本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料及其制备方法。
背景技术：
目前，聚合物的纳米改性材料主要有纳米粒子和层状硅酸盐两类。层状硅酸盐主要有蒙脱土、双轻基金属复合氧化物等。蒙脱土改性能够提高聚合物基体的热稳定性、阻隔性能、燃烧性能等，但是蒙脱土改性聚合物时，主要的有机插层剂季按盐的热稳定性较差，在复合材料的加工过程中，易于发生分解，使基体变黄。水滑石的热稳定性优于蒙脱土，结构与蒙脱土非常相似，用水滑石替代蒙脱土制备复合材料已经成为研究的热点。
水滑石是一种具有层状结构、层间阴离子可交换的硅酸盐，各类有机和无机阴离子、同多和杂多阴离子以及金属配合物阴离子可通过离子交换引入到层间，得到相应的柱撑水滑石。水滑石与聚合物复合可制备聚合物/水滑石纳米复合材料，能显著提高聚合物力学性能和阻隔性能，同时又可赋予聚合物良好的耐热和阻燃性能。
但是，现有技术中，水滑石应用于聚合物基体时，需要对水滑石进行插层改性。因水滑石片层之间的间距较小，若不加以改性，聚合物链难以进入水滑石片层之间，使得制备的聚合物复合材料强度不高、且阻燃性能及热稳定性差。
技术实现要素：
针对现有技术不足，本发明提供一种水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料及其制备方法，解决了现有技术中聚合物复合材料强度不高、且阻燃性能及热稳定性差的技术问题。
为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
一种水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料，包括以下原料：聚丙烯、光稳定剂、润滑剂，还包括以下原料：改性水滑石、相容剂、抗氧剂、助剂，且各原料重量份为：聚丙烯70-80份、光稳定剂0.1-0.4份、润滑剂0.3-0.6份、改性水滑石10-15份、相容剂4-8份、抗氧剂0.2-0.5份、助剂0-3份。
优选的，所述抗氧剂为受阻酚抗氧剂、硫代酯抗氧剂、双亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。
优选的，所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1076，所述硫代酯类抗氧剂为抗氧剂DSTP，所述双亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂626。
优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯中的至少一种。
优选的，所述光稳定剂为二苯甲酮类光稳定剂、水杨酸类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂中的至少一种。
优选的，所述二苯甲酮类光稳定剂为光稳定剂531，所述水杨酸类光稳定剂为光稳定剂UV-TBS，所述苯并三唑类光稳定剂为光稳定剂326。
优选的，所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸钙、戊四醇硬脂酸酯中的至少一种。
优选的，所述助剂为钛酸酯、环氧树脂中的至少一种，所述聚丙烯为短链共聚聚丙烯。
一种水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将聚丙烯、相容剂、抗氧剂、光稳定剂和润滑剂加入搅拌机中，搅拌混合2-5min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石、助剂加入到搅拌机中，搅拌混合2-3min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为190-220℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz、真空度为-0.06～0.08MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
优选的，步骤S2所述改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将3-5份水滑石和200-250mL无水乙醇置于三口烧瓶中，将三口烧瓶置于65-80℃水浴中搅拌0.5-1.5h；
S2、将4-12份插层改性剂在40-65℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用稀硝酸调节溶液pH，再搅拌7-9h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，55-65℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
优选的，所述插层改性剂为十二烷基磺酸钠、酒石酸氢钠、衣康酸中的至少一种。
优选的，所述稀硝酸的pH为2，用稀硝酸调节溶液至pH为4。
本发明提供一种水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：
本发明制得的水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料，采用熔融复合的方法，将聚丙烯插入改性后的水滑石片层间，使水滑石以片层结构分散于聚丙烯中，水滑石在整个聚丙烯材料体系中也是分层排列，在材料受压过程中起到了架桥作用，使聚合物材料的弯曲强度增加，同时改性后水滑石在聚丙烯基体中分散较均匀，在燃烧过程中水滑石脱氢带走热量，燃烧后的聚丙烯碳层附在水滑石残渣上形成较严密的隔绝层，阻碍了氧气的传播和分解产物的挥发，因此聚丙烯材料具有优异的阻燃性能，水滑石兼具了氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂的优点，又克服了它们各自的不足，具有阻燃、消烟、填充三种功能，加入改性水滑石能够同时提高聚丙烯材料的强度、热稳定性和阻燃性能；
本发明中使用的改性水滑石是采用改性剂对水滑石进行有机改性，使得水滑石不仅层间距大，而且含有可反应的官能团(轻基、梭基、双键)，可与梭基或双键官能团反应的聚合物发生化学反应，增加水滑石和聚合物基体的界面作用，体系的拉伸强度和弯曲强度比纯聚丙烯都有提高，经过改性的水滑石可以较大幅度的提高聚丙烯材料的柔性，又不降低材料的强度，加入改性水滑石后，水滑石在聚丙烯材料中分布均匀，起到了架桥的作用，因此聚丙烯材料弯曲模量较高，使得聚丙烯材料能够承受的最大拉伸应力和最大弯曲应力都得到提高；
