CN106947159A - 一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法，按重量百分比计，聚丙烯材料包含75‑89%的聚丙烯、10‑20%的胶囊化的聚磷酸铵和1‑5%的改性氧化石墨烯。本发明利用石墨烯极强的阻隔作用，降低氧气进入基材和避免基材受热后可燃气体溢出的概率，极大的减小阻燃剂用量，有效提高阻燃效果；其其可显著增强复合材料的力学性能，可广泛用于汽车，家电、医药、食品包装、建筑等领域，具有良好的推广价值。

Description

一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻燃材料领域，尤其涉及一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法。

背景技术

聚丙稀（PP）作为五大通用塑料之一，具有密度小、价格低、耐腐烛、力学性能佳等优点，被广泛应用于汽车、家电、医药、食品包装、建筑等领域。但聚丙稀的氧指数极低（仅为17%），离火后能持续燃烧，属于易燃的高分子材料。随着其应用领域不断扩展，应用数量不断增大，迫切需要发展高阻燃聚丙烯材料。

传统的提高阻燃性能的方法是添加卤系阻燃剂，其具有添加量少、阻燃效果显著的特点，在阻燃领域中占据重要的地位；但其在燃烧时产生腐蚀性气体且发烟量大，导致二次污染而危及环境和人类安全；无卤阻燃聚丙烯发展迅速，截至2015年，全球阻燃聚丙烯中无卤阻燃产品占有率已超过30%。在适用于聚丙烯的无卤阻燃剂中，主要有氢氧化铝（ATH）、氢氧化镁（MH）、微胶囊化红磷、膨胀石墨及磷-氮系膨胀阻燃剂（IFR），尤以IFR最为用户青睐。

传统的膨胀阻燃剂同样存在着一些问题，（1）传统膨胀阻燃剂与聚丙烯兼容性差，分散效果不理想；（2）生成的膨胀炭层致密性较差，热稳定性欠佳、导致阻燃性能不够理想；（3）为达到阻燃效果，添加量较大，一般为25-30%，此类阻燃剂力学性能较差，使得材料力学性能，尤其是拉伸强度、抗冲击强度大副度下降，导致工程上应用面狭窄。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法，旨在解决现有的聚丙烯材料阻燃效果不理想、阻燃剂添加量大、影响产品品质等问题。

本发明的技术方案如下：

一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，按重量百分比计，包含75-89%的聚丙烯、10-20%的胶囊化的聚磷酸铵和1-5%的改性氧化石墨烯。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，按重量百分比计，所述胶囊化的聚磷酸铵包括0.2-5%的胶囊壳体和95%-99.8%的位于胶囊壳体中的聚磷酸铵。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，胶囊化的聚磷酸铵中，胶囊壳体由马来酸酐接枝聚丙烯构成。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，所述聚磷酸铵是聚合度>1000的II型聚磷酸铵。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中于，按重量百分比计，所述改性氧化石墨烯包括40%-80%的氧化石墨烯、1%-2%的三聚氰胺和19%-59%的马来酸酐接枝聚丙烯。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，所述氧化石墨烯的层数为1层-10层。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，所述氧化石墨烯的长边尺寸为0.5μm-10μm。

所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其中，按重量百分比计，所述氧化石墨烯含10%-30%的极性官能团。

一种如上所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料的制备方法，其中，包括如下步骤：

（1）制备胶囊化的聚磷酸铵；

（2）制备改性氧化石墨烯；

（3）将聚丙烯原料、胶囊化的聚磷酸铵、改性氧化石墨烯经分散混合后，挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。

有益效果：本发明利用石墨烯极强的阻隔作用，降低氧气进入基材和避免基材受热后可燃气体溢出的概率，极大的减小阻燃剂用量，有效提高阻燃效果；其其可显著增强复合材料的力学性能，可广泛用于汽车，家电、医药、食品包装、建筑等领域，具有良好的推广价值。

附图说明

图1为本发明一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料的制备方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提供的一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，按重量百分比计，包含75-89%的聚丙烯、10-20%的胶囊化的聚磷酸铵和1-5%的改性氧化石墨烯。

