.25mm/min），悬臂梁冲击性能按照ASTM D256进行测试。
实施例和对比例中用到的主要原材料如下：
聚丙烯为熔融指数在230℃、2.16kg条件下不小于25g/10min的共聚聚丙烯。
共聚聚丙烯 型号：K7926 厂家：上海赛科；
共聚聚丙烯 型号：K9026 厂家：中石化；
玻璃纤维 型号：1000-988A 厂家：浙江巨石；
玻璃纤维 型号：508A 厂家：浙江巨石；
相容剂聚丙烯接枝马来酸酐 型号：PC-1 厂家：佛山市南海柏晨；
无卤阻燃剂磷氮系膨胀阻燃剂 型号：WR02B 厂家：苏州安鸿泰；
阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须 厂家：营口威斯克；
阻燃协效剂埃洛石纳米管 厂家：山东东明天合高温材料；
润滑剂 型号：E525 厂家：德国德固赛；
抗氧剂 型号：1010 厂家：宜兴市天使合成化学；
抗氧剂 型号：DSTDP 厂家：宜兴市天使合成化学；
炭黑 型号：660R 厂家：美国卡博特。
下面实施例中双螺杆挤出机的温度从喂料段到机头依次为170℃、190℃、200℃、200℃、195℃、195℃、200℃、200℃、195℃、190℃。螺杆直径为42毫米，螺杆长径比为40。
实施例1
首先称取100份共聚聚丙烯K7926、2份相容剂、35份无卤阻燃剂WR02B于高速混合机中常温混合3分钟；接着称取2份阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须于高速混合机中继续常温混合3分钟；最后称取0.2份润滑剂E525、0.08份抗氧剂1010、0.12份抗氧剂DSTDP、0.03份炭黑660R于高速混合机中继续常温混合3分钟。整个过程高速混合机的转速为200转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将20份玻璃纤维1000-988A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
对比例1（将阻燃协效剂用无卤阻燃剂替代）
首先称取100份共聚聚丙烯K7926、2份相容剂、37份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合3分钟，接着称取0.2份润滑剂E525、0.08份抗氧剂1010、0.12份抗氧剂DSTDP、0.03份炭黑660R与高速混合机中常温混合3分钟。整个过程高速混合机的转速为200转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将20份玻璃纤维1000-988A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
对比例2（将阻燃协效剂用量提高到10份）
首先称取100份共聚聚丙烯K7926、2份相容剂、35份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合3分钟，接着称取10份阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须与高速混合机中常温混合3分钟，最后称取0.2份润滑剂E525、0.08份抗氧剂1010、0.12份抗氧剂DSTDP、0.03份炭黑660R与高速混合机中常温混合3分钟。整个过程高速混合机的转速为200转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将20份玻璃纤维1000-988A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
实施例2
首先称取100份共聚聚丙烯K9026、8份相容剂、45份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合5分钟，接着称取8份阻燃协效剂埃洛石纳米管与高速混合机中常温混合5分钟，最后称取0.5份润滑剂E525、0.21份抗氧剂1010、0.29份抗氧剂DSTDP、0.1份炭黑660R与高速混合机中常温混合5分钟。整个过程高速混合机的转速为300转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将40份玻璃纤维508A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
对比例3（将阻燃协效剂用无卤阻燃剂替代）
首先称取100份共聚聚丙烯K9026、8份相容剂、53份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合5分钟，接着称取0.5份润滑剂E525、0.21份抗氧剂1010、0.29份抗氧剂DSTDP、0.1份炭黑660R与高速混合机中常温混合5分钟。整个过程高速混合机的转速为300转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将40份玻璃纤维508A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
实施例3
首先称取40份共聚聚丙烯K9026、60份聚丙烯K7926、3.2份相容剂、39份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合3.4分钟，接着称取1.5份阻燃协效剂埃洛石纳米管、1.3份阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须与高速混合机中常温混合3.9分钟，最后称取0.29份润滑剂E525、0.16份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂DSTDP、0.05份炭黑660R与高速混合机中常温混合5分钟。整个过程高速混合机的转速为268转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将28份玻璃纤维508A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
实施例4
首先称取72份共聚聚丙烯K9026、28份聚丙烯K7926、6.1份相容剂、50份无卤阻燃剂WR02B与高速混合机中常温混合3.9分钟，接着称取1.9份阻燃协效剂埃洛石纳米管、2.7份阻燃协效剂碱式硫酸镁晶须与高速混合机中常温混合4.8分钟，最后称取0.41份润滑剂E525、0.19份抗氧剂1010、0.22份抗氧剂DSTDP、0.07份炭黑660R与高速混合机中常温混合4.7分钟。整个过程高速混合机的转速为288转/分钟。
将混合好的物料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将37份玻璃纤维1000-988A从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，经拉丝造粒、冷却、装包得无卤阻燃玻纤增强聚丙烯复合材料。
注：UL-94阻燃性能的数据是“阻燃等级(五根平均t1时间+五根平均t2时间)”，时间单位为秒（S）。
从上述实施例1~4和对比例1~2可明显看出，本发明制备的无卤阻燃增强聚丙烯复合材料综合性能优异。本发明加入的高效阻燃协效剂效果显著且价格比无卤阻燃剂便宜，真正做到了高性价比材料。如：实施例1和对比例1可看出，在阻燃剂总量相同的情况下，加入2份本发明的阻燃协效剂后，复合材料的阻燃性能得到显著提高，而其他性能几乎无变化。比较实施例2与对比例2，复合材料的阻燃性明显比对比例中没有加阻燃协效剂的对比例3的阻燃烧性好。再如：实施例1和对比例2可看出，在无卤阻燃剂量相同的情况下，加入2份和10份阻燃协效剂后复合材料的性能差异，对比例2中由于加入10份阻燃协效剂而影响了碳层的形成，不利于阻燃，且多加阻燃协效剂对力学性能也有一定的影响。
本发明的这种无卤阻燃增强聚丙烯复合材料主要用于汽车碳罐材料。但也可以利用其他有相关要求的汽车、家电、电子电气等行业中。