CN103275354B - 生物质成炭阻燃剂的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物质成炭阻燃剂的制备方法，属于添加剂技术领域。该方法是将马铃薯淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过180~300目筛后，于液体有机磷系阻燃剂中浸泡5~10h，分离，自然干燥后，再与可膨胀石墨混合，即得生物质成炭阻燃剂。本产品可广泛应用于聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，聚碳酸酯(PC)，尼龙(PA)，乙烯醋酸乙烯酯(EVA)，反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)，丁苯橡胶(SBR)，丁腈橡胶(NBR)，硅橡胶，聚氨酯等阻燃型产品的生产。实验表明，当生物质成炭阻燃剂的添加量在10%~30%之间时，各阻燃型材料的氧指数均达到国家标准，且力学性能良好。
Description
技术领域
本发明属于添加剂技术领域，涉及一种复合阻燃剂，尤其涉及一种生物质成炭阻燃剂的制备方法；本发明同时还涉及生物质成炭阻燃剂在制备阻燃型聚合物材料中的应用。
背景技术
随着阻燃材料的发展，对新型阻燃剂的开发也越来越受到人们的重视。最早人们使用的阻燃剂主要为含卤阻燃剂，含卤阻燃剂在聚合物材料中阻燃效果好，添加量少，对材料的力学性能影响较小，因此在阻燃领域占有重要的地位，得到了广泛的应用。但是含卤阻燃材料在燃烧的过程中会释放出大量的烟和有腐蚀性、有毒的气体，不仅给环境造成了很大的污染，而且在火灾事故中对人员撤离及救灾工作造成了很大的威胁。因此，无卤阻燃剂的开发已经成了阻燃领域研究的热点。无卤阻燃剂主要包括金属氢氧化物、纳米黏土、纤维素、膨胀型阻燃剂等。其中膨胀型阻燃剂是一种阻燃效果较好的阻燃剂，通常包含三种成分：酸源、碳源和气源。通常用的酸源是磷酸、硼酸或硫酸，各种铵盐如磷酸铵、硫酸铵或聚磷酸铵等；常用的碳源主要为多羟基化合物，如淀粉、糊精、山梨醇、季戊四醇和酚醛树脂等；常用气源为胺或氨基化合物，如三聚氰胺，聚酰胺等。但是这些阻燃剂成本较高，给工业领域广泛使用造成了困难。
生物质资源是生命活动（如植物光合作用）产生的物质，主要由纤维素、半纤维素、木质素三种高分子和淀粉、果胶、蛋白质等其它多种成分构成，为复杂的天然有机物质，且以各种形态的木材、竹材、秸秆和果壳等形式存在，来源于农林生产的产品和剩余物、人类生活的废弃物等，是储量巨大而可再生的宝贵自然资源。马铃薯废渣是淀粉厂加工生产过程中产生的剩余废弃物，它主要由淀粉、纤维素和半纤维素组成，不仅难处理而且对环境造成严重的污染。而这些生物质废弃物具有很高应用价值，因此，对这些生物质废弃物的利用具有十分重要的意义。就阻燃领域而言，生物质废弃物从理论上分析是良好的成炭剂，但在实际中并没有得带应用，也未见文献报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种生物质成炭阻燃剂的制备方法。
一、生物质成炭阻燃剂的制备
本发明生物质成炭阻燃剂的制备方法，是将马铃薯淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过180~300目筛后，于液体有机磷系阻燃剂中浸泡5~10h，分离，自然干燥后，再与可膨胀石墨混合，即得生物质成炭阻燃剂。
所述液体有机磷系阻燃剂为甲基磷酸二甲酯。
所述马铃薯废渣粉与可膨胀石墨的质量比为1:1~20:1。
二、阻燃型聚合物材料的制备
本发明阻燃型聚合物复合材料的制备方法，是在高分子材料基体中添加生物质成炭阻燃剂，按生产相应高分子复合材料的常规工艺进行生产，得到相应的阻燃型聚合物复合材料。其中，聚合物基体为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，聚碳酸酯(PC)，尼龙(PA)，乙烯醋酸乙烯酯(EVA)，聚异戊二烯(IR)，丁苯橡胶(SBR)，丁腈橡胶(NBR)，硅橡胶，聚氨酯等，得到相应的阻燃型聚合物复合材料为阻燃聚丙烯(PP)、阻燃聚乙烯(PE)、阻燃聚苯乙烯(PS)、阻燃丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，阻燃聚碳酸酯(PC)，阻燃尼龙(PA)，阻燃乙烯醋酸乙烯酯(EVA)，阻燃聚异戊二烯(IR)，阻燃丁苯橡胶(SBR)，阻燃丁腈橡胶(NBR)，阻燃硅橡胶，阻燃聚氨酯。
实验证明，当生物质成炭阻燃剂的添加量为基体质量的10%~30%，得到的各阻燃型材料的氧指数均达到国家标准，聚合物很好的阻燃性能，而且对聚合物材料的力学性能影响不大。
本发明相对现有技术具有以下有益效果：本发明利用马铃薯淀粉废弃物为主要原料，与可膨胀石墨混合复配得到的生物质成炭阻燃剂具有是很好地阻燃效果，应用于聚合物的制备，既能提高聚合物的阻燃性能，又能降低成本，同时由减少淀粉生产企业废弃物处理成本，有利于环境保护，是一种比较理想的绿色阻燃成炭阻燃剂。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明生物质高效成炭阻燃剂及阻燃型聚合物的制备和性能做进一步说明。
实施例1
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡5h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以1:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型聚丙烯(PP)的制备
将原料聚丙烯、阻燃剂按85%、15%的质量比，放入搅拌机中，高速搅拌混合；将混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型聚丙烯材料的氧指数为31，其抗拉强度23.1MPa，弯曲强度30.2 MPa。
实施例2
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过180目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡10h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以20:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型聚乙烯(PE)的制备
将原料聚乙烯、阻燃剂按80%、20%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型聚乙烯材料的氧指数为30，其抗拉强度10.2MPa，断裂伸长率为201%。
实施例3
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过200目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡7h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以10:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型聚苯乙烯(PS)的制备
将原料聚苯乙烯、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型聚苯乙烯(PS)材料的氧指数为35，其抗拉强度28.4MPa，弯曲强度为42.7 MPa。
实施例4
