本发明涉及阻燃聚丙烯材料，具体涉及阻燃改性碳纤维及其制备方法和其阻燃增强聚丙烯应用。
背景技术：
1、碳纤维(cf)质量轻、纤度好和抗拉强度高，并具有一般碳材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等，其与树脂、金属、陶瓷等基体复合后形成的碳纤维复合材料，也具有较高的比强度、比模量、耐疲劳、导热、导电等一系列优良性质，在现代工业方面应用非常广泛。
2、聚合物材料含有大量碳氢元素，具有易燃的特性，而添加了碳纤维的聚合物复合材料(聚合物/cf复合材料)，在高温下聚合物熔体会浸润至cf表面并产生界面张力，产生“烛芯效应”，即聚合物熔体会通过cf表面迅速浸润、铺展并流动至燃烧区域，进一步增加了聚合物复合材料的火灾危险性，使得添加cf的聚合物复合材料的阻燃改性难度大大增加，以及开发和应用受到限制。
3、聚合物材料具有优异的综合性能，被广泛应用于交通运输、电子电气、国防工业等领域。但聚合物材料体积电阻率很大，在使用过程中易产生并带上静电，存在潜在危害。其中聚丙稀(pp)是一种价廉、耐较高温度、防腐性能和综合性能优良的通用塑料。然而在化工和煤碳行业中对pp材料的力学性能和抗静电性能有较高的要求，以满足使用过程中对工作压力和抗静电的要求，实现安全生产。碳纤维增强聚丙烯复合材料结合了两者的优点，改善原材料的缺点和不足，重点提高了材料的机械性能和抗静电性能，在汽车船舶、航空航天、交通运输等领域均有广阔的应用前景。
4、为了降低cf增强聚合物材料的可燃性，目前较为广泛的解决办法是通过在聚合物/cf复合材料中添加足量的优质阻燃剂来抑制“烛芯效应”，但大量阻燃剂的添加会严重影响聚合物材料的力学性能，导致cf在聚合物材料中的增益效果降低；近年来，对cf进行表面阻燃改性的方法还处于起步阶段，鲜有相关研究的报道，因此对于cf进行表面阻燃改性的探索研究具有广阔的前景。
技术实现思路
1、本发明意在提供一种阻燃改性碳纤维，以解决现有技术中的碳纤维改性聚丙烯的力学性能、抗静电性能和阻燃性能不能同时得到优化的技术问题。
2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种阻燃改性碳纤维，碳纤维表面修饰有如式(10)所示的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物；在式(10)中，mpp代表化学式如式(8)所示的三聚氰胺聚磷酸盐，papp代表化学式如式(1)所示的聚焦磷酸哌嗪；
4、
5、其中，500＜m＜10000，500＜n＜10000，x＞0,y＞0,p＞0,papp和mpp的质量比为1：0.2-5。
6、进一步，阻燃改性碳纤维，其原料包括80-160质量份的经氨基化改性后的碳纤维与0.1-5质量份的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物。
7、本技术方案还提供了一种阻燃改性碳纤维的制备方法，包括以下依次进行的步骤：
8、s1：聚焦磷酸哌嗪和三聚氰胺聚磷酸盐以1：0.2-5的质量比，在200-280℃、0.1-1.5mpa氮气氛围的反应条件下，经过30-180min的热聚合脱水反应，获得聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物；
9、优选地，聚焦磷酸哌嗪和三聚氰胺聚磷酸盐以1：0.7的质量比，在250℃、0.4mpa氮气氛围的反应条件下，经过180min的热聚合脱水反应，获得聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物；
10、s2：使用1-5质量份的氨基类偶联剂对100质量份的碳纤维进行表面改性，获得氨基化改性的碳纤维；使用0.1-5质量份的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物对80-160质量份的氨基化改性的碳纤维进行表面改性，获得阻燃改性碳纤维。
11、进一步，在s1中，聚焦磷酸哌嗪由如下方法获取：二磷酸哌嗪在氮气氛围、0.05-0.3mpa的压力环境、120-320℃的条件下，热处理30-240min，热聚合脱水缩合成聚焦磷酸哌嗪。
12、进一步，在s1中，三聚氰胺聚磷酸盐由如下方法获得：聚氰胺磷酸盐在氮气氛围、0.05-0.3mpa的压力环境、220-360℃的条件下，热处理60-300min，热聚合脱水缩合成三聚氰胺聚磷酸盐。
13、进一步，在s2中，将碳纤维分散于乙醇溶液中，然后加入氨基类偶联剂，60-100℃反应4-8h，获得氨基化改性的碳纤维。
14、进一步，在s2中，将氨基化改性的碳纤维分散于溶剂中，然后加入氨基化改性的碳纤维，20-50℃反应2-12h，获得阻燃改性碳纤维。
15、本技术方案还提供了一种阻燃改性碳纤维在制备阻燃增强聚丙烯中的应用，以重量份计，阻燃增强聚丙烯的原料包括：聚丙烯30-60份、阻燃改性碳纤维5-60份、焦磷酸哌嗪5-20份、三聚氰胺聚磷酸盐5-20份、阻燃协效剂0.5-5份、马来酸酐接枝pp 1-6份、偶联剂0.5-3份、润滑剂0.3-3份、抗氧剂0.2-0.5份。
