一种阻燃低烟聚苯乙烯复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及聚苯乙烯领域，具体涉及一种阻燃低烟聚苯乙烯复合材料的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 聚苯乙烯是重要的通用塑料之一，具有优良的加工性能、电绝缘性能、尺寸稳定性 和高透明性，且价格低廉，因而广泛应用于家用电器、办公设备、仪器仪表、汽车零部件、日 用器具及包装材料等。但聚苯乙烯遇火易燃烧，同时产生大量黑烟和有毒气体，限制了其在 某些场合的使用。为扩大使用范围，必须要对其进行阻燃改性。目前，国内外对聚苯乙烯阻 燃改性主要采用添加阻燃剂，但含卤阻燃剂由于在燃烧时生成腐蚀性的卤化氢，发烟量大， 危及健康。
[0003]目前，对于苯乙烯类聚合物材料，主要采用添加阻燃剂进行阻燃。常用的阻燃剂主 要有金属氢氧化物阻燃剂、氮系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、磷系阻燃剂、硅系阻燃剂等。通常使 用单一体系的阻燃剂需要添加达到一定用量时，才能达到阻燃的要求，但是随着阻燃剂添 加量的增加，材料的力学性能在下降，难以满足实际应用中对材料力学强度的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种阻燃低烟聚苯乙烯复合材料的制备方法，用以克服现有 技术中聚苯乙烯阻燃性能差的问题。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种阻燃低烟聚苯乙烯复合材料的 制备方法，包括以下步骤： 步骤一、依次取体积比为1 :〇. 2的苯乙烯和分散剂，并称取重量与苯乙烯体积的比例 为0. 025g :ImL的过氧化苯甲酰、重量与苯乙烯体积的比例为0. 4g : ImL的双（2, 3-二溴丙 基）反丁烯二酸酯，将苯乙烯、分散剂、过氧化苯甲酰和双（2, 3-二溴丙基）反丁烯二酸酯混 合后，室温下搅拌30min，然后在85~90°C下水浴加热并搅拌I. 5~2h，抽滤后干燥，制得聚苯 乙烯阻燃基体，备用； 步骤二、按照I :4 :0.03的体积比，依次称取乙醇、水和二乙烯苯进行混合，制得混合 溶液A，并在混合物溶液中依次加入苯乙烯单体、丙烯酸单体和过硫酸铵，制得混合溶液B， 在室温下，将混合溶液通入氮气15~20min除氧后，将混合溶液置于辐照瓶中，在室温下于 钴-60 γ福照场中福照，采用硫酸亚铁剂量计进行标定，当福射吸收剂量达到为13~30kGy， 终止辐射，制得聚合物，备用；其中，苯乙烯单体的重量与混合溶液A总体积的比例为 0. 25g :lmL，丙烯酸单体的重量与混合溶液A总体积的比例为0.0 lg :lmL，过硫酸铵的重量 与混合溶液A总体积的比例为0.0 Olg :ImL ; 步骤三、按照3 :97的体积比，量取KH570和乙醇混合后，制成体积浓度为3%的KH570/ 乙醇溶液，再按照3 :100的重量比，依次称取玻璃纤维和KH570/乙醇溶液，混合后搅拌 l〇h，晾干后，置于80°C烘箱中烘干，制得改性玻璃纤维，备用；称取重量比为I :3. 5的过 氧化苯甲酰和甲基乙烯基硅橡胶，将二者全部溶于二甲苯溶液中，然后加入重量为过氧 化苯甲酰和甲基乙烯基硅橡胶总重量0.1倍的改性玻璃纤维，在氮气气氛的烘箱中，在 100~110°C下加热I. 5~7h后，取出并采用去离子水清洗，干燥制得不熔填料，备用； 步骤四、按照100 :3 :150的重量比，依次称取可膨胀石墨、钛酸酯偶联剂和无水乙醇， 先将钛酸酯偶联剂和无水乙醇置于烧杯中，50°C温度下水浴搅拌lh，再加入可膨胀石墨，搅 拌3h，然后置于85°C烘箱中烘干，制得改性可膨胀石墨，备用； 步骤五、按照聚苯乙烯阻燃基体50~60份、聚合物10~15份、不熔填料5~10份、改 性可膨胀石墨5~15份、微胶囊化红磷5~15份、以及炭黑1~5份的重量份数，称取步骤一 制得的聚苯乙烯阻燃基体，置于转速为50~80r/min，前辊温度为175~185°C，后辊温度为 170~180°C的双辊开炼机中，待聚苯乙烯阻燃基体全部熔融后，将步骤四制备的改性可膨胀 石墨、微胶囊化红磷和炭黑加入双辊开炼机中，塑炼2min，然后将步骤二制得的聚合物和步 骤三制得的不熔填料加入到双辊开炼机中，塑炼8~10min后，出料，冷却10~15min，备用； 步骤六、将步骤五中得到的物料加入破碎机中，并将破碎后的物料置于转速为50~55r/ min的造粒机中进行造粒，造粒机机筒内温度为：一区170°C、二区175°C、三区180°C和四区 185°C，模具温度为195°C，制得聚苯乙烯复合材料。
