短玻纤增强阻燃聚丙烯材料、应用和制备方法与流程

1.本发明涉及高分子材料领域，具体而言，涉及一种短玻纤增强阻燃聚丙烯材料、应用和制备方法。


背景技术：

2.聚丙烯(pp)作为一种加工便捷、性能优异的塑胶材料，被广泛应用在生活的各个方面，但其易燃性使得材料在使用过程中受到了极大的限制。特别是在家电类产品材料使用上，为确保塑胶材料在高温通电下使用过程中，没有因电路短暂放热或长期高温下使用而着火，因此对材料进行阻燃改性是必不可少的。
3.然而在灯饰产品上，阻燃pp材料大量使用过程中发现，作为白色的灯体材料，还需要有较强的光线遮蔽性。普通的聚丙烯材料遮光效果差，在强光灯源的照射下，光线会从灯体盒身溢出，甚至可以看清灯体内部的发光二极管电路片，呈整体发光的现象。因此需要灯体材料在满足阻燃性的同时，还要具有遮光的效果。
4.与此同时，产品自身的刚性和强度也是影响产品使用的重要因素。一般的阻燃pp材料，弯曲模量在1500～1800左右，相较于abs、pc类灯体材料而言，刚性和强度较低，在薄壁类产品上，整体偏软，因此，考虑设计一款纤维增强阻燃pp材料。但玻纤增强后的产品存在一个较大的弊端，那就是材料韧性较差，特别是薄壁类产品，受到挤压变形后容易破裂，主要反应在材料断裂伸长率低，抵抗外力变形能力差，这也是阻碍其应用的主要因素。如何制备强度高、韧性好的薄壁类产品成为目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种短玻纤增强阻燃聚丙烯材料、应用和制备方法，以解决现有技术中薄壁类产品遮光性差、受挤压容易破裂的问题。
6.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种短玻纤增强阻燃聚丙烯材料，该短玻纤增强阻燃聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：50～65份的聚丙烯树脂，20～25份的短玻纤，3～5份的相容剂，8～12份的钛白粉，3～5份的阻燃剂，0.01～0.03份的炭黑，0.3～0.6份的抗氧剂，0.3～0.8份的光稳定剂，0.2～0.5份的润滑剂和0.2～0.5份的石蜡油。
7.进一步地，聚丙烯树脂为注塑级，优选的，聚丙烯树脂的熔融指数在230℃、2.16kpa条件下大于等于10g/10min。
8.进一步地，短玻纤为短切原丝，短玻纤的直径为11～14μm，短切长度为3～3.5mm；优选的，短玻纤的直径为13μm，短切长度为3mm；优选的，短玻纤的表面涂覆有硅烷基浸润剂。
9.进一步地，阻燃剂为氮、磷、溴协效阻燃剂，优选阻燃剂的密度为1.7～1.9g/cm3；更优选，阻燃剂的白度＞93，溴含量＜30％，磷含量＞20％。
10.进一步地，相容剂为马来酸酐接枝物，优选的，相容剂的熔融指数为70～100g/
10min，相容剂的功能基团含量为0.6～1wt％；和/或，钛白粉为金红石型钛白粉；和/或，光稳定剂为巴斯夫770、uv531和uv326中的任意一种或者多种；和/或，抗氧剂为抗氧剂1010、1076和168中的任意一种或者多种；和/或，润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸镁和聚乙烯蜡中任意一种或者多种。
11.根据本技术的另一个方面，提供了上述任一种的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料在灯饰上的应用。
12.根据本技术的又一个方面，提供了上述任一种的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，按重量份称取各原料，将聚丙烯树脂、相容剂、石蜡油、炭黑、抗氧剂、光稳定剂、润滑剂、钛白粉和短玻纤混合均匀，得到共混材料；步骤s2，将共混材料，从双螺杆挤出机的主喂料口加入进行剪切熔融；步骤s3，将阻燃剂从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，挤出造粒，得到短玻纤增强阻燃聚丙烯材料。
