本发明涉及煤矿非金属制品领域，具体是涉及一种煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂及其制备方法和应用。
背景技术：
1、煤矿非金属制品，如管道、密封件和电缆护套等，在煤矿环境中具有重要的应用。然而，由于煤矿环境的特殊性，这些非金属制品在使用过程中面临高温、易燃物质和机械应力等多重考验。为确保煤矿的安全生产和操作，非金属制品必须具备优异的阻燃性能。
2、现有技术中，煤矿非金属制品的阻燃性能主要依赖于添加各类阻燃剂。然而，传统阻燃剂存在以下几个方面的不足：
3、1.添加量大：为了达到理想的阻燃效果，传统阻燃剂需要大量添加，这不仅增加了制品的成本，还可能影响材料的机械性能和加工性能。
4、2.阻燃性能不稳定：一些阻燃剂在高温条件下容易分解或失效，导致材料的阻燃性能不稳定，无法长期保障制品的安全使用。
5、3.环境污染问题：部分传统阻燃剂含有卤素或其他有害化学成分，在使用和废弃过程中可能释放有毒气体或残留物，对环境和人体健康造成潜在威胁。
6、4.机械性能影响：许多阻燃剂在提高阻燃性能的同时，往往对材料的机械性能（如拉伸强度、韧性等）造成不利影响，使得制品在实际使用中容易破损或老化。
7、针对以上问题，如何开发一种高效、环保、机械性能优良且易于工业化生产的阻燃剂，成为煤矿非金属制品领域的一个重要研究方向。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明旨在提供一种煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂及其制备方法和应用，该阻燃剂将锡基和铋基化合物相结合，配置出具有高效的阻燃效果，同时不含卤素，对环境友好的锡铋基阻燃剂，使其在煤矿非金属制品中的应用前景更加广阔，不仅显著提高了非金属制品的阻燃性能，还具备良好的机械性能和环境友好性，适合在煤矿复杂环境中使用。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，包括以下按照重量份的原料：
4、改性锡粉 40-60份；铋粉 20-30份；三氧化二锑 5-10份；硼酸锌 5-10份；羟基磷酸钙 2-4份；聚磷酸铵 3-6份；纳米二氧化硅 1-3份；氧化镁 2-5份；氢氧化铝 10-20份；硅烷偶联剂 0.5-1份；辛基酚聚氧乙烯醚 0.1-0.5份、聚乙烯吡咯烷酮 0.2-0.6份。
5、作为本发明进一步的方案，所述改性锡粉为表面包覆氧化铝的锡粉，改性锡粉的粒径为10-50um，氧化铝包覆层厚度为100nm，松装密度为2.0-2.5 g/cm³，改性锡粉通过化学气相沉积在锡粉表面形成均匀的氧化铝包覆层。
6、作为本发明进一步的方案，所述铋粉的粒径为10-50um，松装密度为9.8-10.2 g/cm³，用于与改性锡粉结合形成锡铋合金。
7、作为本发明进一步的方案，所述硼酸锌为粒径在50-100nm，比表面积在30m²/g的超细硼酸锌；所述羟基磷酸钙为粒径在20-50nm，比表面积在60m²/g的纳米羟基磷酸钙，用于与硼酸锌起协同阻燃作用，在硼酸锌在高温下分解出水蒸气，羟基磷酸钙在高温下分解出的水蒸气和磷酸，通过协同释放水蒸气稀释燃烧产生的烟雾和促进碳层形成，起到抑烟作用。
8、作为本发明进一步的方案，所述三氧化二锑粒径为100nm至1um，比表面积在20m²/g；所述聚磷酸铵粒径为100-500nm，密度为1.9g/cm³，聚磷酸铵的聚合度大于200，用于与微纳米三氧化二锑协同作用。
9、作为本发明进一步的方案，所述纳米二氧化硅、氧化镁和氢氧化铝的粒径均在10-50nm，其中，纳米二氧化硅的比表面积为200-400 m²/g，氧化镁的比表面积为150 m²/g，氢氧化铝的比表面积为100 m²/g，氧化镁用于与氢氧化铝、纳米二氧化硅协同作用。
10、作为本发明进一步的方案，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷，用于通过硅烷基部分与纳米二氧化硅表面发生化学反应，通过氨基与氧化镁表面发生化学反应，通过有机基团与氢氧化铝表面发生化学反应，对纳米二氧化硅、氧化镁、氢氧化铝进行表面改性。
11、作为本发明进一步的方案，所述辛基酚聚氧乙烯醚作为乳化剂，用于在油相和水相之间形成稳定的乳液，用于分散改性锡粉和铋粉的固体颗粒， 由辛基酚和环氧乙烷在反应釜中通过氮气置换，并加入氢氧化钾作为催化剂反应制得，其中，反应时，升温至130-150℃，逐步加入环氧乙烷，并保持反应压力在0.2-0.4 mpa之间，反应3-6小时至环氧乙烷与辛基酚完全反应，生成的目标产物，经过减压蒸馏去除未反应的环氧乙烷和挥发性物质后，纯化、干燥得到的辛基酚聚氧乙烯醚。