进一步，按重量百分比计，所述胶囊化的聚磷酸铵包括0.2-5%的胶囊壳体和95%-99.8%的位于胶囊壳体中的聚磷酸铵。也就是说，聚磷酸铵是由胶囊壳体包裹，而胶囊化的聚磷酸铵中，胶囊壳体由马来酸酐接枝聚丙烯构成。采用马来酸酐接枝聚丙烯作为胶囊壳体包裹聚磷酸铵，极大的提高了聚磷酸铵与聚丙烯的相容性。

进一步，按重量百分比计，所述改性氧化石墨烯包括40%-80%的氧化石墨烯、1%-2%的三聚氰胺和19%-59%的马来酸酐接枝聚丙烯。本发明优选是采用马来酸酐接枝聚丙烯和三聚氰胺对氧化石墨烯进行改性，从而显著提升氧化石墨烯在聚丙烯中的分散效果。

也就是说，本发明采用马来酸酐接枝聚丙烯作为胶囊壳体包裹聚磷酸铵，采用马来酸酐接枝聚丙烯和三聚氰胺对氧化石墨烯进行改性，极大促进聚磷酸铵和氧化石墨烯在聚丙烯中的分散效果。

优选的，按重量百分比计，所述氧化石墨烯含10%-30%的极性官能团。利用极性官能团对氧化石墨烯进行修饰，可提高氧化石墨烯的分散效果。所述氧化石墨烯的层数为1层-10层，例如5层。所述氧化石墨烯的长边尺寸为0.5μm-10μm，例如5μm。上述条件下的氧化石墨烯可提高自身在聚丙烯中的分散效果。

上述改性氧化石墨烯具有高阻隔和优异的力学性能，可显著降低胶囊化聚磷酸铵的使用量，增强阻燃性，并提高力学性能。

进一步，所述聚磷酸铵是聚合度>1000的II型聚磷酸铵。聚磷酸铵又称多聚磷酸铵或缩聚磷酸铵(简称APP)。聚磷酸铵无毒无味，不产生腐蚀气体，吸湿性小，热稳定性高，是一种性能优良的非卤阻燃剂。本发明中，采用聚合度>1000的II型聚磷酸铵，可减小材料的吸湿性，降低对工程塑料的力学性能影响。

本发明还提供一种如上所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料的制备方法，如图1所示，其包括如下步骤：

（1）制备胶囊化的聚磷酸铵；

（2）制备改性氧化石墨烯；

（3）将聚丙烯原料、胶囊化的聚磷酸铵、改性氧化石墨烯经分散混合后，挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。

其中，胶囊化的聚磷酸铵的制备过程如下：将聚磷酸铵和马来酸酐接枝聚丙烯加入足量的甲苯中，加热至120℃，持续搅拌5h；冷却，过滤，干燥，得到胶囊化的聚磷酸铵。

其中，改性氧化石墨烯的制备过程如下：将氧化石墨烯和三聚氰胺加入足量的甲苯中，在120℃条件下持续搅拌2h，再加入马来酸酐接枝聚丙烯，在120℃条件下持续搅拌10h，冷却，过滤，干燥，得到改性氧化石墨烯。

实施例1

（1）采用聚合度n>1000的II型聚磷酸铵1000g，马来酸酐接枝聚丙烯2g，与10L甲苯，120℃持续搅拌5h，冷却，过滤，干燥，得到胶囊化的聚磷酸铵，其中马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比为0.2%，聚磷酸铵重量百分比为99.8%；

（2）采用层数5层，长边尺寸5μm，含极性官能团20%的氧化石墨烯1000g，三聚氰胺25g，加入10L甲苯中，120℃持续搅拌2h，之后加入马来酸酐接枝聚丙烯1475g，120℃持续搅拌10h，冷却，过滤，干燥，得到改性氧化石墨烯，其中氧化石墨烯重量百分比为40%，三聚氰胺重量百分比1%，马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比59%。

（3）将聚丙烯、（1）中制备的胶囊化的聚磷酸铵、（2）中制备的改性氧化石墨烯，质量百分比分别为聚丙烯75%，胶囊化的聚磷酸铵20%，改性氧化石墨烯5%，加入混料机混料，之后采用螺杆挤出机，熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。

制备的石墨烯增强高阻燃聚丙烯（即石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料），氧指数大于30，垂直燃烧试验V-0级，抗拉强度大于38MPa，性能优异。