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过240目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡9h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以15:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)的制备
将原料丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物、阻燃剂按75%、25%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料的氧指数为32，其抗拉强度33.0MPa，弯曲强度为30.6 MPa。
实施例5
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡8h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以18:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)的制备
将原料反式-1,4-聚异戊二烯、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型反式-1,4-聚异戊二烯(TPI)材料的氧指数为31，其抗拉强度17.6 MPa，断裂伸长率523%。
实施例6
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡9h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以12:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型聚碳酸酯(PC)的制备
将原料聚碳酸酯、阻燃剂以90%、10%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型聚碳酸酯(PC)材料的氧指数为29，其抗拉强度40.2MPa，弯曲强度为61.3 MPa。
实施例7
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡7h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以4:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型尼龙(PA)的制备
将原料尼龙、阻燃剂以72%、28%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型尼龙(PA)的氧指数为30，其抗拉强度为89.0 MPa，弯曲强度为132.1 MPa。
实施例8
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡7h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以16:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型乙烯醋酸乙烯酯(EVA)的制备
将原料乙烯醋酸乙烯酯、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型乙烯醋酸乙烯酯(EVA)的氧指数为35，其抗拉强度11.3 MPa，断裂伸长率193%。
实施例9
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过220目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡5h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以8:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型丁苯橡胶(SBR)的制备
将原料丁苯橡胶、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型丁苯橡胶(SBR)的氧指数为34，其抗拉强度14.3 MPa，断裂伸长率456%。
实施例10
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡7h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以13:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型丁腈橡胶(NBR)的制备
将原料丁腈橡胶、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型丁腈橡胶(NBR)的氧指数为34，其抗拉强度14.6 MPa，断裂伸长率1327%。
实施例11
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过300目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡10h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以7:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型硅橡胶的制备
将原料硅橡胶、阻燃剂以70%、30%的质量比放入高混机中，高速搅拌混合；混合均匀的原料经双螺杆挤出机挤出造粒，所得粒料经注射机制得标准样条，进行性能测试。阻燃型硅橡胶的氧指数为37，其抗拉强度7.3 MPa，断裂伸长率500%。
实施例12
（1）生物质高效成炭阻燃剂
将淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过180目筛；
将马铃薯废渣粉末浸渍于其质量5倍的液体有机磷系阻燃剂甲基磷酸二甲酯中，浸泡8h，分离，自然干燥；
将浸渍风干后的马铃薯废渣与可膨胀石墨以14:1的质量比复配，即得到一种生物质高效成炭阻燃剂。
（2）阻燃型聚氨酯的制备
将原料聚氨酯、阻燃剂以70%、30%的质量比均匀混合后，经发泡机发泡，制备成板材，进行性能测试。阻燃型聚氨酯的氧指数为38，烟密度73，抗拉强0.51MPa。
Claims (5)
1.一种生物质成炭阻燃剂的制备方法，是将马铃薯淀粉生产企业产生的马铃薯废渣自然风干，粉碎，过180～300目筛后，于液体有机磷系阻燃剂中浸泡5～10h，分离，自然干燥后，再与可膨胀石墨混合，即得生物质成炭阻燃剂；马铃薯废渣粉与可膨胀石墨的质量比为1:1～20:1。
2.如权利要求1所述生物质成炭阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述液体有机磷系阻燃剂为甲基磷酸二甲酯。
3.如权利要求1所述方法制备的生物质成炭阻燃剂在制备阻燃型聚合物材料中的应用。
4.如权利要求3所述方法制备的生物质成炭阻燃剂在制备阻燃型聚合物材料中的应用，其特征在于：在高分子材料中添加生物质成炭阻燃剂，按生产相应高分子复合材料的常规工艺进行生产，得到相应的阻燃型聚合物复合材料；所述生物质成炭阻燃剂的添加量为基体质量的10%～30%。
5.如权利要求4所述方法制备的生物质成炭阻燃剂在制备阻燃型聚合物复合材料中的应用，其特征在于：所述高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、丙烯基-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚碳酸酯，尼龙，乙烯醋酸乙烯酯，聚异戊二烯，丁苯橡胶，丁腈橡胶，硅橡胶，聚氨酯。
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