本发明属于材料领域，具体涉及一种复合改性无卤阻燃粉剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着环境保护意识的提升，环保型的塑料阻燃母粒已成为阻燃技术发展的趋势。传统的溴系阻燃剂，十溴二苯醚、四溴双酚a、八溴醚、八溴双s醚、tbc等，因为其对环保的危害以及其自身对人体的神经系统和免疫系统的毒害，已经完全不适应生产和使用的需要。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种复合改性无卤阻燃粉剂及其制备方法和应用。选用无机阻燃剂进行复配改性，依靠各组分的有机结合与协同作用，使其具有较好的阻燃效果，并在应用于阻燃母粒的制备时，与基础树脂的相容性好。
本发明采取的技术方案为：
一种复合改性无卤阻燃粉剂，包括以下重量份的原料：
硅烷偶联剂1-2份；
硬脂酸0.8-1.2份；
水滑石粉50-60份；
氢氧化铝粉20-25份；
滑石粉10-15份。
所述硅烷偶联剂为kh550。
所述水滑石粉的d97≤1μm。
所述氢氧化铝粉的d97≤10μm。
所述滑石粉的d97≤0.5μm。
以上配方的确定，充分考虑了以下三个方面的因素：
①、选用无卤、无毒、低烟、高效的环境友好型无机阻燃剂作为主要原料，杜绝卤系阻燃剂在燃烧过程中会生成大量的烟和有毒且具腐蚀性的气体，从而导致单纯由火所不能引起的对电路开关和其它金属物件的腐蚀及对环境的污染。
②、配方体系中两种以上的无机阻燃剂的配合使用，强化阻燃剂的“冷却效应”、“稀释效应”和“隔断效应”。
a、冷却效应：配方中氢氧化铝粉(ath)的使用就是通过其可以提高聚合物的热容，在受热时分解，这类分解反应会吸收大量的潜热，由此会降低材料表面的实际温度而使聚合物降解为低分子的速率减慢，减少可燃物的产生，从而提高其阻燃性能。
b、稀释效应：氢氧化铝粉(ath)在燃烧温度下都能释放出h2o、co2、n2等非可燃性气体，这些气体可同时稀释可燃性气体和表面氧气的浓度而使得燃烧不能进行，起到气相阻燃效果。水滑石粉是含水的镁铝碱式碳酸盐化合物，它是一类具有特殊结构的无机化合物，水滑石粉分解温度段既有低温段又有高温段，兼具了氢氧化铝粉(ath)和mg(oh)2阻燃剂的优点，更加强化了阻燃的稀释效应。
c、隔断效应：其一，由于水滑石粉独特的层状结构及层板组成和层间阴离子的可调变性，热降解产物促使聚合物表面迅速脱水炭化，进而形成炭化层，单质炭不会发生蒸发燃烧和分解燃烧，因此具有阻燃效果。其二，滑石粉和氢氧化铝粉(ath)在燃烧温度下会分解生成不挥发的玻璃状物质包覆在聚合物表面，这种致密的玻璃态保护层也起到了隔离膜。
③、水滑石粉、氢氧化铝粉、滑石粉三种不同晶型结构的超细无机阻燃粉体材料配合使用，达到粉体的晶型互补效应，不同的化学组成的差异能够有效弥补单一超细非金属粉体固有的性能缺陷，形成性能优势互补的超细无机粉体复合体，而小于1μm粒径的水滑石粉和滑石粉有助于发挥“小尺寸效应”，通过改性处理后达到阻燃体系中聚合物与无机阻燃剂之间优良的相容性与分散性，从而保证产品具有良好的拉伸、冲击等物理性能。
本发明还提供了所述复合改性无卤阻燃粉剂的制备方法，包括以下步骤：将水滑石粉加入粉体复合改性机中，再分别加入氢氧化铝粉、滑石粉和硬脂酸，高速搅拌并升温至100-110℃，保温8-10min；然后加入硅烷偶联剂，升温至150-165℃，保温6-8min，即可得到所述复合改性无卤阻燃粉剂。此种制备工艺得到的复合改性无卤阻燃粉剂中各无机粉体无团聚倾向，具有优良的加工流动性和分散性。且与基础树脂相容性好，使得其在树脂中的加入量即使较大时也不容易产生分层，起霜，花纹等问题。
所述高速搅拌的搅拌速度为1200转/分钟。
本发明还提供了所述的复合改性无卤阻燃粉剂在无卤阻燃母粒中的应用。通过向母粒的材料中加入本发明的复合改性无卤阻燃粉剂，可显著提升母粒制成的产品的阻燃性能。
进一步地，所述无卤阻燃母粒包括以下重量份的原料：
聚丙烯或聚乙烯80-110份；
抗氧剂0.01-0.3份；
复合改性无卤阻燃粉剂75-100份
聚丙烯蜡或聚乙烯蜡3-5份。
所述聚丙烯、聚乙烯的mrf分别为3～4g/10min、2～4g/10min；所述抗氧剂为抗氧剂1076。
所述无卤阻燃母粒的制备方法为：将所述配方量的原料在80-95℃温度区间搅拌5分钟得到混合好的物料，将混合好的物料加入到平行同向双螺杆挤出机中，挤出机各段的温度范围控制为150℃-180℃，熔体温度控制在155℃-175℃，熔体压力控制在5.0mpa以内进行造粒，即制得环保型无卤阻燃母粒。
本发明提供的所述无卤阻燃母粒配方中，通过各原料的配合及用量范围限定，所得的无卤阻燃母粒具有非常优异的加工热稳定性，无析出性能，耐水、耐光老化、无毒、不与其他添加剂产生副反应等特性，具有很强的经济和社会效益。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
1.原料廉价易得，安全无毒；
2.制备工艺简单，制备得到复合改性无卤阻燃粉剂的加工流动性和分散性良好；
