一種pvc木塑復(fù)合材料的復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種PVC木塑復(fù)合材料的阻燃抑煙劑及其制備方法和應(yīng)用，尤其適合 于木質(zhì)纖維含量在30 %~70 %的PVC木塑復(fù)合材料的阻燃和抑煙。
【背景技術(shù)】
[0002] 木塑復(fù)合材料是以木質(zhì)纖維材料(如木材、竹材、農(nóng)作物秸桿和加工剩余物等木質(zhì) 化的纖維材料，其主要化學(xué)成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)和塑料(如聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯、聚氯乙烯等熱塑性高聚物)為原料制造的復(fù)合材料。PVC木塑復(fù)合材料是其主要 品種之一。PVC木塑復(fù)合材料由于其良好的加工性能、機(jī)械性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，尤其是優(yōu)異的 木質(zhì)感，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。PVC樹(shù)脂本身屬于不燃性材料，但是在PVC木塑復(fù)合材料中由于 使用大量的木質(zhì)纖維填料，使材料燃燒時(shí)氧指數(shù)明顯下降。同時(shí)，由于PVC樹(shù)脂燃燒時(shí)產(chǎn)生 大量黑煙和有毒氣體，火災(zāi)發(fā)生時(shí)對(duì)人員造成了很大危害，因此，作為裝飾材料，特別是室 內(nèi)裝飾材料均要求材料具有一定的阻燃抑煙性，以降低發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性。抑制材料燃燒， 提高其阻燃性的常用方法是向材料中添加阻燃劑。
[0003] -些鹵代阻燃劑如有機(jī)溴的化合物常被用作提高聚合物的阻燃性能，但是由于其 燃燒的不充分，通常增加了煙及一氧化碳的生成速率，而煙塵和毒性氣體是火災(zāi)中造成人 身傷亡的重要原因。
[0004] 對(duì)于純PVC的阻燃抑煙，認(rèn)為使用金屬氧化物的效果較好。最早曾大量使用三氧化 銻作為阻燃劑，它雖然有良好的阻燃作用，但是在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的煙。其他的一些金 屬氧化物，如鋅系、鐵系、銅系和鉬系的一些金屬氧化物，它們能不同程度的改變PVC降解的 方式，促進(jìn)碳骨架的交聯(lián)，提高成炭量，由于金屬化合物的價(jià)格較高，限制了它的大量使用。
[0005] 以氫氧化鎂和氫氧化鋁為代表的無(wú)機(jī)氫氧化物阻燃劑，有兩方面問(wèn)題限制了它們 作為阻燃劑在PVC木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用。一是氫氧化鋁的分解溫度相對(duì)較低，二是為了獲 得足夠的阻燃性能，通常添加量高達(dá)40%~60%，填充量大必然導(dǎo)致樹(shù)脂混煉和成型時(shí)物 料的流動(dòng)性差，影響材料的加工性能和機(jī)械性能。氫氧化鎂雖然是材料的高效消煙填料，其 分解溫度在340°C~490°C，對(duì)聚合物的炭化阻燃作用優(yōu)于氫氧化鋁，但是同樣需要較大的 填充量。同時(shí)，氫氧化鎂的耐酸性差，在酸中會(huì)很快溶解，也容易受乳酸影響而使制品表面 留下指紋。因此，這種類(lèi)型阻燃劑的高含量添加不僅導(dǎo)致最終產(chǎn)品的高密度和彈性性能的 缺失，而且會(huì)帶來(lái)混合、擠出方面的問(wèn)題，尤其是大大限制了木質(zhì)纖維材料的用量。
[0006] 硼酸鋅被認(rèn)為是一種理想的阻燃抑煙劑。將硼酸鋅加入到木粉/PVC復(fù)合材料中， 錐型量熱儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，硼酸鋅對(duì)于減少材料的質(zhì)量損失起到很重要的作用，同時(shí)有較 好的阻燃抑煙作用，但它的加入降低了材料的彈性模量和斷裂模量，增加了吸濕性。
[0007] -些鹵代阻燃劑，如有機(jī)溴的化合物、氯化聚乙烯常被用作提高聚合物的阻燃性 能，但是由于其燃燒的不充分而通常增加了煙及一氧化碳的生成速率，而煙塵和毒性氣體 是火災(zāi)中造成人身傷亡的重要原因。
[0008] 納米阻燃抑煙劑多是氧化物(CuO、ZnO、Fe2〇3等)和復(fù)合氧化物，其制備的方法多采 用制備納米粒子的液相法，用插層（陽(yáng)離子交換)法制備納米前驅(qū)體也是當(dāng)今較常用的一種 方法。納米型阻燃抑煙劑克服了傳統(tǒng)阻燃抑煙劑添加量大、阻燃抑煙效果不明顯的缺點(diǎn)，但 該方法技術(shù)復(fù)雜，成本較高。
