本發明涉及有機合成、高分子復合材料的共混、材料阻燃性能測試技術領域，具體涉及一種稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料及其制備方法。
背景技術：
聚丙烯(PP)是產量最大的通用塑料之一，在包裝、紡織品、建材、汽車、電子電器、辦公用品等行業都有廣泛用途。但聚丙烯易燃，氧指數值較低，只有17-18％，而且燃燒時會產生大量熔滴，容易引發火災并導致火勢迅速蔓延。
目前，聚丙烯阻燃領域主要還是以溴系阻燃占據市場的主導地位。但是溴系阻燃聚丙烯在燃燒過程中不僅產生的煙氣量較大，而且燃燒產物中有毒氣體對環境和人體有潛在的威脅，很多應用領域都對溴系阻燃聚丙烯設限。
作為環境友好的阻燃劑，膨脹型阻燃劑阻燃聚丙烯已經成為無鹵阻燃聚丙烯中的主要產品。但是同溴系阻燃劑相比，膨脹型阻燃劑的阻燃效率相對較低，達到相同阻燃級別需要的添加量較大(一般般要25％以上才能達到UL94V0級)，雖然達到了一定阻燃效果當時卻是以犧牲材料力學性能為前提的。因此，如何在保持良好阻燃性能的同時，降低膨脹型阻燃劑在阻燃聚丙烯中的添加量，降低阻燃劑對材料力學性能的損失，成為了膨脹型阻燃劑阻燃聚丙烯研究中的關鍵性問題。
稀土氯化物中稀土元素具有獨特的4f電子結構，豐富的能級躍遷，大的原子磁矩，很強的自旋軌道耦合等特性，從而使其化合物可以催化促進高分子阻燃材料體系中的脫氫、氧化、交聯、成炭等多種反應，改善聚合物的熱穩定性，可以提高傳統阻燃劑的使用效率，以減少其使用量，從而達到經濟、節約、環保的。
而且，稀土氯化物具有較強的Lewis酸性，可以催化聚合物在加工過程中通過催化降解產生碳正離子，從而提高聚合物基體的極性，起到類似偶聯劑或增容劑的作用，可改善聚合物與阻燃劑之間的界面粘接力，有利于提高材料的力學性能。
而如何將稀土氯化物與膨脹型阻燃劑相互結合以提高聚丙烯的阻燃性能，目前尚沒有相關報道。
技術實現要素：
本發明提供一種阻燃效率高、對環境友好、不損害聚丙烯力學性能和加工性能的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料。
為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，該復合材料包括：稀土氯化物、膨脹型阻燃劑和聚丙烯。
本發明將稀土氯化物引入到膨脹型阻燃劑阻燃聚丙烯材料，稀土氯化物可以與膨脹型阻燃劑達到協同阻燃的效果，在降低膨脹型阻燃劑用量的同時，有效改善膨脹型阻燃劑阻燃聚丙烯材料的物理機械性能。
本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，該復合材料還包括抗氧劑，抗氧劑的加入可以防止聚丙烯在加工過程中發生熱氧降解。
作為優選，本發明上述的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，該材料由下列重量百分比的組分組成：聚丙烯70％-78％，膨脹型阻燃劑18.8％-24.2％，稀土氯化物3％-5.5％，抗氧劑0.2％-0.3％。
本發明上述的聚丙烯為均聚聚丙烯粒料，熔體流動速率3.0-4.2g/10min(230℃，16kg)，Mn＝58000-62000g/mol，Mw＝275500-305000g/mol。本發明的復合材料，對采用均聚聚丙烯粒料的基料有更為理想的阻燃效果，而不適用于共聚丙烯、高分子量聚丙烯、纖維級聚丙烯等。
本發明上述膨脹型阻燃劑為聚磷酸銨，氮含量＝17-19wt％，磷含量＝20-24wt％。由于聚磷酸銨其實并不是單一的化合物，不同工廠合成出來成分都有所不同，其中主要起到阻燃效果的是N和P，這兩個元素的含量要符合一定的配比才能燃燒過程中較好的膨脹達到阻燃目的，因此，本發明嚴格限定了膨脹型阻燃劑中的N和P的含量，從而保證更為理想的阻燃效果。
本發明上述稀土氯化物為六水合氯化鑭，純度大于99.99％。本發明之所以限定其純度，是因為純度低的稀土氯化物其燃燒的時候會出現炭層滴落，阻燃性能測試的時候容易引燃棉花，對力學性能沒有太大的影響。
上述抗氧劑為常見的多酚類抗氧劑1010或抗氧劑128，是為了防止聚丙烯在加工過程中發生熱氧降解。
本發明還提供一種上述稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料的制備方法為：
