聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑阻燃材料及其制备方法与流程

本发明涉及高分子阻燃材料的制备、处理或配料的工艺过程，具体涉及一种聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑阻燃材料及其制备方法。

技术背景

聚乙烯由于其优异的力学性能、化学稳定性和易加工性等被广泛应用在日常生活的各个方面。但是由于聚乙烯本身极易燃、发热量大，燃烧速度快及燃烧时伴随着滴落，从而限制了其在对阻燃级别要求较高领域中的应用。随着全球范围巧安全环保意识的逐渐加强，传统的卤系阻燃剂受到越来越多的限制，无卤、低烟、低毒环保型阻燃高分子材料己成为人们追求的目标。金属氢氧化物是发展最早的环境友好型阻燃体系之一，但是较低的阻燃效率一直严重影响着其应用范围的扩展。

科琴黑是由极具原创性的特殊生产工艺制得，纯度高、性能高。科琴黑具有支链状的形态，且比较面积较大，容易与活性物质之间充分接触。将科琴黑作为填料填充至高分子基体中，由于其支链形态而易形成网络结构。基于此优点，将科琴黑引入至聚乙烯/金属氢氧化物体系中，科琴黑形成的网络结构在燃烧过程中可以形成物理阻隔层进而阻碍热量和质量的传递，提高金属氢氧化物的阻燃效率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述不足，将科琴黑引入到聚乙烯/金属氢氧化物体系中，制备得到一种阻燃性能、热稳定性和力学性能优良的聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑阻燃材料，该材料由按以下份数比(phr)的各组分制备而成：

聚乙烯100phr

金属氢氧化物125-140phr

科琴黑1-5phr。

本发明所述的聚乙烯为高密度聚乙烯。

本发明所述的金属氢氧化物为氢氧化铝或氢氧化镁；金属氢氧化物，环保便宜，容易获得。

本发明所述的科琴黑的纯度>99％，具有支链状形态，形貌见附图1。科琴黑和炭黑不一样，科琴黑是支链状形态，相比于炭黑的球状形态，科琴黑的机理是支链状形成网络；纳米炭黑的机理是捕捉自由基，且粒径影响较大，尺寸越小捕捉的效率可能越高。

本发明还提供一种聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑阻燃材料的制备方法，具体过程包括：将金属氢氧化物和科琴黑在70-90℃烘箱中干燥4-8h，然后按照配方比例将聚乙烯、金属氢氧化物和科琴黑搅拌后，加入至转矩流变仪中进行熔融共混：反应温度为170-190℃，转速为50-70r/min，反应时间为8-12min；即可得到黑色有金属光泽的块状阻燃聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑复合材料。

与现有技术相比，本发明具有的优点和有益的效果如下：

(1)本发明具有的科琴黑其为支链状形态，比表面积大，在高聚物基体中容易形成网络结构；将科琴黑加入到聚乙烯/金属氢氧化物材料中，科琴黑形成的网络结构作为物理阻隔层阻挡燃烧过程中热量和质量的传递，从而延缓燃烧过程；在阻燃剂加入相同份数的情况下，聚乙烯/金属氢氧化物/科琴黑复合材料的垂直燃烧等级和极限氧指数值均得到提高，峰值热释放速率和总烟气释放量均有所降低，金属氢氧化物和科琴黑用于阻燃聚乙烯中能够发挥协同作用。

(2)将金属氢氧化物和科琴黑复配使用加入至聚乙烯中，通过熔融共混制得阻燃聚乙烯材料。与单纯加入金属氢氧化物相比，在达到相同垂直燃烧等级的情况下，金属氢氧化物和科琴黑的共同使用可以降低阻燃剂的添加量，从而提高了阻燃材料的热稳定性和力学性能。

(3)本发明首次将科琴黑与聚乙烯和金属氢氧化物材料混合使用，配比简单，无需添加其它物质，充分利用科琴黑具有的支链形态结构，从而形成的网络结构在燃烧过程中可以形成物理阻隔层进而阻碍热量和质量的传递，提高金属氢氧化物的阻燃效率。