13.进一步地，步骤s1包括：先将聚丙烯树脂、相容剂和石蜡油加入搅拌锅搅拌；再加入炭黑、抗氧剂、光稳定剂、润滑剂进行搅拌，最后加入钛白粉和短玻纤进行搅拌，得到共混材料。
14.进一步地，双螺杆挤出机的前端运输段采用自扫型螺纹元件；优选的，双螺杆挤出机的剪切区段螺纹元件采用错列角为45
°
剪切+45
°
剪切+60
°
剪切的排列组合；优选的，双螺杆挤出机的排气区上游设置反向螺纹元件。
15.进一步地，双螺杆挤出机的第一区域温度为150～170℃，第二区域温度为160～180℃，第三区域温度为160～180℃，第四区域温度为170～190℃，第五区域温度为170～190℃，第六区域温度为180～200℃，第七区域温度为180～200℃，第八区域温度为190～210℃，第九区域温度为190～210℃，第十区域温度为190～210℃，机头温度为190～210℃。
16.应用本发明的技术方案，短玻纤增强阻燃聚丙烯材料由于加入了短玻纤、相容剂、钛白粉、阻燃剂、石蜡油等成分，不仅具有较好的阻燃性，而且具有较好较强的光线遮蔽性和镭雕效果，相较于传统的玻纤增强pp材料，不仅刚性和强度大大提升，且具有良好的抗变形能力，可广泛应用于灯饰产品上。
具体实施方式
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
18.如本技术背景技术所分析的，现有技术中薄壁类产品上，遮光性较差，整体偏软，采用玻纤增强后，刚性和强度提升，但是材料韧性较差，收到挤压变形后容易破裂，抵抗外力变形能力差，为了解决该问题，本技术提供了一种短玻纤增强阻燃聚丙烯材料、应用和制备方法。
19.根据本技术的一种典型的实施方式，提供了一种短玻纤增强阻燃聚丙烯材料，该短玻纤增强阻燃聚丙烯材料由以下重量份的原料制成：50～65份的聚丙烯树脂，20～25份的短玻纤，3～5份的相容剂，8～12份的钛白粉，3～5份的阻燃剂，0.01～0.03份的炭黑，0.3～0.6份的抗氧剂，0.3～0.8份的光稳定剂，0.2～0.5份的润滑剂和0.2～0.5份的石蜡油。
20.上述短玻纤增强阻燃聚丙烯材料由于加入了短玻纤、相容剂、钛白粉、阻燃剂、石蜡油等成分，不仅具有较好的阻燃性，而且具有较好较强的光线遮蔽性和镭雕效果，相较于
传统的玻纤增强pp材料，不仅刚性和强度大大提升，且具有良好的抗变形能力，可广泛应用于灯饰产品上。
21.上述聚丙烯树脂可在现有技术中进行选择，在一些实施例中，为了进一步提高短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的性能，优选采用高结晶性、中流动性、高刚性的注塑级聚丙烯pp树脂。在一些实施例中，聚丙烯树脂的熔融指数在230℃、2.16kpa条件下大于等于10g/10min，制成的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料综合性能更加。
22.上述短玻纤可以从现有技术中进行选择，优选的，短玻纤为短切原丝，能够增强塑料的热塑性，在一些实施例中，短玻纤的直径为11～14μm，短切长度为3～3.5mm；其中，直径为13μm、短切长度为3mm的短玻纤不仅来源丰富，且对短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的性能提升明显。为了进一步提升短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的性能，短玻纤的表面涂覆有硅烷基浸润剂。
23.上述阻燃剂可以从本领域技术人员公知的种类中进行选择，例如，氮、磷、溴协效阻燃剂，在一些实施例中，上述氮、磷、溴协效阻燃剂的密度为1.7～1.9g/cm3，优选的，上述阻燃剂的白度＞93，溴含量＜30％，磷含量＞20％，不仅阻燃效果好，且有助于提升本技术的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的综合性能。
24.相容剂能够提升各组分尤其是填料与树脂的相容性，在一些实施例中，上述相容剂为马来酸酐接枝物，优选的，马来酸酐接枝物的熔融指数为70～100g/10min，功能基团含量为0.6～1wt％，能够进一步提高填料与树脂的相容性。
