本发明涉及改性尼龙6，具体涉及一种磷酸盐玻璃协效无卤阻燃尼龙6组合物及其制备方法，属于高分子材料阻燃改性技术领域。
背景技术：
尼龙6(聚酰胺6、pa6)具有良好的力学性能、热性能、自润滑性能、耐油性、加工性能等，尤其在机械、电子和电气工业等领域应用广泛。但尼龙6具有易燃性，且燃烧过程中伴随着严重的滴落，火灾隐患大，赋予尼龙6一定的阻燃性特别是无卤阻燃意义重大。目前对尼龙6比较有效的无卤阻燃剂为二乙基次膦酸铝(alpi)，当其用量为13wt％时，可使尼龙6通过ul94v-0@3.2mm阻燃等级，但alpi价格高，使用成本高。通过添加阻燃协效剂可降低二乙基次膦酸盐铝的用量，awirasaputra等(high-performanceflame-retardedpolyamide-6compositefabricatedbychainextension，macromolecularmaterials&engineering,2016,301(5):614-624.)以一种含磷环氧化合物dep与alpi复配阻燃尼龙6，由于dep分子结构中含有阻燃的磷元素和高活性的环氧基，对尼龙6同时具有阻燃协效和扩链作用，其加入不仅降低alpi的用量，还有利于力学性能的增加；单独添加17wt％alpi可使尼龙6达到ul-94v-0@1.6mm阻燃等级，而2wt％的dep与13wt％alpi复配可使尼龙6达到同样的阻燃等级，且拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都有一定程度的提高，但由于dep的扩链作用，所得材料的熔体流动速率相比纯尼龙6下降了59.1％，加工流动性能下降。
由氧化亚锡和五氧化二磷在一定温度下形成的磷酸盐玻璃，其结构如下，金属离子在中央，周围的磷氧四面体与金属离子通过配位键相互作用。在该二元组分磷酸盐玻璃熔制过程中，结构水分子可以破坏p-o-p键并形成以羟基封端的p-oh，降低玻璃网络尺寸从而降低玻璃的玻璃转变温度(tg)；熔制过程中五氧化二磷所占摩尔比高，结构中磷氧四面体增多，玻璃结构更容易被破坏，表现为较低的tg和更强的酸性；更高的熔制温度、更长的熔制时间都可以使磷酸盐玻璃的结构稳定，表现为tg升高，酸性降低。
磷酸盐玻璃的结构式
氧化亚锡和五氧化二磷熔制过程中加入氟化亚锡得到的磷酸盐玻璃tg更低，在高分子材料的加工温度下具有一定的流动性，并且含有阻燃的磷元素，用于尼龙阻燃改性不降低加工性能。中国发明专利(cn102276979a)利用氧化亚锡、氟化亚锡和五氧化二磷熔制的磷酸盐玻璃与三聚氰胺衍生物协效阻燃尼龙，得到了较高极限氧指数的尼龙复合材料，但由于该磷酸盐玻璃呈现较强的酸性，加入后使尼龙高分子链降解，严重降低力学性能。
技术实现要素：
本发明针对现有二乙基次膦酸铝阻燃尼龙6用量高，以及磷酸盐玻璃酸性强，用于改性尼龙6致使力学性能严重降低等缺陷，提供一种二乙基次膦酸铝用量为9.0％～11.0％，阻燃效果达到ul-94v-0@3.2mm阻燃等级，流动速率，拉伸强度都有较大幅度提升的磷酸盐玻璃协效无卤阻燃尼龙6组合物及其制备方法。
本发明采用三聚氰胺先与磷酸盐玻璃反应，得到近乎中性的三聚氰胺改性磷酸盐玻璃，再与二乙基次膦酸铝复配阻燃尼龙6，得到二乙基次膦酸铝用量降低并保持力学性能在较高水平、流动性好的无卤阻燃尼龙6组合物。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种磷酸盐玻璃协效无卤阻燃尼龙6组合物，按质量百分比计，其原料配方由如下组分组成：88.4％～90.1％的尼龙6、9.0％～11.0％的二乙基次膦酸铝、0.3％～1.0％的三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、0.1％～0.3％的抗氧剂和0.1％～0.2％的润滑剂；
所述三聚氰胺改性磷酸盐玻璃的制备方法包括以下步骤：
1)按摩尔比为(40～60):(40～60)称取氧化亚锡和五氧化二磷，混合均匀后于温度为450～650℃下熔制，冷却后将得到的产物粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末；
2)室温下，将三聚氰胺加入到乙醇中，超声混合，得到分散液；将分散液升温至60～80℃，加入步骤1)制得的磷酸盐玻璃粉末，控制温度为60～80℃，搅拌反应6～20h，趁热过滤，洗涤后干燥，得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；控制三聚氰胺与磷酸盐玻璃的质量比为(1～5):15。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述于温度为450～650℃下熔制是在马弗炉中熔制30～120min。
优选地，所述乙醇的用量为三聚氰胺质量的60～200倍。
