一种基于环保的赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯 【技术领域】
本发明涉及赤泥的综合利用、环境保护和阻燃塑料技术领域。本发明提供的赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯复合材料尤其适用于电子电器、建筑材料、交通领域重要公共场所的火灾安全防护。
背景技术
赤泥是在铝土矿中提炼氧化铝的过程中形成的，主要成分为SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，其各组分含量又因铝土矿的产地和氧化铝的生产工艺不同而异。
赤泥是氧化铝生产过程中产生的最大工业废渣，给社会，环境带来了严重的负担。我国作为世界第四大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨。大量的赤泥不能充分有效的利用，只能依靠大面积的堆场堆放，占用了大量土地，也对环境造成了严重的污染。更加全面地研究赤泥的综合利用方法已经成为现阶段一项迫在眉睫的任务。目前在塑料工业中，赤泥主要用作塑料功能性填料。
随着塑料工业的发展，人们对塑料产品各种性能的要求越来越高，对塑料制品的防火安全提出了更高的要求。不但阻燃性能要求更高，还要求无卤或无公害。聚乙烯(PE)质轻，无毒，具有优良的电绝缘性能、耐腐蚀性能，而且价格低廉，成型加工容易，因而需求量大，被广泛应用。但聚乙烯易燃，耐热性差，氧指数只有17.4％，在高压放热放电条件下极易燃烧引发火灾，且PE在燃烧时会产生熔融滴落物，易引燃其它物品，导致火灾蔓延，因此PE阻燃一直是备受关注的研究领域。聚乙烯的阻燃一直都以有卤阻燃为主，卤素阻燃剂由于其添加量少，阻燃效果好而得到广泛应用。但由于其毒性大，发烟量高，目前无卤阻燃技术已逐步取代之。以氢氧化铝，氢氧化镁为主的无机阻燃剂由于其无毒，抑烟而广泛应用。但也存在一些缺点，如添加量大，加工性能及力学性能变差。赤泥作塑料填料的研究已进行多年，近年来随着塑料加工及填料表面处理剂的不断改进，赤泥在塑料行业的应用取得了新的进展。由于赤泥特有的化学组成，使其具有良好的抗老化性能、热稳定性能。同时，因为赤泥的流动性要好于其它填料，这就使塑料具有良好的加工性能。专利CN1944029提出了一种聚氯乙烯(PVC)彩色塑料型材的生产方法。利用赤泥粉与聚氯乙烯(PVC)混炼，通过复合工艺生产出彩色塑料型材，其产品具有抗紫外线老化、耐污染、不易褪色的显著优点，其色度饱满、手感光滑、高贵典雅的颜色具有较好的美化装饰效果，且原材料价格较低。适用于生产PVC塑料门窗型材、异型材等，具有较好的社会、经济效益。专利CN1047512将木屑、赤泥用于改性塑料，混合物中各组分重量比为废热塑性塑料∶木屑∶赤泥＝20-50∶15-65∶15-65。改性塑料的方法特点是生产成本低，改性后的塑料混合物易于模制成型，其制品强度高，防水性能好，表面花纹美观。本发明开发出阻燃效果良好、成本低廉的赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯，用于聚乙烯的无卤阻燃，不仅消化大量的赤泥废物，同时也带来良好的经济与社会效益。
【发明内容】
本发明的目的是开发一种对赤泥进行综合利用的方法，有效利用这一工业废渣。本发明以赤泥为原料，粉碎细化，通过在聚乙烯(PE)中的协同复配应用研究，制备出阻燃效率良好、成本低廉、力学性能满足工业应用要求的环保型赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯。
本发明选择在电子电器领域、线缆材料中广泛应用的聚乙烯为被阻燃的基材；选择赤泥作为无机添加型阻燃剂；添加红磷、硼酸锌等无机阻燃剂为协同阻燃剂，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物及接枝聚乙烯为增容剂。采用极限氧指数、UL-94垂直燃烧等测试方法对赤泥阻燃聚乙烯复合材料阻燃性能进行综合评价，并对赤泥阻燃聚乙烯复合材料的加工性能和力学性能进行了研究。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种基于环保的赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯，由下列质量百分比的组分构成：