[0009] 納米粘土粒子在木塑復(fù)合材料中的添加有助于提高其力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)復(fù)合材料的 阻燃性能也有一定改善，但這種方法的成本高，復(fù)合材料的阻燃性能難以滿(mǎn)足實(shí)際需要，因 而其實(shí)際應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。
[0010] 膨脹型阻燃劑是一類(lèi)通常以P、N、C為主要元素，由酸源(脫水劑）、氣源(膨脹劑)和 碳源(成炭劑)三部分組成的復(fù)合型阻燃劑，可用于多種易燃聚合物材料。典型的膨脹阻燃 體系為季戊四醇(碳源）、聚磷酸按(酸源)和三聚氰胺(氣源）。添加膨脹型阻燃劑的聚合物 材料燃燒時(shí)，會(huì)在表而上形成一層均勻的炭質(zhì)泡沫層，此炭層在凝聚相能起到隔熱、隔氧、 抑煙和防融滴的作用，且無(wú)鹵、低煙、低毒、無(wú)腐蝕性氣體，因而膨脹型阻燃劑不僅具有很高 的阻燃效力，而且環(huán)境友好。因此，作為新的無(wú)鹵阻燃體系，膨脹阻燃技術(shù)已成為非?；钴S 的阻燃研究領(lǐng)域之一。但是，該復(fù)合體系單獨(dú)應(yīng)用到木粉/PVC復(fù)合材料中，添加少量時(shí)效果 不明顯，添加量達(dá)到30~40份，不僅增加了成本而且嚴(yán)重降低了材料的力學(xué)性能?，F(xiàn)有技術(shù) 中尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)PVC木塑復(fù)合材料的抑煙改性，而抑煙性能對(duì)于PVC木塑復(fù)合材料的室內(nèi)應(yīng)用 尤為重要。
[0011] 現(xiàn)有的專(zhuān)利中公開(kāi)的無(wú)鹵阻燃木塑復(fù)合材料、阻燃抑煙型PVC木塑復(fù)合材料、阻燃 劑或阻燃抑煙劑存在對(duì)PVC木塑復(fù)合材料加工機(jī)械性能產(chǎn)生損害、影響材料外觀、材料加工 成本高、抑煙效果不理想、中間體不易控制等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決PVC木塑復(fù)合材料可燃、燃燒產(chǎn)生大量濃煙、現(xiàn)有PVC木塑復(fù)合材料 阻燃抑煙劑添加量大、阻燃和抑煙效果差以及現(xiàn)有的鹵系阻燃劑、鉛鹽阻燃劑等對(duì)環(huán)境和 人們健康有害的問(wèn)題，提供一種PVC木塑復(fù)合材料復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑及其制備方法和應(yīng) 用。
[0013] 本發(fā)明PVC木塑復(fù)合材料的復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑，由聚磷酸胺、三聚氰胺、季戊四 醇和氧化銅組成，按質(zhì)量比為:聚磷酸胺:三聚氰胺:季戊四醇:氧化銅= (0.4~4) :(0.3~ 3): (0.3~3): 1;所述氧化銅為阻燃協(xié)效劑;所述聚磷酸胺、三聚氰胺和季戊四醇組成膨脹 型阻燃劑，其中聚磷酸銨的聚合度η > 1500;
[0014] 所述PVC木塑復(fù)合材料復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的制備方法按以下步驟進(jìn)行：
[0015] 一、按質(zhì)量比為：聚磷酸胺：三聚氰胺:季戊四醇：氧化銅= (0.4~4) :(0.3~3): (0.3~3): 1稱(chēng)取聚磷酸胺、三聚氰胺、季戊四醇和氧化銅作為原料，將稱(chēng)取的聚磷酸胺、三 聚氰胺和季戊四醇置于高速混合機(jī)中，在2000r/min~2500r/min轉(zhuǎn)速下攪拌lOmin~ 15min，即完成膨脹型阻燃劑的制備；
[0016] 二、將步驟一稱(chēng)取的氧化銅作為阻燃協(xié)效劑，加入到步驟一中制備的膨脹型阻燃 劑中，在高速混合機(jī)中以2000r/min~2500r/min轉(zhuǎn)速下攪拌lOmin~15min，即完成PVC木塑 復(fù)合材料復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的制備。
[0017] 所述采用復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑制備PVC木塑復(fù)合材料的方法按以下步驟進(jìn)行：
[0018] -、按質(zhì)量比:PVC樹(shù)脂:木質(zhì)纖維材料:熱穩(wěn)定劑:增塑劑:增溶劑:潤(rùn)滑劑:復(fù)合無(wú) 鹵阻燃抑煙劑=100: (30~80): (4~12): (3~20): (5~10): (0· 5~2): (3~30)稱(chēng)取PVC樹(shù) 月旨、木質(zhì)纖維材料、熱穩(wěn)定劑、增塑劑、溶劑、潤(rùn)滑劑和復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑；