25.在一些实施例中，上述钛白粉为金红石型钛白粉，其二氧化钛纯度较高、重金属含量较低、遮盖力强，应用于本技术的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料中，可以进一步改善其遮光能力，且可以和其他材料良好融合，使其具有较好的韧性和镭雕效果。
26.上述石蜡油的作用在于使小剂量的粉料助剂粘附在聚丙烯树脂表面，有助于各组分均匀分布，并提高不同组分间的粘结强度，进而短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的强度和抗变形能力。上述光稳定剂、抗氧剂和润滑剂可以从现有技术中进行选择。在一些实施例中，光稳定剂为巴斯夫770、uv531和uv326中的任意一种或者多种；在一些实施例中，抗氧剂为抗氧剂1010、1076和168中的任意一种或者多种；在一些实施例中，润滑剂为乙烯基双硬脂酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸镁和聚乙烯蜡中任意一种或者多种。上述炭黑的作用是对光进行吸收，提升遮光效果，优选采用浓度高，分散性好，轻、松而极细的炭黑粉末。
27.根据本技术的另一种典型的实施方式，提供了一种上述任一种的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料在灯饰上的应用。上述短玻纤增强阻燃聚丙烯材料不仅具有较好的阻燃性，而且具有较好较强的光线遮蔽性和镭雕效果，相较于传统的玻纤增强pp材料，不仅刚性和强度大大提升，且具有良好的抗变形能力，可广泛应用于灯饰产品上。
28.根据本技术的又一种典型的实施方式，提供了上述任一种的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，按重量份称取各原料，将聚丙烯树脂、相容剂、石蜡油、炭黑、抗氧剂、光稳定剂、润滑剂、钛白粉和短玻纤混合均匀，得到共混材料；步骤s2，将共混材料，从双螺杆挤出机的主喂料口加入进行剪切熔融；步骤s3，将阻燃剂从双螺杆挤出机的侧喂料口加入，挤出造粒，得到短玻纤增强阻燃聚丙烯材料。
29.本技术将短玻纤从双螺杆主喂料加入，使得玻纤完全通过双螺杆的剪切，相较于传统的短玻纤从挤出机中部位置的侧喂料口加入的加料方式，该加料方式下，短玻纤可被
剪切的细碎，牺牲掉部分玻纤的增强性能，但同时可高材料的抗变形破裂的能力，直观反应出断裂伸长率的提升。除此以外，由于阻燃剂对热比较敏感，加上玻纤材料需要较强的剪切，容易产品较强的剪切热，将阻燃剂从侧喂料口加入挤出机内，确保阻燃剂在挤出机内停留时间短，不被分解，提供更好的阻燃效果。通过该方法制备的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料机械性能好，便于注塑，具有较高的刚性和强度，抗变形能力好，尤其是适宜于制备高强度、高韧性的薄壁类产品。另外，应用该方法制备的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料镭雕效果好，字迹清晰。
30.在本技术的一些实施例中，上述步骤s1包括：按重量份称取各原料，先将聚丙烯树脂、相容剂和石蜡油加入搅拌锅搅拌，确保石蜡油均匀附着在塑料粒子表面；再加入炭黑、抗氧剂、光稳定剂、润滑剂进行搅拌，确保用量较少的助剂能均匀附着在塑料粒子表面，最后加入用量较大的钛白粉和短玻纤进行搅拌，有助于得到混合更为均匀的共混材料。
31.在本技术的一些实施例中，为了进一步提高短玻纤增强阻燃聚丙烯材料的抗变形破裂能力，在双螺杆挤出机的螺纹元件的排列组合上，前端输送段采用自扫型运输螺纹元件，其纵向开放、横向封闭，可在较短的轴向距离内建立高压，有着较强的运输的作用，原材料停留的时间短、自清洁性好。
32.剪切元件是指啮合同向双螺杆挤出机中较常用的捏合块元件，其具体选择会影响处理的材料的混合、分布，在本技术的制备方法中，采用中等剪切强度且分散性较好的排列组合，有利于各组分材料分散均匀，尽量少用齿型盘与90