聚乙烯 30～35％
赤泥 54～26％
协同阻燃剂 10～21％
增容剂 5～14％
硅油 1～4％
所用赤泥根据氧化铝的生产工艺不同优选用拜耳法赤泥。
所述的协同阻燃剂由红磷、硼酸锌组成，其比例关系为1∶2。
所述的增容剂，包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物和接枝聚乙烯，其质量百分比为2～3％和4～7％；其中乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中乙烯基含量为18％～45％，接枝聚乙烯的接枝率为5～10％。
所述硅油为二甲基硅氧烷，用以改善加工流变性能及润滑性。
本发明的一种基于环保的赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯的制备工艺，是将赤泥粉碎，其粒径为400～1000目，经干燥，干燥温度为80～100℃，按配方比例与各组分复配；再与聚乙烯树脂经搅拌混合，搅拌转速为800～1500r/min，经熔融共混加工工艺制备成品。
所述的熔融共混加工工艺条件为：熔融共混温度为140～150℃；由平板硫化机按标准制备成品，制备温度为120～130℃，加热时间4～8min，压力10～20MPa。
所述聚乙烯是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。具有很好的电性能，特别是绝缘介电强度高，尤其适用于电线电缆。中到高分子量等级具有极好地抗冲击性，在常温甚至在-40F低温度下均如此。它具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好。本发明中所用赤泥根据氧化铝的生产工艺不同而分为拜耳法和烧结法两类。拜耳法赤泥初始分解温度为238℃，可满足阻燃聚合物的加工温度要求。拜耳法赤泥在受热过程中有一定量结晶水释出，从而较之烧结法赤泥具有更好的阻燃效果。协同阻燃剂由红磷、硼酸锌组成。在非卤素阻燃剂中红磷是一种性能良好的阻燃剂，具有添加量少、阻燃效率高、低烟、低毒、用途广泛等优点。红磷无机阻燃剂复配使用可使阻燃剂量大幅降低，从而改善塑料制品的加工性能和物理机械性能。硼酸锌是无机添加型阻燃剂，其特点是为热稳定性好，即能阻燃又能消烟，在部分产品中可替代三氧化二锑，也可以同其它无机阻燃剂协同使用，其效果更佳。应用于橡胶、塑料、电缆、木材，国防军工产品、涂料、篷布等行业。
有益效果
本发明赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯具有如下特点：
(1)扩大了赤泥的应用领域，符合环保要求，制备了一种高附加值的赤泥产品。
(2)经过对赤泥粉碎细化工艺流程处理，赤泥复合型阻燃剂平均粒度小于10μm，达到了无机阻燃剂的粒度使用要求。
(3)与红磷、硼酸锌两种无机阻燃剂的协同配合使用，进一步提高了体系的阻燃性能。
(4)增容剂乙烯-醋酸乙烯酯共聚物可以有效改善基体树脂聚乙烯与大量添加的赤泥之间的相容性。接枝聚乙烯改善相容性的同时促进成炭，提高阻燃性能。
采用上述技术制备出了阻燃效率良好、成本低廉、力学性能满足工业应用要求的环保型赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯。表1列出了本发明阻燃聚乙烯的阻燃性能测试结果。
表1拜耳法赤泥复配协同阻燃PE阻燃燃烧性能测试结果
可以看到，本发明赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯阻燃性能的LOI达到了30％。烟密度测试数据表明，该阻燃体系具有良好的抑烟性能。该体系力学性能满足工业应用要求，具有阻燃效率良好、成本低廉、环保等综合性能。本发明提供的阻燃聚乙烯复合材料适用于电子电器、建筑材料、交通领域重要公共场所的火灾安全防护。
【具体实施方式】
实施例
本发明赤泥复配改性协同阻燃聚乙烯以聚乙烯基体树脂质量为100份计量，其余组分以相对于100份树脂含量计(phr，每100份树脂添加填料的份数)。配方组分含量及技术性能指标如表2所示。
表2本发明实施例组份及性能指标
表2中各实施例的制备方法相同，按表2配方组分比例配料，熔融共混加工，制备样品。加工工艺条件：双辊混炼机辊温为140～150℃；平板硫化机样品成型温度为120～130℃，加热时间4min，压力10MPa。