本发明的材料对比普通改性聚丙烯材料物理性能指标，如表1所示。
表1不同聚丙烯复合材料物理性能指标
本发明制备的水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料拉伸强度可达20.2Mpa，弯曲模量可达1371Mpa，同时可以保留原有的韧性，满足当前汽车材料轻量化对于材料强度的要求，适用范围广，具有广泛的社会和经济效益。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：短链共聚聚丙烯70份、光稳定剂0.1份、硬脂酸钙0.3份、改性水滑石10份、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯4份、抗氧剂0.2份；其中光稳定剂为光稳定剂531，抗氧剂为抗氧剂DSTP；
其中改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将3g水滑石和200mL无水乙醇置于1000mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于65℃水浴中搅拌0.5h；
S2、将4g衣康酸在40℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用pH约为2的稀硝酸调节溶液至pH等于4，再搅拌7h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，55℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将短链共聚聚丙烯、光稳定剂531、硬脂酸钙、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯、抗氧剂DSTP加入搅拌机中，搅拌混合2min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石加入到搅拌机中，搅拌混合2min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为190℃、螺杆转速为350r/min、主机转速为20Hz、真空度为-0.06MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
实施例2：
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：短链共聚聚丙烯80份、光稳定剂0.4份、乙撑双硬脂酰胺0.6份、改性水滑石15份、马来酸酐接枝聚丙烯8份、硬脂酸钙0.5份、钛酸酯3份；其中光稳定剂为光稳定剂UV-TBS，抗氧剂为抗氧剂626；
其中改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将4g水滑石和250mL无水乙醇置于1000mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于70℃水浴中搅拌15h；
S2、将5g十二烷基磺酸钠在40℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用pH约为2的稀硝酸调节溶液至pH等于4，再搅拌8h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，60℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将短链共聚聚丙烯、光稳定剂UV-TBS、乙撑双硬脂酰胺、马来酸酐接枝聚丙烯、抗氧剂626加入搅拌机中，搅拌混合5min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石、钛酸酯加入到搅拌机中，搅拌混合3min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为220℃、螺杆转速为400r/min、主机转速为22Hz、真空度为0.08MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
实施例3：
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：短链共聚聚丙烯80份、光稳定剂0.2份、硬脂酸钙0.3份、改性水滑石10份、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯8份、钛酸酯0-3份；其中光稳定剂为光稳定剂326，抗氧剂1076；
其中改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将3g水滑石和250mL无水乙醇置于1000mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于70℃水浴中搅拌15h；
S2、将3g衣康酸和3g十二烷基磺酸钠混合，在40℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用pH约为2的稀硝酸调节溶液至pH等于4，再搅拌8h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，60℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将短链共聚聚丙烯、光稳定剂326、润滑剂、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯、硬脂酸钙加入搅拌机中，搅拌混合2min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石、钛酸酯加入到搅拌机中，搅拌混合2min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为190℃、螺杆转速为350r/min、主机转速为20Hz、真空度为-0.06MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