12、作为本发明进一步的方案，所述聚乙烯吡咯烷酮为k30型聚乙烯吡咯烷酮，粘度为5-10 mpa.s ，密度为1.2 g/cm³，通过乙烯基吡咯烷酮单体与过硫酸钾在反应容器加入乙醇反应，控制反应温度在60-80℃之间，搅拌均匀后反应4-8小时，分离得到聚乙烯吡咯烷酮，用于与辛基酚聚氧乙烯醚协同作用。
13、第二方面，本发明还提供了一种基于煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂的制备方法，步骤如下：
14、1）按照重量份称取改性锡粉、铋粉、三氧化二锑、硼酸锌、羟基磷酸钙、聚磷酸铵、纳米二氧化硅、氧化镁、氢氧化铝、硅烷偶联剂、辛基酚聚氧乙烯醚以及聚乙烯吡咯烷酮，备用；
15、2）铋粉活化处理：将称取的20%的硅烷偶联剂溶解无水乙醇中，制成0.5-1%的硅烷偶联剂溶液；将铋粉均匀摊开，并在摊开的铋粉表面充分喷涂硅烷偶联剂溶液，将喷涂后的铋粉置于烘箱中，在80-100℃下烘干1-2小时，得到硅烷偶联剂活化处理的铋粉；
16、3）将改性锡粉与活化处理的铋粉按照重量比加入到球磨机中进行球磨预混合，形成锡铋合金粉；
17、4）将纳米二氧化硅、氧化镁、氢氧化铝加入到反应釜中，并缓慢加入剩余量的硅烷偶联剂，搅拌速度为200-250 r/min，搅拌时间为10-20分钟，温度控制在25℃，使硅烷偶联剂充分与纳米二氧化硅、氧化镁、氢氧化铝表面发生反应，进行表面改性；
18、5）向反应釜中继续加入三氧化二锑、硼酸锌、羟基磷酸钙、聚磷酸铵，以300-500r/min，继续搅拌5-10分钟，得到混合的阻燃剂组分，并将球磨机中形成的锡铋合金粉转移至反应釜中，继续搅拌15-30分钟至各组分均匀混合，得到增强混合物；
19、6）将辛基酚聚氧乙烯醚和聚乙烯吡咯烷酮按配比混合，将形成的乳液加入到反应釜的增强混合物中，以300-500 r/min的速度混合30-60分钟，乳液充分分散改性锡粉和铋粉的固体颗粒，形成阻燃混合浆料；
20、7）将混合浆料进行干燥处理，去除水分，干燥温度控制在60-80℃，干燥时间为3-5小时，干燥后，将物料进行粉碎和筛分，得到粒径均匀的锡铋基高效阻燃剂成品，装入密闭容器中，存放于干燥、阴凉处备用。
21、作为本发明的进一步方案，所述基于煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂的制备方法中，还包括改性锡粉的制备，改性锡粉的制备方法包括以下步骤：
22、步骤1、锡粉准备：取粒径为10-50µm的锡粉；
23、步骤2、化学气相沉积（cvd）反应器清洁：确保cvd反应器内部无杂质和污染物，将粒径为10-50µm的锡粉均匀摊开在cvd反应器内的反应平台上；
24、步骤3、氮气冲洗：在室温下，通过反应器通入高纯氮气，冲洗20-30分钟，以去除反应器内部的空气和水分；
25、步骤4、升温：将反应器加热至300-400℃；
26、步骤5、铝源化合物和氧气通入：将三氯化铝气化，通入三氯化铝作为铝源化合物，利用氮气作为载气入反应器，通入高纯氧气作为氧化剂，控制氧气流量，反应30-60分钟；
27、步骤6、降温和冲洗：关闭三氯化铝和氧气的反应气体供给，继续通入高纯氮气，缓慢降温至室温；
28、步骤7、收集改性锡粉：打开反应器，取出样品托盘，并筛分收集改性锡粉，粒径为10-50µm。
29、作为本发明的进一步方案，铋粉活化处理时，取粒径为10-50µm的铋粉，将铋粉均匀摊开，保持喷雾器在铋粉表面20-30厘米的距离喷涂硅烷偶联剂溶液，用搅拌器多次搅动铋粉再次均匀喷涂硅烷偶联剂溶液，将喷涂后的铋粉置于烘箱中，在80-100℃下烘干1-2小时，得到硅烷偶联剂活化处理的铋粉。
30、作为本发明的进一步方案，纳米二氧化硅的活化处理时，取粒径为10-50nm的纳米二氧化硅，将纳米二氧化硅均匀摊开，在纳米二氧化硅表面喷涂硅烷偶联剂溶液，用搅拌器多次搅动纳米二氧化硅再次均匀喷涂硅烷偶联剂溶液，将喷涂后的纳米二氧化硅置于烘箱中，在80-100℃下烘干1-2小时，得到硅烷偶联剂活化处理的纳米二氧化硅。
31、第三方面，本发明还提供了一种煤矿非金属制品，应用基于煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂制造，所述煤矿非金属制品的制造方法为：
32、按照质量比5-10%的比例将制备好的锡铋基高效阻燃剂粉体均匀添加到基体材料中， 通过高混机将阻燃剂与基体材料充分混合， 将混合后的材料通过注塑、挤出或模压成型工艺加工成所需的煤矿非金属制品。
33、与现有技术相比，本发明的一种煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂及其制备方法和应用具有以下有益效果：
34、1.具备优异的阻燃性能：该锡铋基阻燃剂在高温条件下能有效抑制燃烧。其主要成分锡粉和铋粉在高温下能迅速反应，形成阻燃层，阻止燃烧的扩散，提高煤矿非金属制品的防火能力，并通过改性锡粉表面包覆氧化铝层，提高了耐热性和阻燃效果，粒径和松装密度的优化确保了其在混合物中的均匀分布。