优选地，所述超声混合的时间为10-30min。
优选地，所述搅拌反应的搅拌速率为200～280r/min。
优选地，所述洗涤为用乙醇洗涤；所述干燥为在50～80℃真空干燥箱中干燥6～12h。
优选地，所述抗氧剂为酚类抗氧剂和/或亚磷酸酯类抗氧剂；酚类抗氧剂为四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯或β-(4-羟基苯基-3,5-二叔丁基)丙酸正十八碳醇酯；亚磷酸酯类抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯或双(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯。
优选地，所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙或硅酮粉。
所述的磷酸盐玻璃协效无卤阻燃尼龙6组合物的制备方法：按质量百分比，将88.4％～90.1％的尼龙6、9.0％～11.0％的二乙基次膦酸铝、0.3％～1.0％的三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、0.1％～0.3％的抗氧剂和0.1％～0.2％的润滑剂分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，得到阻燃扩链尼龙6组合物。
优选地，所述双螺杆挤出机各分区温度控制在180～245℃。
本发明采用摩尔比为(40～60):(40～60)的氧化亚锡和五氧化二磷在特定的条件下熔制，得到tg在55℃到215℃之间的磷酸盐玻璃，再将其与三聚氰胺反应，磷酸盐玻璃表面的磷酸根与三聚氰胺结合，这样磷酸盐玻璃结构上环绕了三聚氰胺分子，呈现中性，并保持一定的流动性；由此还引入具有阻燃作用的氮元素，阻燃性能有所增强。二乙基次膦酸铝阻燃尼龙6主要通过在高温下受热分解，由p-o形成的po·自由基捕捉燃烧反应中的自由基，很大程度上降低有限空间内的氧含量，终止燃烧的链式反应，达到阻燃的目的，由于其主要在气相起作用，用量比较大。本发明以三聚氰胺改性磷酸盐玻璃协效二乙基次膦酸铝阻燃尼龙6，不仅其分子结构中的三聚氰胺在燃烧过程中形成不燃性气体，在气相稀释可燃气体或氧气起到阻燃作用，而且强酸性的磷酸盐将促进尼龙6快速降解，同时呈玻璃态的磷酸盐玻璃本身起到迅速凝固炭层的作用，所生成的炭层阻隔效果好，两者对尼龙6的阻燃产生显著的协效作用，将二乙基次膦酸铝的用量降到9.0wt％，且三聚氰胺改性磷酸盐玻璃的加入量仅为0.5wt％的条件下，尼龙6达到ul94v-0@3.2mm阻燃等级，并且组合物力学性能保持在较高水平，流动性好。
本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
1)本发明组分中所采用的三聚氰胺改性磷酸盐玻璃，与二乙基次膦酸铝复配，对尼龙6产生协效阻燃作用，阻燃效果良好。在阻燃等级达到ul-94v-0@3.2mm时，可使得二乙基次膦酸铝用量下降最高达30.8％，阻燃剂总用量下降26.9％。
2)相对于单独采用二乙基次膦酸铝的阻燃体系，三聚氰胺改性磷酸盐玻璃与二乙基次膦酸铝协同阻燃尼龙6体系熔体流动速率提升了14.5％，且拉伸强度提高了9.0％。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明实施方式进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。
本发明所用尼龙6为中国台湾集盛实业股份有限公司产品，牌号tp4208；二乙基次膦酸铝为德国clariantchemicals公司产品，牌号op1230。
所用抗氧剂为四(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸)季戊四醇酯(牌号：抗氧剂1010)；亚磷酸酯类抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯(牌号：抗氧剂168)；抗氧剂1010与抗氧剂168以1:1的质量比复合配制的抗氧剂(牌号：抗氧剂b225)。
所用硅酮粉为凯杰塑料增韧材料有限公司，牌号kj-b01产品。
实施例1：
(1)称取40.41g氧化亚锡和42.60g五氧化二磷(摩尔比50:50)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为500℃的马弗炉中熔制60min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为123℃；
