[发明专利]改性煤矸石粉填充聚烯烃阻燃复合材料及制备工艺

说明书

改性煤矸石粉填充聚烯烃阻燃复合材料及制备工艺属于聚烯烃阻燃复合材料制备技术领域。此种复合材料中改性煤矸石粉与聚烯烃的重量比为10～60:100，改性煤矸石粉中含有环三膦腈衍生物具有新型结构，可作为表面改性剂和阻燃剂。经环三膦腈改性处理过的煤矸石粉在聚烯烃基体中易于分散均匀，并能增强煤矸石粉与聚烯烃基体间的界面结合力，使该复合材料力学性能有十分显著的改善，并具有较好的阻燃特性。该新型复合材料中煤矸石填充量高、聚烯烃用量少，且煤矸石粉无需进行煅烧，节能且成本低廉。该复合材料综合力学性能优异且阻燃性能显著，制备工艺简单，制备过程中无强酸强碱使用，无环境污染。

技术领域

本发明属于聚烯烃阻燃复合材料制备技术领域，具体涉及一种煤矸石改性填充聚烯烃阻燃复合材料及制备工艺。

背景技术

聚烯烃是一类应用范围广且性能优异的材料，广泛应用于家电、汽车以及机械制造领域等。然而随着各领域飞速发展，通用聚烯烃材料已无法满足对性能日益增长的需求，并且聚烯烃是以石油为原料制成的合成树脂，而石油属于不可再生的一次性自然资源，随着石油资源的消耗以及价格的飞涨，聚烯烃类材料的价格一直居高不下，因而对聚烯烃填充改性不仅可以有效地提高聚烯烃材料的综合性能，还可以有效地降低聚烯烃类材料的成本并且节约石油资源。

伴随着近来对煤矿的开采，产生了大量的煤矸石废弃物。目前，我国对于煤矸石废弃物的处理仍处于较低的层次，而且利用率不到30％，主要集中在建筑材料、田地复垦、土地回填等方面。这些处理方法尽管可以解决一部分的煤矸石废弃物，但是附加值极低，并且还会对环境产生二次污染。随着技术的发展，煤矸石逐渐被应用于高分子材料填充领域，由于煤矸石中含有SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等，且表面带有硅羟基(Si-OH)、铝羟基(Al-OH)等羟基团，为其进行表面改性提供了十分有利的条件，因此将煤矸石粉作为填料对聚烯烃类材料进行填充改性具有十分广阔的应用前景和良好的经济效益及社会效益。

煤矸石粉填充改性聚烯烃类材料最为显著的问题是煤矸石粉在聚烯烃类基体材料中的相容性较差难于分散均匀，易发生结团和分层的现象，使复合材料的力学性能大幅下降。根据现有文献报道，解决这一问题的主要方法为对煤矸石粉表面进行改性处理，再填充改性聚烯烃类材料。《塑料科技》1991年(2)P27-31中介绍了煅烧后煤矸石粉经多种小分子偶联剂改性后，再填充聚丙烯材料的工艺，尽管此种工艺制备的煤矸石-聚丙烯复合材料耐热性和加工流动性得到一定程度提升，但是复合材料的强度和韧性大幅下降。《中国塑料》2006年(7)P35-39中介绍了熔融共混法制备聚合/煤矸石复合材料的技术路线，填充少量未经煅烧的煤矸石粉，复合材料的强度和模量得到良好改善，但是当煤矸石粉填充量增加至25％时，复合材料的强度和模量下降明显。现有文献中所述工艺虽然在一定程度上改善了煤矸石-聚烯烃复合材料的力学综合性能，也一定程度上降低了制备成本，但是对煤矸石-聚烯烃复合材料的综合性能无法同步提升，并且此类方法制备出的复合材料中煤矸石填充量很低，对成本降低及固体废弃物再利用有限。

此外，聚烯烃材料已经成为日常生活不可缺少的基础材料，被广泛应用于各个领域，但聚烯烃材料多为易燃或可燃材料，极大地限制了其应用空间。目前常用的阻燃填料为卤/锑复合阻燃填料，该阻燃填料阻燃效果虽然优异，但燃烧时会产生大量有毒有腐蚀性气体，易导致火灾现场人员窒息死亡，并且腐蚀性气体也会对建筑物和设备产生严重损坏。同时卤系阻燃剂的阻燃效率与填充量成正比，是以破坏聚烯烃材料的机械性能为前提的。传统的阻燃填料被认为是无公害阻燃剂如：氢氧化铝或氢氧化镁，但此类阻燃剂需要大量添加才能获得较好的阻燃性能并且需要辅以阻燃协效剂，会大幅降低聚烯烃材料力学性能，并且提高制备成本，此外该类阻燃填料会使煤矸石粉的填充量大幅下降，因此这一问题也亟需解决。针对以上两个阻燃剂的弊端，膦腈类阻燃填料被提出推广，膦腈是一类以磷、氮元素交替排列而成的高分子材料，具有稳定的磷氮骨架结构，该种独特的磷、氮杂化结构和高的磷、氮含量使之具有良好的热稳定性和阻燃性。膦腈类燃烧时发烟量少、阻燃效率高、不产生有毒有腐蚀性气体，被认为是最有发展前景的一类阻燃剂。

发明内容