35、2.具备高效的抑烟作用：由于添加了硼酸锌和羟基磷酸钙，在高温下分解生成水蒸气和磷酸，有效稀释燃烧产生的烟雾，同时形成一层碳化保护膜，进一步减少烟雾的排放，提高产品的安全性。
36、3.具备协同阻燃效应：该锡铋基阻燃剂中，三氧化二锑、聚磷酸铵、纳米二氧化硅、氧化镁和氢氧化铝之间的协同作用显著增强了阻燃剂的整体性能。三氧化二锑和聚磷酸铵共同作用，促进形成稳定的阻燃结构；纳米二氧化硅和氧化镁则提高了材料的分散性和均匀性，进一步提升了阻燃效果。
37、4.具备表面改性提升性能：该锡铋基阻燃剂中，通过硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷对纳米二氧化硅、氧化镁和氢氧化铝进行了表面改性，提高了它们与其他组分的相容性和分散性，确保了阻燃剂的均匀分布和稳定性。
38、5.高效易用的制备方法：本发明的阻燃剂制备方法简单易行，通过配比和化学气相沉积、混合、乳化、干燥和成型等步骤，高效的混合器和乳化处理，确保了各组分的充分混合和分散，提高了阻燃剂的均匀性和稳定性，保证了产品的高效性和一致性，适合大规模工业生产，所有原料均为无毒无害材料，符合环保标准，不会对环境造成污染。特别是选择了环保型阻燃剂成分，如改性锡粉和铋粉，减少了有害物质的释放，保护了环境和人类健康；该阻燃剂适用于多种煤矿非金属制品，如电缆护套、塑料制品、橡胶制品等，提高了这些制品的防火性能和安全性，为煤矿安全生产提供了强有力的技术支持。
39、综上所述，本发明的锡铋基高效阻燃剂及其制备方法和应用，具有优异的阻燃性能、高效的抑烟作用、显著的协同效应 、环保友好等优点，适用于煤矿非金属制品的广泛应用，提高了煤矿生产的安全性和可靠性，为防火技术提供了新的解决方案。
40、为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合具体实施例来对本发明进行详细说明。
1.一种煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：
2.根据权利要求1所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述改性锡粉为表面包覆氧化铝的锡粉，改性锡粉的粒径为10-50um，氧化铝包覆层厚度为100nm，松装密度为2.0-2.5 g/cm³，改性锡粉通过化学气相沉积在锡粉表面形成均匀的氧化铝包覆层。
3.根据权利要求2所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述铋粉的粒径为10-50um，松装密度为9.8-10.2 g/cm³，用于与改性锡粉结合形成锡铋合金。
4.根据权利要求3所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述硼酸锌为粒径在50-100nm，比表面积在30m²/g的超细硼酸锌；所述羟基磷酸钙为粒径在20-50nm，比表面积在60m²/g的纳米羟基磷酸钙，用于与硼酸锌起协同阻燃作用，在硼酸锌在高温下分解出水蒸气，羟基磷酸钙在高温下分解出的水蒸气和磷酸，通过协同释放水蒸气稀释燃烧产生的烟雾和促进碳层形成。
5.根据权利要求4所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述三氧化二锑粒径为100nm至1um，比表面积在20m²/g；所述聚磷酸铵粒径为100-500nm，密度为1.9g/cm³，聚磷酸铵的聚合度大于200，用于与微纳米三氧化二锑协同作用。
6.根据权利要求5所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述纳米二氧化硅、氧化镁和氢氧化铝的粒径均在10-50nm，其中，纳米二氧化硅的比表面积为200-400 m²/g，氧化镁的比表面积为150 m²/g，氢氧化铝的比表面积为100 m²/g，氧化镁用于与氢氧化铝、纳米二氧化硅协同作用。
7.根据权利要求6所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。
8.据权利要求7所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂，其特征在于，所述聚乙烯吡咯烷酮为k30型聚乙烯吡咯烷酮，粘度为5-10 mpa.s ，密度为1.2 g/cm³，通过乙烯基吡咯烷酮单体与过硫酸钾在反应容器加入乙醇反应，控制反应温度在60-80℃之间，搅拌均匀后反应4-8小时，分离得到聚乙烯吡咯烷酮。
9.一种如权利要求1-8任一所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
10.一种煤矿非金属制品，应用如权利要求1-8任一所述的煤矿非金属制品用锡铋基高效阻燃剂制造，其特征在于，所述煤矿非金属制品的制造方法为：
