一种表芯层同步共挤阻燃木塑复合材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于木塑复合材料的制造领域，具体涉及一种通过改变表、芯层阻燃剂的组分及其添加比例制备阻燃木塑复合材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着木塑复合材料在室内应用领域的不断扩大，该复合材料的防火安全性的研究应用逐渐开始受到重视。木塑复合材料的阻燃性主要通过添加阻燃剂、表面阻燃处理等方式赋予。聚磷酸铵是木塑复合材料中常用的阻燃剂。聚磷酸铵受热分解生成聚磷酸并释放出气体，分解过程吸热，从而降低周围的温度，释放出的不可燃气体冲淡空气或可燃气体，分解过程中产生可捕获自由基的物质，切断自由基链锁反应，使高分子产生脱水反应生成为碳和水，而不产生可燃气体，在气相和固相均起到阻燃作用。但是，聚磷酸铵存在着添加量大、在潮湿的坏境下易于水解并向表面迀移而流失，导致阻燃效率的降低，同时，在复合材料的制备过程中，聚磷酸铵易团聚，与复合材料的相容性差，导致材料的加工性能和冲击性能明显下降。
[0003]随着纳米科技的进步，采用纳米材料作为聚磷酸铵的阻燃协效剂用以改善聚磷酸铵上述的使用缺陷成为近年来迅速发展的一个领域。公开号为CN 102702767A的中国专利公开了一种采用生物质纳米二氧化硅协效聚磷酸铵制得的阻燃木塑复合材料。然而，在实际的应用中，仍存在以下三个问题:(I)纳米材料和聚磷酸铵在堆积密度和比表面积上的巨大差异，使得两者很难分散到木塑复合材料体系中；(2)聚磷酸铵为无机物质，与木塑复合材料体系的界面相容性差；(3)纳米材料被分散在整个体系内，在燃烧过程中，需要一定的时间迀移到体系表层产生屏蔽效应，从阻燃效果来看有一定的滞后性。如能同时解决以上三个问题，则能极大的推动纳米材料协效聚磷酸铵在阻燃木塑复合材料中的应用。
[0004]纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一。纳米晶态纤维素(nanocrystalline cellulose，NCC)，是一种直径为I?lOOnm、长度为几十到几百nm的刚性棒状纤维素。纳米晶态纤维素具备高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度的特性，同时具有多级孔道结构、手性液晶排列、其表面含有多个可反应的羟基，易于接枝硅氧基、氨基、吸附电子等，因此以纳米晶态纤维素为模板合成功能性材料越来越受到关注。公开号为CN105034108A的中国专利公开了一种利用纳米晶态纤维素制备高分散性聚磷酸铵胶体的方法，可以极大的提高聚磷酸铵的分散性及与基体材料的相容性。
[0005]共挤技术是一种使用两台或两台以上挤出机通过一个复合共挤机头联合在一起，挤出机分别供给不同的熔融物料，并在复合机头内汇合后连续挤出多层复合产品，从而实现通过不同的表层与芯层材料的融合，为木塑复合材料提供不同的性能。芯层往往提供力学性能，以普通木塑或高填充量木质纤维的木塑为主，表层则通过添加不同的助剂赋予木塑复合材料不同的功能。通过表芯层结构的设计和组分的变化可以赋予木塑复合材料不同的功能。
[0006]目前国内暂未见到通过木塑复合材料表芯层结构的设计以及各层阻燃剂组分及重量百分比的调整来制备得到阻燃木塑复合材料的相关专利。
【发明内容】
[0007]本发明的目的
[0008]本发明提供一种表芯层同步共挤阻燃木塑复合材料，克服纳米材料协效聚磷酸铵阻燃木塑复合材料时存在的分散性不佳、与基体材料的界面相容性差以及阻燃剂流失引起的力学性能差、阻燃效率下降等缺陷。
[0009]本发明的技术解决方案
[0010]本发明将原本添加到木塑复合材料整体中的纳米材料和聚磷酸铵分别分散到纳米晶态纤维素中，制成纳米阻燃剂、纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体，然后分别添加到表、芯层体系，再利用共挤技术同步挤出定型，制成阻燃木塑复合材料，其表层即外层，为纳米阻燃剂阻燃的木塑复合材料层，厚度为1.0mm?3.5mm、芯层即内层，为纳米晶态纤维素/聚磷酸钱胶体阻燃木塑复合材料层，厚度为3.5mm?25mm。