(1)先將聚丙烯、膨脹型阻燃劑、稀土氯化物和抗氧劑分別在80-110℃的烘箱中干燥6-10h；
(2)然后按照配方比例稱取聚丙烯和膨脹型阻燃劑在高速混煉機中預混5-10min，然后加入稀土氯化物和抗氧劑再在高速混煉機中預混5-10min；或者同時將聚丙烯、膨脹型阻燃劑、稀土氯化物和抗氧劑加入高速混煉機中預混5-10min；
(3)將步驟(2)混合好的原料放入轉矩流變儀中，在160-220℃，60-80r/min條件下熔融共混10-15min，即可得到稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料。
本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料具有如下優點和有益效果：
(1)本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，不含鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯和多溴聯苯醚等有害物質，燃燒過程中發熱發煙量低，對環境和人體危害較小。
(2)本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，稀土氯化物中的稀土元素可以催化膨脹阻燃劑的脫氫和酯化反應，更有利于發泡形成蜂窩結構的炭層，防止燃燒過程中熱、質、氣的傳遞，抑制材料燃燒，阻止火焰傳播蔓延，從而實現稀土氯化物與膨脹型阻燃劑的協同阻燃效果，降低膨脹型阻燃劑的用量。
(3)本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，稀土氯化物具有較強的Lewis酸性，有利于改善聚丙烯與膨脹型阻燃劑之間的界面粘接力，使膨脹型阻燃劑在聚丙烯中分散均勻，在改善阻燃性能的同時，使材料的物理機械性能最大程度的保持。
(4)本發明的稀土氯化物與膨脹型阻燃劑協同阻燃聚丙烯復合材料，充分利用了我國的稀土資源優勢，開拓了稀土化合物在高分子材料阻燃改性中的應用，同時也為膨脹型阻燃劑阻燃高分子材料提供材料提供了一種很好的阻燃協效劑。
(5)本發明制備的是復合材料，不同于傳統單純的阻燃劑的合成，且現有技術阻燃劑多是通過化學鍵合將稀土元素接到三聚氰胺阻燃劑分子上，而本發明是將聚磷酸銨和稀土氯化物簡單物理混合，不涉及化學改性；現有技術合成阻燃劑的過程中占用了或者部分占用了稀土元素的4f軌道，使其失去了或者部分失去了Lewis酸性，不具有我們發明中稀土氯化物具有較強的Lewis酸性，有利于改善聚丙烯與膨脹型阻燃劑之間的界面粘接力，使膨脹型阻燃劑在聚丙烯中分散均勻，在改善阻燃性能的同時，使材料的物理機械性能最大程度的保持的效果。
具體實施方式
下面通過具體實施例對本發明做進一步詳細描述，但本發明不僅僅局限于以下實施例。該領域的技術熟練人員根據本發明內容對本發明作出的一些非本質的改進和調整仍屬于本發明的保護范圍。
本發明以下實施例和對比例使用的各項原料，如無特殊說明均為市售產品。
各實施例與對比例的配方比例、阻燃級別及力學性能參見表1。將表1中各實施例的原料按照配比稱量好后，先將聚丙烯、膨脹型阻燃劑、稀土氯化物和抗氧劑分別在80-110℃的烘箱中干燥6-10h，然后按照配方比例稱取聚丙烯和膨脹型阻燃劑在高速混煉機中預混5-10min，然后加入稀土氯化物和抗氧劑再在高速混煉機中預混5-10min，將混合好的原料放入轉矩流變儀中，在160-220℃，60-80r/min條件下熔融共混10-15min，即可得到實施例樣品。對比例制備時只需要不添加入稀土氯化物即可，其他條件與實施例一致。然后將各實施例與對比例樣品按照ASTM D2863進行垂直燃燒測試，獲得UL94垂直燃燒級別；按照GB/T1040進行拉伸測試，獲得拉伸強度；按照ASTM D256進行沖擊測試，獲得懸臂梁缺口沖擊強度。
表1.各實施例與對比例中的配方(重量百分比)、垂直燃燒測試和沖擊測試結果
從表1中可以看出，在對比例1中加入稀土氯化物后，膨脹型阻燃劑的用量減少，材料從無UL94垂直燃燒級別提高到UL94V2，而且沖擊強度大幅提高；對于對比例2、對比例3而言，加入稀土氯化物后，膨脹型阻燃劑的用量減少，阻燃性能不變，但是力學性能有了很大的改善；從實施例2-7可以看出，加入稀土氯化物后材料的沖擊強度提高，但是當稀土氯化物添加量過高時，沖擊強度會有所降低，所以稀土氯化物的添加量要適當。