[0006] 本发明中，步骤三采用的玻璃纤维为无碱或低碱玻璃纤维，长度为2~6毫米。
[0007] 本发明中，步骤四采用的可膨胀石墨，其粒径为180~270微米。
[0008] 本发明中，步骤五采用的微胶囊化红磷，平均粒径19微米，堆积密度0. 20~0. 21g/ cm3;步骤五采用的炭黑由导电炭黑和补强炭黑按1 :1~2的重量比混合而成。导电炭黑和补 强炭黑，一方面与可膨胀石墨配合使用能够使复合材料具有抗静电性能，使复合材料具有 双功能特性，扩大适用领域；另一方面，炭黑还具有一定的交联作用，燃烧后生成的残余物 表面致密，提高材料的阻燃性能。
[0009] 本发明添加的可膨胀石墨，一种石墨插层化合物，当受热达到一定程度，体积迅速 膨胀，从而形成一层很厚的多孔炭层，该炭层把阻燃主体和热源隔开，从而延缓或终止燃 烧。可膨胀石墨的粒径为180~270微米，膨胀时产生的可膨胀石墨粒子尺寸较大，有利于形 成阻隔保护炭层，有效覆盖聚合物基体表面的燃烧点，使燃烧残余物的质量提高。
[0010] 可膨胀石墨通过受热时在材料的表面形成膨胀炭层来屏蔽热量和氧气而达到阻 燃目的。可见炭层的质量是影响其发挥屏蔽作用的关键因素，炭层的质量包括炭层形态、密 度、粘度、导热系数等，其中炭层厚度和炭层强度是影响炭层屏蔽作用的关键因素，薄而脆 的炭层和膨胀炭层的阻燃作用存在较大差异，炭层必须同时具备高膨胀比和良好的力学稳 定性，才能发挥阻燃效果，炭层越厚，结构强度越高，炭层越致密，炭层的屏蔽和阻燃效果就 越好。本发明的目的，就是通过提高炭层厚度、结构强度和致密度来提高聚苯乙烯的阻燃性 能。只添加可膨胀石墨的聚苯乙烯复合材料，其燃烧后形成的炭层强度低，并且有大量的孔 隙，即使形成的较多的炭层也不能起到良好的屏蔽作用。本发明中的微胶囊化红磷可以作 为协效剂，与可膨胀石墨协同提高复合材料的阻燃性能。
[0011] 在体系中利用改性玻璃纤维制成不熔填料，提高了不熔填料与复合材料的粘结 性，进而提高复合材料的力学强度；同时由于玻璃纤维在复合材料燃烧的过程中自身不会 燃烧，可以提高燃烧物形成炭层的机械强度，进而提高阻燃效果。
[0012] 本发明的有益效果：（1)、本发明中的微胶囊化红磷可以作为协效剂，与可膨胀石 墨协同提高复合材料的阻燃性能，微胶囊化红磷除了能够促进聚苯乙烯阻燃基体成炭，在 气相中阻断燃烧链外，在材料燃烧时还能够生成粘稠的偏磷酸，在膨胀炭层的表面形成保 护层，促进可膨胀石墨之间的粘接，减少炭层的孔洞，使炭层表面致密，提高炭层的阻燃作 用。在燃烧的过程中还能观察到"飞灰"现象大为减少，烟尘较少，具有显著的抑烟作用。两 者协同使用，能够提高阻燃效率，降低阻燃剂填充量，降低生产成本。
[0013] (2)、本发明制得的不熔填料中，改性玻璃纤维和甲基乙烯基硅橡胶之间形成化学 键，加强了界面结合力，分子链间有较大程度的相互扩散，形成很强的缠结，提高复合材料 的力学性能；另一方面，甲基乙烯基硅橡胶能够提高材料的冲击强度，而玻璃纤维在复合材 料燃烧的过程中自身不会燃烧，可以提高燃烧物形成炭层的机械强度，进而提高阻燃效果。
[0014] (3)、本发明中，步骤二利用钴-60 γ辐照场中辐照，引发乙烯单体、丙烯酸单体和 过硫酸铵发生化学反应，引发丙烯酸酯的电离与激发，并生成苯乙烯-丙烯酸酯聚合物，实 现高分子交联网络的形成，这种交联可有效降低散烟性，减少燃烧时的熔滴、烟尘现象，从 而提尚阻燃性能。
[0015] (4)、步骤三生成的不熔填料，在玻璃纤维表面接枝上端部带有不饱和双键的烷偶 联剂ΚΗ570,该偶联剂与甲基乙烯基硅橡胶由引发剂过氧化苯甲酰引发聚合，使玻璃纤维与 硅橡胶大分子之间发生交联反应，将橡胶大分子链接枝到玻璃纤维表面，使其在复合材料 中达到良好分散。该不熔性填料可同时对复合材料起到增强增韧作用。
[0016] (5)、本发明制成的聚苯乙烯阻燃基体、苯乙烯-丙烯酸酯聚合物与微胶囊化红磷 对聚苯乙烯的阻燃具有协同作用，适量的微胶囊红磷可以有效地降低聚苯乙烯燃烧时的热 释放速率和热释放总量，而聚苯乙烯阻燃基体和苯乙烯-丙烯酸酯聚合物可以抑制可燃产 物的挥发，有效降