[0019] 將PVC樹(shù)脂、熱穩(wěn)定劑、增塑劑、增溶劑、潤(rùn)滑劑、復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑依次加入到 高速混合機(jī)中進(jìn)行預(yù)混;所述預(yù)混時(shí)高速混合機(jī)中的轉(zhuǎn)速為2000r/min~2500r/min，預(yù)混 時(shí)間為l〇min~15min;
[0020] 所述熱塑性塑料為聚氯乙烯樹(shù)脂或者廢舊聚氯乙烯塑料，也可以是二者的混合 物;所述木質(zhì)纖維材料為木粉、竹粉、農(nóng)作物秸桿粉、果殼粉中的任何一種或幾種的任意比 例混合物;所述木質(zhì)纖維材料粒徑為80目~200目；所述熱穩(wěn)定劑為稀土熱穩(wěn)定劑、有機(jī)錫 熱穩(wěn)定劑等，熱穩(wěn)定劑主要是為了提高PVC樹(shù)脂的熱穩(wěn)定性;所述增塑劑為鄰苯二甲酸二丁 酯(DOP)或鄰苯二甲酸二辛酯(DCP)，增塑劑主要是為了增加聚氯乙烯樹(shù)脂的塑化性能;所 述潤(rùn)滑劑為硬脂酸及其金屬鹽、石蠟或聚乙烯蠟;所述增容為馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MA)、馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MA)、氯化聚乙烯（CPE)、鈦酸酯、異氰酸酯或硅烷偶聯(lián)劑 等，增溶劑是為了增加木質(zhì)纖維材料與塑料之間的界面相容性、改善材料的力學(xué)性能和加 工性能；
[0021] 二、調(diào)整高速混合機(jī)溫度為80°C~90°C，5min~lOmin后，然后將步驟一稱(chēng)取的木 質(zhì)纖維材料加入到步驟一的高速混合機(jī)中，調(diào)整高速混合機(jī)溫度至90°C~105°C并攪拌至 木質(zhì)纖維材料的含水率達(dá)到2%以下，得到高溫物料;其中，較高的溫度有利于去除木質(zhì)纖 維材料中不利于界面結(jié)合的成分；
[0022] 三、將步驟二中高溫物料卸料至低速冷混機(jī)中，待料溫達(dá)到45°C時(shí)出料，得到預(yù)混 料；
[0023] 四、將預(yù)混料置于擠出機(jī)組并擠出成型，即完成無(wú)鹵阻燃抑煙型PVC木塑復(fù)合材料 的制備;所述的擠出機(jī)為單螺桿擠出機(jī)、平行雙螺桿雙階擠出機(jī)或錐形雙螺桿擠出機(jī);所述 擠出成型過(guò)程中擠出機(jī)筒加熱溫度為135°C~175°C，模口溫度為160°C~165°C，并且根據(jù) 混合料組成分不同可作小范圍調(diào)整；
[0024] 由于木質(zhì)纖維自身的成炭作用，可根據(jù)復(fù)合體系中木質(zhì)纖維含量的不同，調(diào)整復(fù) 合無(wú)鹵阻燃抑煙劑中各組分之間的比例，應(yīng)用于不同木質(zhì)纖維含量的PVC木塑復(fù)合材料體 系，達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比，所述PVC木塑復(fù)合材料中復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的配比與PVC木塑復(fù) 合材料中木質(zhì)纖維材料質(zhì)量百分含量的關(guān)系為:若PVC木塑復(fù)合材料中木質(zhì)纖維材料質(zhì)量 百分含量在40%以下，則復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的配比為:聚磷酸胺:三聚氰胺:季戊四醇:氧 化銅=(0.4~1): (0.3~1): (0.3~1): 1;若PVC木塑復(fù)合材料中木質(zhì)纖維材料質(zhì)量百分含 量在40~60%，則復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的配比為:聚磷酸胺:三聚氰胺:季戊四醇:氧化銅= (1~3): (1~2): (2~3): 1;若PVC木塑復(fù)合材料中木質(zhì)纖維材料質(zhì)量百分含量大于60%，則 復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑的配比為:聚磷酸胺:三聚氰胺:季戊四醇:氧化銅=(3~4): (2~3): (2~3)山
[0025] 為了滿(mǎn)足材料在室內(nèi)外不同場(chǎng)合的應(yīng)用，在復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑制備木塑復(fù)合材 料過(guò)程中還可以適量加入塑料加工的常規(guī)改性助劑，如抗氧劑、增韌劑、著色劑等。
[0026]本發(fā)明具備以下有益效果：
[0027] 1、本發(fā)明的復(fù)合無(wú)鹵阻燃抑煙劑，對(duì)木塑復(fù)合材料的主要成分木質(zhì)纖維和聚氯乙 烯同時(shí)進(jìn)行阻燃抑煙處