(2)室温下，将2g三聚氰胺加入200g的乙醇中，超声混合20min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及260r/min的搅拌速率下反应12h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于70℃真空干燥箱中干燥10h，得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将897g尼龙6、95g二乙基次膦酸铝、5g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、2g抗氧剂b225和1g硬脂酸钙分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
实施例2：
(1)称取32.33g氧化亚锡和51.12g五氧化二磷(摩尔比40:60)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为500℃的马弗炉中熔制60min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为55℃；
(2)室温下，将5g三聚氰胺加入300g的乙醇中，超声混合30min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及200r/min的搅拌速率下反应20h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于50℃真空干燥箱中干燥12h得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将884g尼龙6、110g二乙基次膦酸铝、3g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、2g抗氧剂b225和1g硬脂酸分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
实施例3：
(1)称取48.49g氧化亚锡和34.08g五氧化二磷(摩尔比60:40)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为500℃的马弗炉中熔制60min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为183℃；
(2)室温下，将1g三聚氰胺加入200g的乙醇中，超声混合10min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及280r/min的搅拌速率下反应6h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于80℃真空干燥箱中干燥6h得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将886g尼龙6、100g二乙基次膦酸铝、10g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、2g抗氧剂1010和2g硬脂酸钙分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
实施例4：
(1)称取40.41g氧化亚锡和42.60g五氧化二磷(摩尔比50:50)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为650℃的马弗炉中熔制120min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为215℃；
(2)室温下，将1g三聚氰胺加入200g的乙醇中，超声混合10min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及280r/min的搅拌速率下反应6h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于80℃真空干燥箱中干燥6h得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将897g尼龙6、90g二乙基次膦酸铝、10g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、2g抗氧剂168和1g硬脂酸钙分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
实施例5：
(1)称取40.41g氧化亚锡和42.60g五氧化二磷(摩尔比50:50)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为450℃的马弗炉中熔制60min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为77℃；
