本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种无卤阻燃聚丙烯材料及其制备方法和应用。
背景技术：
聚丙烯(pp)是一种热塑性塑料，其比重轻，成品表面硬度大，弹性高，耐热性、化学稳定性、绝缘性良好，被广泛应用于诸多领域，是最有希望实现通用塑料工程化的塑料品种之一。由于聚丙烯由碳氢元素组成的丙烯单体聚合而成，其分子骨架结构决定了普通的聚丙烯材料不具有阻燃性，遇火即燃，极限氧指数(loi)仅为17.4-18.5，且燃烧时熔滴严重，容易传播火焰引起火灾，这些缺陷使其在应用过程中存在不安全因素。在阻燃条件要求高的环境中，如pp材料制备的用来容纳易燃性固体、液体或气体的塑料桶，就必须对pp进行改性，使之符合阻燃特性要求。目前主要是通过添加阻燃剂来提高pp的阻燃性能。
随着人们环保意识的不断加强，对于阻燃剂产品的环保要求也越来越严格。含卤阻燃剂虽与材料相容性好、对材料的性能影响小，但是由于其在燃烧时发烟量大、产生卤化氢等大量的有毒气体，以及有可能产生致癌的二噁英，对人类自身及其环境产生危害，因而越来越多的人转而选择无卤阻燃剂。
氮磷阻燃剂因氮磷的协同效应而具有较高的阻燃效果、优异的热稳定性，被广泛应用于pbt、pa66、abs等工程塑料的阻燃处理，在氮磷阻燃剂中添加三氧化二锑(sb2o3)，sb2o3作为阻燃助剂，可进一步提高氮磷阻燃剂的阻燃性能。但是三氧化二锑与氮磷阻燃剂最佳的协同配比因应用基体不同而不同，且二者的配比比较显著地影响阻燃剂与基体之间的相容性，从而影响阻燃剂阻燃效果的发挥以及材料的力学性能。
技术实现要素：
本发明的目的提供一种无卤阻燃聚丙烯材料，该pp材料具有优异的阻燃效果、抗氧化性和力学性能，且制备该pp材料的方法简单，实用性极强，并且易于实现工业化生产。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种无卤阻燃聚丙烯材料，所述无卤阻燃聚丙烯材料包括以下重量百分比的组分：
均聚聚丙烯：32.4～45.4％，
共聚聚丙烯：30～35％，
三氧化二锑：7～8％，
氮磷阻燃剂：16～22％，
抗氧剂：0.8～1.6％，
加工助剂：0.8～1.0％。
本发明使用均聚聚丙烯和共聚聚丙烯作为无卤阻燃聚丙烯材料的基体，使得基体具有良好的力学性能，使用三氧化二锑和氮磷阻燃剂作为阻燃剂，发挥二者协同阻燃效应。经过不断研发，得到各组分最优配方比，各组分在上述最优配方比下，阻燃剂与聚丙烯相容性较好，阻燃剂之间复配的协同效果较佳。
所述氮磷阻燃剂选用石家庄齐博化工有限公司生产的型号为qb-b01的氮磷阻燃剂。
作为优选，所述均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的重量比为(1.1-1.5)：1。均聚聚丙烯和共聚聚丙烯按照本发明的配比复合使用，二者形成的复杂网络结构，提高材料的力学性能，并且使得氮磷阻燃剂和三氧化二锑在这复杂网络结构中均匀分散，提高相互之间的相容性。
作为优选，所述氮磷阻燃剂和三氧化二锑的重量比为(2.2-2.8)：1。sb2o3在燃烧初期，首先是熔融，在材料表面形成保护膜隔绝空气，通过内部吸热反应，降低燃烧温度，同时在高温状态下三氧化二锑被气化，稀释了空气中氧浓度，从而起到阻燃作用。氮磷阻燃剂因元素间的增效和协同作用而具有良好的阻燃作用。理论而言，三氧化二锑与氮磷阻燃剂并用，极易产生n-p-sb协同效应，提高材料的阻燃效果和力学性能，但是在实际操作中，需要考虑sb2o3与氮磷阻燃剂和基体材料的相容性。二者使用本发明中的重量比，使二者与聚丙烯基体的相容性提高，最大程度发挥阻燃协同效应。
作为优选，所述三氧化二锑为环糊精包裹三氧化二锑。环糊精为特殊的环状结构，其具有疏水的空腔，三氧化二锑通过特殊的制备方法容易进入环糊精疏水空腔，形成的环糊精包覆三氧化二锑因颗粒表面环糊精的亲水键存在，从而大大提高了其与材料基体的相容性，加强了三氧化二锑与氮磷阻燃剂的协同效应。此外，环糊精因其特殊的环状结构，自身就具有良好的成炭性能和热稳定性能，从而进一步增加阻燃剂的阻燃效果。
作为优选，所述环糊精包裹三氧化二锑的制备方法为：将环糊精分散于乙醇中，3000～5000r/min搅拌20～40min，然后升温至80～100℃，加入三氧化二锑，300～500r/min持续搅拌，保温反应3～5h，过滤、洗涤、干燥。所述环糊精为β-环糊精，含有6-12个葡萄糖单元。通过本发明的制备方法使得三氧化二锑在环糊精乙醇悬浮液中，极易进入环糊精的疏水空腔，从而形成环糊精包裹三氧化二锑。
作为优选，所述环糊精与三氧化二锑的摩尔比为(1.2-1.5)：1。环糊精的量太少，无法完全包裹三氧化二锑，游离的三氧化二锑依旧会影响阻燃剂与基体的相容性；环糊精量太多，完全包裹三氧化二锑后，多余的环糊精继续沉积在三氧化二锑表面，形成厚厚的一环糊精层，影响阻燃效果。
作为优选，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂1135、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂dltp中的一种或多种。进一步优选，所述的抗氧剂为抗氧剂168和抗氧剂dltp的复配，抗氧剂168与抗氧剂dltp的质量比(1～2):1。
作为优选，所述加工助剂为pe蜡、乙撑双硬脂酰胺(ebs)、硬脂酸钙、硅酮中的一种或多种。
为了达到本发明的另一个目的，采用如下技术方案：一种无卤阻燃聚丙烯材料的制备方法，该制备方法包括：按照重量百分比称取各组分，混合均匀后，加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速25-31hz，温度为210-230℃。
将各组分称量后在转速为400-600rmp/min的高速混料机中混合4-6min，使各组分混合均匀。