附图说明

图1科琴黑的透射电镜照片。

图2聚乙烯/氢氧化铝/科琴黑材料的热失重曲线。

图3聚乙烯/氢氧化铝/科琴黑材料的锥形量热曲线。

具体实施方式

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。

实施例

本发明实施例将氢氧化铝(ath)和科琴黑(kb)在85℃烘箱中干燥5h，然后将高密度聚乙烯(hdpe)、氢氧化铝和科琴黑搅拌后，加入至转矩流变仪中进行熔融共混，反应温度为180℃，转速为60r/min，反应时间为8min，得到混合均匀的复合材料即聚乙烯/氢氧化铝/科琴黑阻燃材料，具体配方如表1所示。

阻燃复合材料熔融共混后，将所制备得到的样品在180℃平板硫化机中预热5min后，升压至15mpa保温7min，保压自然冷却成型后用于各项性能测试。

表1.本发明实施例配方、热稳定性及阻燃性能

^at20％表示为样品热失重20wt％时的温度；

tmax表示为最大热失重速率时的温度，tmax1、tmax2分别对应第一、第二最大热分解速率。

本实施例热稳定性测试：取粉末样品5-10mg，在氮气氛围中采用热重分析仪测定，升温速率为20℃/min，温度范围为50-700℃。测试结果如表1所示，具体曲线见附图3。在相同阻燃剂添加量的情况下，科琴黑的加入可以提高聚乙烯/氢氧化铝材料的热分解温度和残炭量，且热稳定性随科琴黑含量的增加而提高。随着热稳定性得到改善，材料的应用范围也将扩大。

本实施例阻燃性能测试分为三个部分：极限氧指数测试、垂直燃烧测试和锥形量热测试，具体实施过程如下：

(1)极限氧指数测试(loi)按照gb/t2406-1993标准，在hc-2型氧指数仪上测试，样条尺寸为130×6×3mm³，每个样品测试15个样条，然后按照国标中规定的修正法，算出材料的氧指数。测试结果如表1所示。

(2)垂直燃烧测试(ul-94)按照gb/t2408-1996标准在czf-3型水平垂直燃烧测定仪上测试进行，试验样品尺寸为130×13×3mm³，每个样品测试5个样条，取均值，然后根据国标中的规定，参照实验结果评定材料的燃烧性。测试结果如表1所示。

(3)锥形量热测试(cone)据astme1354/iso5660标准测量，样品尺寸100*100*3mm³，热流35kw/m²。测试结果如表2所示，具体曲线见附图2。

表2.本发明实施例的锥形量热测试结果

^aphrr表示为峰值热释放速率；

thr表示为总热释放量；

tign表示为引燃时间；

tsp表示为总烟气释放量

加入科琴黑可以降低氢氧化铝的加入量，同时保持ul-94v0级别的垂直燃烧等级，可见科琴黑可以提升聚乙烯/氢氧化铝体系的垂直燃烧等级。同时，在不同含量氢氧化铝体系中加入的科琴黑含量越高，阻燃材料的极限氧指数值越高。锥形量热测试可以看出，在相同阻燃剂添加量的情况下，科琴黑的加入可以降低聚乙烯/氢氧化铝材料的峰值热释放速率和总烟气释放量。测试结果表明科琴黑和氢氧化铝在聚乙烯体系中存在协同阻燃效应。

本实施例力学性能测试：依照gb/t1040在拉伸试验机上进行，拉伸速度50mm/min，测试环境温度为25±2℃，试验样品数≥5个，数据取平均值，测试结果如表3所示。将科琴黑加入到聚乙烯/氢氧化铝体系中，材料的拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率均有所提高。综上可以看出，样品pe/ath136/kb4的阻燃性能、热稳定性和拉伸性能均优于样品pe/ath160。科琴黑在改善聚乙烯阻燃性能的同时不恶化其拉伸性能，这对聚乙烯的应用具有实际意义。

表3.本发明实施例的拉伸测试结果