°
的直角剪切螺纹块，避免剪切太强而致阻燃剂分解，在本技术的一些优选的实施例中，双螺杆挤出机的剪切区段螺纹元件采用错列角为45
°
剪切+45
°
剪切+60
°
剪切的排列组合，使各组分材料更好的分散混合，有利于提高材料的耐冲击能力。
33.为了进一步提升压力、提高混合效果，让各原材料更好的熔融，可以在双螺杆挤出机的排气区上游设置反向螺纹元件，从而进一步增加原材料停留的时间和剪切能的输入。
34.在一些实施例中，双螺杆挤出机的第一区域温度为150～170℃，第二区域温度为160～180℃，第三区域温度为160～180℃，第四区域温度为170～190℃，第五区域温度为170～190℃，第六区域温度为180～200℃，第七区域温度为180～200℃，第八区域温度为190～210℃，第九区域温度为190～210℃，第十区域温度为190～210℃，机头温度为190～210℃。
35.下面将结合实施例和对比例进一步说明本技术可以实现的有益效果。
36.实施例1
37.采用的原料如下：聚丙烯树脂为注塑级，熔融指数在230℃、2.16kpa条件下为12g/10min；短玻纤为表面涂覆硅烷基浸润剂的短切原丝，纤维直径13um，短切长度3mm；相容剂为马来酸酐接枝物，其熔融指数为89g/10min，功能基团含量0.85wt％；钛白粉为金红石型钛白粉；阻燃剂为氮、磷、溴协效阻燃剂(牌号s-500)，密度1.7g/cm3，白度93.8，溴含量28.6％，磷含量24.6％；光稳定剂为uv531；抗氧剂为抗氧剂1010、168按1：1复配；润滑剂为聚乙烯蜡；炭黑为卡博特m-1300炭黑。
38.双螺杆挤出机的配置如下：同向双螺杆挤出机中共混造粒的主机转速为300rpm，产能15kg/h，前端运输段采用自扫型螺纹元件，剪切区段螺纹元件采用错列角为45
°
剪切+45
°
剪切+60
°
剪切的排列组合，排气区上游设置反向螺纹元件，各区温度控制如下表1所示：
39.表1
40.温区1区2区3区4区5区6区7区8区9区10区机头温度/℃150170170180180190200200200210210
41.本实施例的短玻纤增强阻燃聚丙烯材料按如下步骤制备：按重量份称取聚丙烯树脂61.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉10份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份，炭黑0.02份，在高速搅拌锅里搅拌均匀，得到共混材料；将共混材料从双螺杆挤出机的主喂料口加入进行剪切熔融；将3份阻燃剂从侧喂料口加入，挤出造粒，得到短玻纤增强阻燃聚丙烯材料。对短玻纤增强阻燃聚丙烯材料进行相关指标测试，测试结果见下表2。
42.实施例2
43.与实施例1的不同之处在于，各原料的配比为：聚丙烯树脂59.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉11份、阻燃剂3份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
44.实施例3
45.与实施例1的不同之处在于，各原料的配比为：聚丙烯树脂63.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉9份、阻燃剂3份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
46.实施例4
47.与实施例1的不同之处在于，各原料的配比为：聚丙烯树脂59.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉10份、阻燃剂4份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
48.实施例5
49.与实施例1的不同之处在于，先将聚丙烯树脂、相容剂和石蜡油加入高速搅拌锅里搅拌，再将炭黑、抗氧剂、光稳定剂、润滑剂等助剂加入搅拌锅里搅拌，最后加入钛白粉和短玻纤，再次搅拌均匀，得到共混材料。