(2)室温下，将4g三聚氰胺加入240g的乙醇中，超声混合30min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及240r/min的搅拌速率下反应18h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于60℃真空干燥箱中干燥12h得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将893g尼龙6、100g二乙基次膦酸铝、3g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、2g抗氧剂b225和2g硅酮粉分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
实施例6：
(1)称取40.41g氧化亚锡和42.60g五氧化二磷(摩尔比50:50)放于陶瓷研钵中，用钵杵混合均匀后转入200ml氧化铝陶瓷坩埚中，然后将其放入另500ml坩埚中，在200ml坩埚周围放置过量碳粉来保持还原气氛，加盖后放置于温度为500℃的马弗炉中熔制30min，立即取出，趁热将玻璃熔体倒在铁板上淬冷，利用高速粉碎机粉碎，得到磷酸盐玻璃粉末，测得tg为112℃；
(2)室温下，将2g三聚氰胺加入200g的乙醇中，超声混合20min，得到分散液；将分散液升温至78℃，加入步骤(1)制得的磷酸盐玻璃粉末15g，在该温度以及260r/min的搅拌速率下反应12h，趁热过滤，用乙醇洗涤后于70℃真空干燥箱中干燥10h得到三聚氰胺改性磷酸盐玻璃；
(3)将901g尼龙6、90g二乙基次膦酸铝、5g步骤(2)所制三聚氰胺改性磷酸盐玻璃、3g抗氧剂1010和1g硬脂酸钙分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得无卤阻燃尼龙6组合物。
对比例1：
将867g尼龙6、130g二乙基次膦酸铝、2g抗氧剂b225和1g硬脂酸分散混合均匀后，通过双螺杆挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、切粒、干燥，制得单alpi无卤阻燃尼龙6组合物。
所用双螺杆挤出机型号为lte26/40(德国labtech公司),螺筒各分区温度为第一区：180℃，第二区：235℃，第三区：240℃，第四区：240℃，第五区：240℃，第六区：240℃，第七区：240℃，第八区：240℃，第九区：240℃，机头：245℃，喂料速度为25r/min，主机转速为180r/min。
将实施例1～6所制备的阻燃扩链尼龙6组合物粒料和对比样1粒料按标准注塑成测试样条，垂直燃烧按ul94-2009进行测试，拉伸性能按astmd-638进行测试，弯曲性能按astmd-790进行测试，缺口冲击强度按astmd-256进行测试。熔体流动速率采用astmd-1238标准测试，测试温度为235℃，所用载荷为2.16kg。
磷酸盐玻璃的tg采用差示扫描量热仪(德国netzsch公司dsc-204fi)测定，所用升温程序为：n2氛围，先从30℃升至260℃，升温速率为20℃/min，然后恒温5min；再从260℃降至30℃，降温速率为10℃/min，然后恒温5min；最后从30℃升至260℃，升温速率为10℃/min，tg为dsc曲线上的第一个拐点，相当于玻璃态曲线和过冷液体曲线相交处的温度。
表1纯样、实施例1～6以及对比例1的性能测试结果
从表中实施例1～6的性能结果可以看出，本发明由于三聚氰胺改性磷酸盐玻璃对二乙基次膦酸铝阻燃尼龙6在凝固相呈现显著的协效阻燃作用，以及良好的加工流动性，所得无卤阻燃尼龙6组合物达到ul-94v-0@3.2mm的总用量从单独采用二乙基次膦酸铝阻燃的13wt％降至约9.5wt％，且流动性能和力学性能明显改善。以0.5wt％三聚氰胺改性磷酸盐玻璃与9.0wt％二乙基次膦酸铝复配阻燃尼龙6，总用量为9.5wt％(实施例6)时，阻燃等级达到ul-94v-0@3.2mm。相比于单独13wt％二乙基次膦酸铝阻燃尼龙6的对比例1，阻燃剂总用量下降26.9％，二乙基次膦酸铝用量下降30.8％，两者产生协效阻燃作用，复配阻燃效果良好；同时，实施例6的无卤阻燃尼龙6组合物的流动性良好，熔体流动速率为19.8±0.4g/10min，相对于纯尼龙6的25.4g/10min有所下降，但比对比例1增加了14.5％，流动性能良好；此外，拉伸强度为66.7±0.3mpa，比对比例1提高9.0％，拉伸性能增加。
由上可知，本发明提供的一种磷酸盐玻璃协效无卤阻燃尼龙6组合物克服了单独使用二乙基次膦酸铝阻燃用量大、材料各性能明显下降的缺点，得到了加工性能和力学性能良好的无卤阻燃尼龙6组合物。