实施例2

（1）采用聚合度n>1000的II型聚磷酸铵1000g，马来酸酐接枝聚丙烯25.6g，与10L甲苯，120℃持续搅拌5h，冷却，过滤，干燥，得到胶囊化的聚磷酸铵，其中马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比为2.5%，聚磷酸铵重量百分比为97.5%；

（2）采用层数1层，长边尺寸10μm，含极性官能团10%的氧化石墨烯1000g，三聚氰胺25g，加入10L甲苯中，120℃持续搅拌2h，之后加入马来酸酐接枝聚丙烯641.7g，120℃持续搅拌10h，冷却，过滤，干燥，得到改性氧化石墨烯，其中氧化石墨烯重量百分比为60%，三聚氰胺重量百分比1.5%，马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比38.5%。

（3）将聚丙烯，（1）中制备的胶囊化的聚磷酸铵，（2）中制备的改性氧化石墨烯，质量百分比分别为聚丙烯80%，胶囊化的聚磷酸铵16%，改性氧化石墨烯4%，加入混料机混料，之后采用螺杆挤出机，熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。

制备的石墨烯增强高阻燃聚丙烯，氧指数大于30，垂直燃烧试验V-0级，抗拉强度大于38MPa，性能优异。

实施例3

（1）采用聚合度n>1000的II型聚磷酸铵1000g，马来酸酐接枝聚丙烯52.6g，与10L甲苯，120℃持续搅拌5h，冷却，过滤，干燥，得到胶囊化的聚磷酸铵，其中马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比为5%，聚磷酸铵重量百分比为95%；

（2）采用层数10层，长边尺寸0.5μm，含极性官能团30%的氧化石墨烯1000g，三聚氰胺12.5g，加入10L甲苯中，120℃持续搅拌2h，之后加入马来酸酐接枝聚丙烯237.5g，120℃持续搅拌10h，冷却，过滤，干燥，得到改性氧化石墨烯，其中氧化石墨烯重量百分比为80%，三聚氰胺重量百分比1%，马来酸酐接枝聚丙烯重量百分比19%。

（3）将聚丙烯，（1）中制备的胶囊化的聚磷酸铵，（2）中制备的改性氧化石墨烯，质量百分比分别为聚丙烯89%，胶囊化的聚磷酸铵10%，改性氧化石墨烯1%，加入混料机混料，之后采用螺杆挤出机，熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。

本发明采用上述实施例制备的聚丙烯材料，氧指数大于30，垂直燃烧试验V-0级，抗拉强度大于38MPa，性能优异。

综上所述，本发明利用石墨烯极强的阻隔作用，降低氧气进入基材和避免基材受热后可燃气体溢出的概率，极大的减小阻燃剂用量，有效提高阻燃效果；其其可显著增强复合材料的力学性能，可广泛用于汽车，家电、医药、食品包装、建筑等领域，具有良好的推广价值。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，按重量百分比计，包含75-89%的聚丙烯、10-20%的胶囊化的聚磷酸铵和1-5%的改性氧化石墨烯。

2.根据权利要求1所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，按重量百分比计，所述胶囊化的聚磷酸铵包括0.2-5%的胶囊壳体和95%-99.8%的位于胶囊壳体中的聚磷酸铵。

3.根据权利要求2所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，胶囊化的聚磷酸铵中，胶囊壳体由马来酸酐接枝聚丙烯构成。

4.根据权利要求2所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，所述聚磷酸铵是聚合度>1000的II型聚磷酸铵。

5.根据权利要求1所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，按重量百分比计，所述改性氧化石墨烯包括40%-80%的氧化石墨烯、1%-2%的三聚氰胺和19%-59%的马来酸酐接枝聚丙烯。

6.根据权利要求5所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，所述氧化石墨烯的层数为1层-10层。

7.根据权利要求5所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，所述氧化石墨烯的长边尺寸为0.5μm-10μm。

8.根据权利要求5所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料，其特征在于，按重量百分比计，所述氧化石墨烯含10%-30%的极性官能团。

9.一种如权利要求1所述的石墨烯增强阻燃性的聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制备胶囊化的聚磷酸铵；

（2）制备改性氧化石墨烯；

（3）将聚丙烯原料、胶囊化的聚磷酸铵、改性氧化石墨烯经分散混合后，挤出机熔融、混炼、挤出、冷却、干燥、切粒、包装得到成品。