3.应用多种环保型的阻燃成份的有机结合与协效作用使得阻燃母粒的阻燃效率远高于传统的阻燃剂，且使用方便、无毒害、环境友好。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明中的滑石粉和水滑石粉均为芜湖同达新材料科技有限公司生产，其余原料均为市售。
实施例1
一种复合改性无卤阻燃粉剂，包括以下重量份的原料：
硅烷偶联剂kh5502份；
硬脂酸印尼18011.0份；
水滑石粉60份；
氢氧化铝粉25份；
滑石粉15份。
所述水滑石粉的d97≤1μm；所述氢氧化铝粉的d97≤10μm；所述滑石粉的d97≤0.5μm。
所述复合改性无卤阻燃粉剂的制备方法为：将水滑石粉加入粉体复合改性机中，再分别加入氢氧化铝粉、滑石粉和硬脂酸印尼1801，高速搅拌并升温至100℃，保温10min；然后加入硅烷偶联剂，升温至152℃，保温8min，即可得到所述复合改性无卤阻燃粉剂。
将本实施例得到的复合改性无卤阻燃粉剂应用到无卤阻燃母粒的制备中，所述无卤阻燃母粒的配方为：
聚乙烯105份；
抗氧剂10760.1份；
复合改性无卤阻燃粉剂96份；
聚乙烯蜡h1104.2份；
所述聚乙烯的mrf为2～4g/10min。
其制备方法为：向复合改性无卤阻燃粉剂中加入聚乙烯蜡h110和抗氧剂1076、聚乙烯树脂继续在82℃温度区间搅拌5分钟得到混合好的物料；将混合好的物料加入到平行同向双螺杆挤出机中，进行挤出造粒，即制得环保型无卤阻燃母粒；所述挤出造粒的工艺参数为：挤出机各段的温度范围控制为150℃-180℃，熔体温度控制在162℃，熔体压力控制在5.0mpa以内进行造粒。
对本实施例得到的环保型无卤阻燃母粒的性能进行测试，结果如表1所示。将环保型无卤阻燃母粒别制成hdpe和pp制品，这两种制品的表面均无花纹、分层、起霜等质量问题，并测试其力学性能、及阻燃性能，结果如表2、表3所示。
表1
注：密度按照gb1033-2008的标准进行检测；熔融指数按照gb3682-2000的标准进行检测；重金属含量按照iec62321:2015的标准进行检测。
表2
注：阻燃性能按照ul94的标准进行检测；拉伸强度按照gb/t1040-2006标准进行检测；冲击性能按照标准astmd256-2010进行检测。
表3
注：阻燃性能按照ul94的标准进行检测；拉伸强度按照gb/t1040-2006标准进行检测；冲击性能按照标准astmd256-2010进行检测。
实施例2
一种复合改性无卤阻燃粉剂，包括以下重量份的原料：
硅烷偶联剂kh5501.8份；
硬脂酸印尼18011.2份；
水滑石粉50份；
氢氧化铝粉20份；
滑石粉15份。
所述水滑石粉的d97≤1μm；所述氢氧化铝粉的d97≤10μm；所述滑石粉的d97≤0.5μm。
所述复合改性无卤阻燃粉剂的制备方法为：将水滑石粉加入粉体复合改性机中，再分别加入氢氧化铝粉、滑石粉和硬脂酸印尼1801，高速搅拌并升温至108℃，保温8min；然后加入硅烷偶联剂kh550，升温至163℃，保温6min，即可得到所述复合改性无卤阻燃粉剂。
将本实施例得到的复合改性无卤阻燃粉剂应用到无卤阻燃母粒的制备中，所述无卤阻燃母粒的配方为：
聚丙烯100份；
抗氧剂10760.2份；
复合改性无卤阻燃粉剂85份
聚丙烯蜡3.5份。
所述聚丙烯的mrf为3～4g/10min。
其制备方法为：向复合改性无卤阻燃粉剂中加入聚丙烯蜡和抗氧剂1076、聚丙烯树脂继续在95℃温度区间搅拌5分钟得到混合好的物料；将混合好的物料加入到平行同向双螺杆挤出机中，进行挤出造粒，即制得环保型无卤阻燃母粒；所述挤出造粒的工艺参数为：挤出机各段的温度范围控制为150℃-180℃，熔体温度控制在172℃，熔体压力控制在5.0mpa以内进行造粒。
对本实施例得到的环保型无卤阻燃母粒的性能进行测试，结果如表1所示。将环保型无卤阻燃母粒别制成hdpe和pp制品，这两种制品的表面均无花纹、分层、起霜等质量问题，并测试其力学性能、及阻燃性能，结果如表2、表3所示。
比较例1
一种阻燃母粒，包括以下重量份的原料：
所述聚乙烯的mrf为2～4g/10min；所述的水镁石粉的d97≤5μm；所述电石渣的d97≤10μm；所述滑石粉的d97≤0.5μm。
比较例2
一种阻燃母粒，包括以下重量份的原料：
所述聚丙烯的mrf为3～4g/10min；所述的水镁石粉的d97≤5μm；所述电石渣的d97≤10μm；所述滑石粉的d97≤0.5μm。
将上述比较例1和比较例2配方制作的得到的无卤阻燃母粒制成hdpe和pp制品，这两种制品的表面有起霜、表面水纹等表观质量问题，并测试其力学性能、及阻燃性能，如表1、2所示，从表1和2可以看出，如果改变本发明的阻燃剂成分，且阻燃剂未经改性后直接作为母粒的原料，则得到的制品的阻燃性和力学性能均较差。
上述参照实施例对一种复合改性无卤阻燃粉剂及其制备方法和应用进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。