50.实施例6
51.与实施例1的不同之处在于，螺纹元件错列角为45
°
剪切+60
°
剪切+60
°
剪切的排列组合。
52.对比例1
53.与实施例1的不同之处在于，各原料的配比为：聚丙烯树脂62.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉10份、阻燃剂2份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
54.对比例2
55.与实施例1的不同之处在于，各原料的配比为：聚丙烯树脂61.8份、短玻纤20份、相容剂4份、金红石型钛白粉3份、阻燃剂3份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
56.对比例3
57.与实施例1的不同之处在于，不含相容剂。
58.对比例4
59.与实施例1的不同之处在于，不含石蜡油。
60.对比例5
61.与实施例1的不同之处在于，聚丙烯树脂40份、短玻纤25份、相容剂4份、金红石型钛白粉12份、阻燃剂3份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
62.对比例6
63.与实施例1的不同之处在于，聚丙烯树脂65份、短玻纤15份、相容剂4份、金红石型钛白粉12份、阻燃剂3份、炭黑0.02份、光稳定剂0.4份、抗氧剂0.4份，润滑剂0.2份，石蜡油0.2份。
64.对比例7
65.与实施例1的不同之处在于，将聚丙烯树脂、短玻纤、相容剂、金红石型钛白粉、阻燃剂、光稳定剂、抗氧剂、润滑剂、石蜡油、炭黑0.02份，在高速搅拌锅里搅拌均匀，得到共混材料，将共混材料从双螺杆挤出机的主喂料口加入，挤出造粒。
66.对比例8
67.与实施例1的不同之处在于，将聚丙烯树脂、相容剂、金红石型钛白粉、阻燃剂、光稳定剂、抗氧剂、润滑剂、石蜡油、炭黑0.02份，在高速搅拌锅里搅拌均匀，得到共混材料，将共混材料从双螺杆挤出机的主喂料口加入；将阻燃剂从主喂料口加入，将短玻纤从侧喂料口加入。
68.表2
69.[0070][0071]
表2中指标的测试及评估方法如下：
[0072]
密度：按gb/t 1033的方法，使用浸渍法，通过密度测试仪进行测试。
[0073]
阻燃等级：垂直燃烧按ul94可燃性标准方法进行测试。
[0074]
遮光性能：将规定厚度的色板平放在30～50流明、光源直径3～5mm的led单光源上，置于暗室中点亮光源并观察色板远离光源的一侧的光圈情况(1.5mm)。
[0075]
拉伸强度：按gb/t1040.1和gb/t1040.2的规定，用电子万能实验机进行测试，速度50mm/min。
[0076]
断裂伸长率：按gb/t1040.1和gb/t1040.2的规定，用电子万能实验机进行测试，速度50mm/min。
[0077]
弯曲模量：按gb/t9341的规定，用电子式万能实验机进行测试，跨距64mm，速度2mm/min。
[0078]
冲击强度：按gb/t1843的规定，用悬臂梁冲击试验机进行冲击试验，摆锤重量2.75j。
[0079]
熔融指数：按gb/t 3682.1-2018标准，用熔融指数仪进行测试。
[0080]
针焰测试：按gb/t 5169.5中图1c试验位置，将样板固定在测试治具中，针焰火焰高度为12
±
1mm，将火焰调整到45
°
，试样燃烧10s后离开火焰，样品任何火焰或燃烧物应在移开后30s内熄灭。
[0081]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：上述短玻纤增强阻燃聚丙烯材料由于加入了特定含量的短玻纤、相容剂、钛白粉、阻燃剂等成分，不仅具有较好的阻燃性，而且具有较好较强的光线遮蔽性和镭雕效果，相较于传统的玻纤增强pp材料，不仅刚性和强度大大提升，且具有良好的抗变形能力，可广泛应用于灯饰产品上。
[0082]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。