[0011 ] 一种表芯层同步共挤阻燃木塑复合材料的具体制备方法如下:
[0012](I)按照表层组分的重量百分比，称取聚烯烃塑料45?70%、木质纤维5?25%、纳米阻燃剂10?30%、润滑剂I?2%、偶联剂2?3%，
[0013](2)按照芯层组分的重量百分比，称取聚烯烃塑料18?55%、木质纤维30?65%、纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体5?15%、润滑剂2?3%、偶联剂2.5?6% ;
[0014](3)将上述称取好的纳米阻燃剂喷涂到表层木质纤维表面，再与上述步骤(I)称取好的聚烯烃塑料、润滑剂、偶联剂分别进行初混、干燥，干燥温度为105°C，干燥时间为2h;
[0015](4)将上述称取好的纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体喷涂到芯层木质纤维表面，再与上述步骤(2)称取好的聚烯烃塑料、润滑剂、偶联剂分别进行初混、干燥，干燥温度为105°C，干燥时间为2h;
[0016](5)将上述干燥好的混合物分别置于挤出机料斗中，其中，表层混合物置于单螺杆挤出机，机筒温度为140?220°C，螺杆转速为5?12r/min，芯层混合物置于双螺杆挤出机，机筒温度为155?195°C，螺杆转速是4?6r/min，使得原料熔融塑化;然后单螺杆挤出机、双螺杆挤出机的熔融塑化产物同步通过模具，由模具挤出定型；
[0017](6)通过牵引方式冷却、定型、切割，制成阻燃木塑复合材料。
[0018]本发明的优点
[0019]本发明所制备的表芯层同步共挤阻燃木塑复合材料具有较高的阻燃性能(氧指数> 25%，平均热释放速率< 140kW/m2)和较高的力学强度(弯曲强度2 25MPa，冲击强度218kJ/m2)，同时由于表层为纳米阻燃剂处理的木塑复合材料层，有利于提高阻燃木塑复合材料的硬度和耐摩擦性，并且阻止芯层纳米晶态纤维素/聚磷酸铵的流失，保持阻燃效率。
【附图说明】
[0020]附图1是阻燃木塑复合材料的表芯层结构。
【具体实施方式】
[0021 ]实施例1，(I)表层组分按重量百分比称取67 %的聚丙烯、10%的木质纤维、20 %的纳米晶态纤维素/二氧化硅胶体(胶体的质量分数为35?60%)、1%的润滑剂、2%的偶联剂；(2)芯层组分按重量百分比称取19.5%的聚乙烯、65%的木质纤维、10%的纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体(胶体的质量分数为50?75% )、2%的润滑剂、3.5%的偶联剂；(3)将称取好的纳米晶态纤维素/ 二氧化硅胶体喷涂到表层木质纤维表面，再与上述步骤(I)称取好的聚丙烯、润滑剂、偶联剂分别进行初混、干燥，干燥温度为105°C，干燥时间为2h; (4)将上述的称取好的纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体喷涂到芯层木质纤维表面，再与上述步骤(2)称取好的聚乙烯、润滑剂、偶联剂分别进行初混、干燥，干燥温度为1050C，干燥时间为2h;
(5)将上述干燥好的混合物分别置于挤出机料斗中，其中，表层混合物置于单螺杆挤出机，机筒温度为200°C，螺杆转速为5?12r/min，芯层混合物置于双螺杆挤出机，机筒温度为155°C，螺杆转速是4?6r/min，使得原料熔融塑化;然后单螺杆挤出机、双螺杆挤出机的熔融塑化产物同步通过模具，由模具挤出定型；(6)通过牵引方式冷却、定型、切割，制成阻燃木塑复合材料。经测试，制备得到的阻燃木塑复合材料氧指数为28.2%、热释放速率为138.1kW/m2、弯曲强度25.7MPa、冲击强度19.6kJ/m2。
[0022]实施例2，(I)表层组分按重量百分比称取66%的聚苯乙烯、5%的木质纤维、25%的纳米晶态纤维素/纳米氢氧化镁胶体(胶体的质量分数为35?60% )、I %的润滑剂、3%的偶联剂；(2)芯层组分按重量百分比称取18%的聚乙烯、60%的木质纤维、15%的纳米晶态纤维素/聚磷酸铵胶体(胶体的质量分数为50?75% )、2.5%的润滑剂、4.5%的偶联剂；(3)将称取好的纳米晶态纤维素/纳米氢氧化镁