实施例4：
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：聚丙烯75份、光稳定剂0.3份、戊四醇硬脂酸酯0.5份、改性水滑石13份、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯6份、抗氧剂0.4份、环氧树脂2份；其中光稳定剂为光稳定剂326，抗氧剂626；
其中改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将4g水滑石和240mL无水乙醇置于1000mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于76℃水浴中搅拌1.3h；
S2、将12g衣康酸在60℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用pH约为2的稀硝酸调节溶液至pH等于4，再搅拌8h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，62℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将短链共聚聚丙烯、光稳定剂326、润滑剂、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯、硬脂酸钙加入搅拌机中，搅拌混合4min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石、环氧树脂加入到搅拌机中，搅拌混合2min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为210℃、螺杆转速为380r/min、主机转速为21Hz、真空度为0.03MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
实施例5：
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：聚丙烯72份、光稳定剂0.2份、润滑剂0.4份、改性水滑石12份、相容剂5份、抗氧剂0.3份、助剂1份；其中光稳定剂为光稳定剂531、光稳定剂UV-TBS和光稳定剂326混合而成；润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、硬脂酸钙、戊四醇硬脂酸酯混合而成；相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯按照质量比1:1混合而成；抗氧剂为抗氧剂1076、抗氧剂DSTP和抗氧剂626混合而成；助剂为钛酸酯、环氧树脂按照质量比1:2混合而成；
其中改性水滑石的制备方法，包括以下步骤：
S1、将4g水滑石和250mL无水乙醇置于1000mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于72℃水浴中搅拌0.8h；
S2、将5g衣康酸在48℃去离子水中溶解后倒入步骤S1的三口烧瓶中，用pH约为2的稀硝酸调节溶液至pH等于4，再搅拌8h，冷却，过滤，再用50％无水乙醇溶液和去离子水洗涤，58℃干燥至恒重，研磨后得到改性水滑石。
本实施例水滑石插层阻燃增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将聚丙烯、相容剂、抗氧剂、光稳定剂和润滑剂加入搅拌机中，搅拌混合5min，得到第一混合料；
S2、将改性水滑石、助剂加入到搅拌机中，搅拌混合3min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为200℃、螺杆转速为360r/min、主机转速为20Hz、真空度为-0.02MPa，所述挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
对比例：
本对比例聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：短链共聚聚丙烯80份、光稳定剂0.2份、硬脂酸钙0.3份、未改性水滑石10份、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯8份、抗氧剂0.25份、钛酸酯0.3份；其中光稳定剂为光稳定剂326，抗氧剂为抗氧剂1076；
本对比例聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取重量份的各个原料，将短链共聚聚丙烯、光稳定剂、硬脂酸钙、未改性水滑石、马来酸酐-苯乙烯共接枝聚丙烯、抗氧剂、钛酸酯加入搅拌机中，搅拌混合2min，得到第一混合料；
S2、将未改性水滑石、助剂加入到搅拌机中，搅拌混合2min，得到第二混合料；
S3、将第一混合料经挤出机的主喂料斗加入到挤出机中，将第二混合料经挤出机的第一段自然排气口侧边加入到挤出机中，经熔融、挤出，即可；其中，挤出机料筒温度为190℃、螺杆转速为350r/min、主机转速为20Hz、真空度为-0.06MPa，其中，挤出机为啮合式平行同向双螺杆挤出机。
表2不同聚丙烯复合材料物理性能指标
由表2看出，本发明制备水滑石插层增强聚丙烯材料，其中对比例(未改性水滑石)在燃烧过程中没有起到阻燃的作用，是因为对比例中水滑石在聚丙烯基体中分散不均匀。本发明实施例1-3中加入改性后水滑石，使得水滑石在基体中分散较均匀，在燃烧过程中水滑石脱氢带走热量，燃烧后的聚丙烯碳层附在水滑石残渣上形成较严密的隔绝层，阻碍了氧气的传播和分解产物的挥发，起到阻燃的作用。
综上所述，本发明中使用的改性水滑石是采用改性剂对水滑石进行有机改性，使得水滑石不仅层间距大，而且含有可反应的官能团(轻基、梭基、双键)，可与梭基或双键官能团反应的聚合物发生化学反应，增加水滑石和聚合物基体的界面作用，体系的拉伸强度和弯曲强度比纯聚丙烯都有提高，经过改性的水滑石可以较大幅度的提高聚丙烯材料的柔性，又不降低材料的强度，加入改性水滑石后，水滑石在聚丙烯材料中分布均匀，起到了架桥的作用，因此聚丙烯材料弯曲模量较高，使得聚丙烯材料能够承受的最大拉伸应力和最大弯曲应力都得到提高。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。