一种无卤阻燃聚丙烯材料在容纳易燃物质的塑料桶中的应用。特别地，该无卤阻燃聚丙烯材料应用于容纳保险粉(连二亚硫酸钠)的塑料桶中。
本发明使用均聚聚丙烯和共聚聚丙烯作为基体，三氧化二锑和氮磷阻燃剂作为阻燃剂，在本发明最优配比下，各成分之间相容性好，材料力学性能好、阻燃效果佳，能很好地应用于容纳易燃物质的塑料桶中。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
本实施例中的均聚pp为上海赛科的s2040，共聚pp为中石化的k9829h，氮磷阻燃剂为齐博化工的qb-b01。
实施例1
均聚聚丙烯：33.6％，共聚聚丙烯：35％，三氧化二锑：7％，氮磷阻燃剂：22％，抗氧剂168：1.4％，硬脂酸钙：1.0％；
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例2
均聚聚丙烯：36.6％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：7％，氮磷阻燃剂：22％，抗氧剂168：1.4％，硬脂酸钙：1.0％；
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例3
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂168：1.4％，硬脂酸钙：1.0％；
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例4
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例5
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；其中，环糊精包覆三氧化二锑的制备方法为：按照环糊精与三氧化二锑的摩尔比为1：1称取各原料，将环糊精分散于无水乙醇中，4000r/min搅拌30min，然后升温至80℃，加入三氧化二锑，以500r/min持续搅拌，保温反应4h，离心过滤后，无水乙醇洗涤，放于60℃的真空干燥箱中干燥，得环糊精包覆三氧化二锑。
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例6
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；其中，环糊精包覆三氧化二锑的制备方法为：按照环糊精与三氧化二锑的摩尔比为1.5：1称取各原料，将环糊精分散于无水乙醇中，4000r/min搅拌30min，然后升温至80℃，加入三氧化二锑，以500r/min持续搅拌，保温反应4h，离心过滤后，无水乙醇洗涤，放于60℃的真空干燥箱中干燥，得环糊精包覆三氧化二锑。
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为400rmp/min的高速混料机中混合4min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为25hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
实施例7
均聚聚丙烯：40％，共聚聚丙烯：33％，三氧化二锑：7％，氮磷阻燃剂：18％，抗氧剂dltp：0.4％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：0.9％；
以100kg计，按照上述重量百分比称取各组分，将各组分称量后在转速为500rmp/min的高速混料机中混合5min，使各组分混合均匀。将上述混合料加入双螺杆挤出机中，挤出造粒；其中，双螺杆挤出机主机转速为29hz，温度为210-230℃。对成品混合均匀取样，用注塑机制成哑铃状iso标准和3.2mm阻燃测试样条，对材料依据力学性能要求和阻燃性进行各项性能测试。
对比例1
均聚聚丙烯：68％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；制备过程与实施例4相同，不在此赘述。
对比例2
均聚聚丙烯：28％，共聚聚丙烯：40％，三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；制备过程与实施例4相同，不在此赘述。
对比例3
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：10％，氮磷阻燃剂：19.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；制备过程与实施例4相同，不在此赘述。
对比例4
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，三氧化二锑：5.6％，氮磷阻燃剂：24％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；制备过程与实施例4相同，不在此赘述。
对比例5
均聚聚丙烯：36％，共聚聚丙烯：32％，环糊精和三氧化二锑：8％，氮磷阻燃剂：21.6％，抗氧剂dltp：0.7％，抗氧剂168：0.7％，硬脂酸钙：1.0％；其中，按照环糊精与三氧化二锑的摩尔比为1.8：1进行物理混合。制备过程与实施例4相同，不在此赘述。
实施例1-7和对比例1-5的检测性能结果如表1所示。
表1实施例1-7和对比例1-5的性能数值
实施例5和实施例6使用环糊精包裹三氧化二锑，其中实施例6为本发明的最优实施例，性能参数最好，对比例5为环糊精与三氧化二锑的简单物理混合，这种混合方式对材料性能的提升没有任何帮助。对比例1-4的实验方案未使用本发明的配比，其阻燃性能和力学性能相对实施例1-7都有不同程度的降低。
另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。