16、进一步，所述聚丙烯为熔指为在温度230℃和负荷2.16kg的条件下，熔融指数＞0g/10min，且＜100g/10min中的任意一种或几种的混合物；三聚氰胺聚磷酸盐的1％热失重≥360℃；阻燃协效剂包括无水硼酸锌、3.5水硼酸锌、氧化锌、磷酸锆中的至少一种；偶联剂为硅烷类偶联剂，包括氨基硅烷偶联剂kh-9120、异氰酸酯基硅烷偶联剂kt-930、环氧基硅烷偶联剂kh-1006和kh-9130中的至少一种；润滑剂包括白油、硅油、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、硅酮和酰胺蜡中的至少一种；抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010和抗氧剂1098中的至少一种。
17、进一步，阻燃增强聚丙烯由如下方法制备：将焦磷酸哌嗪、三聚氰胺聚磷酸盐和阻燃协效剂加入混料机中，在常温下搅拌5-30分钟；升高混料机温度到80-160℃，再将偶联剂加入继续搅拌10-30分钟；降温到室温后，加入聚丙烯、润滑剂、成核剂和抗氧剂，搅拌5-30分钟，获得物料混合物；取物料混合物用双螺杆挤出机挤出，挤出温度为170-250℃，阻燃改性碳纤维通过侧喂料加入，通过挤出、拉条、切粒和筛分脱水后，获得阻燃增强聚丙烯颗粒料。
18、综上所述，本发明通过对碳纤维表面改性，将成炭效果优异的大分子膨胀型阻燃剂包覆于碳纤维表面，使得聚合物/cf复合材料在高温下迅速在cf表面形成膨胀致密且坚硬的炭层，从而大大抑制“烛芯效应”；并且，cf表面用具有一定分子链的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物(papp-co-mpp)改性后，还可提高碳纤维和阻燃聚丙烯的相容性，其在cf和其他阻燃剂/聚丙烯之间起到了桥梁和锚固作用，进而提高其阻燃增强聚丙烯的力学性能，再加上阻燃剂带羟基，部分样条表面的羟基和空气的水分子形成分子间作用力，进而提高材料的抗静电能力。将聚焦磷酸哌嗪和三聚氰胺聚磷酸盐制备为无规共聚物的形式，可以充分发挥二者在增强力学性能、提升阻燃性能和增加抗静电性能上的协同增效作用。
1.一种阻燃改性碳纤维，其特征在于，碳纤维表面修饰有如式(10)所示的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物；在式(10)中，mpp代表化学式如式(8)所示的三聚氰胺聚磷酸盐，papp代表化学式如式(1)所示的聚焦磷酸哌嗪；
2.根据权利要求1所述的一种阻燃改性碳纤维，其特征在于：其原料包括80-160质量份的经氨基化改性后的碳纤维与0.1-5质量份的聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物。
3.根据权利要求1或2所述的一种阻燃改性碳纤维的制备方法，其特征在于：包括以下依次进行的步骤：
4.根据权利要求3所述的一种阻燃改性碳纤维的制备方法，其特征在于：在s1中，聚焦磷酸哌嗪由如下方法获取：二磷酸哌嗪在氮气氛围、0.05-0.3mpa的压力环境、120-320℃的条件下，热处理30-240min，热聚合脱水缩合成聚焦磷酸哌嗪。
5.根据权利要求3所述的一种阻燃改性碳纤维的制备方法，其特征在于：在s1中，三聚氰胺聚磷酸盐由如下方法获得：聚氰胺磷酸盐在氮气氛围、0.05-0.3mpa的压力环境、220-360℃的条件下，热处理60-300min，热聚合脱水缩合成三聚氰胺聚磷酸盐。
6.根据权利要求3所述的一种阻燃改性碳纤维的制备方法，其特征在于：在s2中，将碳纤维分散于乙醇溶液中，然后在200-1500rpm的搅拌条件下加入氨基类偶联剂，60-100℃反应4-8h，获得氨基化改性的碳纤维。
7.根据权利要求6所述的一种阻燃改性碳纤维的制备方法，其特征在于：在s2中，将氨基化改性的碳纤维分散于溶剂中，然后加入聚焦磷酸哌嗪-三聚氰胺聚磷酸盐无规共聚物，20-50℃反应2-12h，获得阻燃改性碳纤维。
8.根据权利要求1或2所述的一种阻燃改性碳纤维在制备阻燃增强聚丙烯中的应用，其特征在于：以重量份计，其原料包括：聚丙烯30-60份、阻燃改性碳纤维5-60份、焦磷酸哌嗪5-20份、三聚氰胺聚磷酸盐5-20份、阻燃协效剂0.5-5份、马来酸酐接枝pp 1-6份、偶联剂0.5-3份、润滑剂0.3-3份、抗氧剂0.2-0.5份。
9.根据权利要求8所述的一种阻燃改性碳纤维在制备阻燃增强聚丙烯中的应用，其特征在于：所述聚丙烯为熔指为在温度230℃和负荷2.16kg的条件下，熔融指数＞0g/10min，且＜100g/10min中的任意一种或几种的混合物；三聚氰胺聚磷酸盐的1％热失重≥360℃；阻燃协效剂包括无水硼酸锌、3.5水硼酸锌、氧化锌、磷酸锆中的至少一种；偶联剂为硅烷类偶联剂，包括kh-9120、kt-930、kh-1006和kh-9130中的至少一种；润滑剂包括白油、硅油、聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、硅酮和酰胺蜡中的至少一种；抗氧剂包括抗氧剂168、抗氧剂1010和抗氧剂1098中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的一种阻燃改性碳纤维在制备阻燃增强聚丙烯中的应用，其特征在于：阻燃增强聚丙烯由如下方法制备：将焦磷酸哌嗪、三聚氰胺聚磷酸盐和阻燃协效剂加入混料机中，在常温下搅拌5-30分钟；升高混料机温度到80-160℃，再将偶联剂加入继续搅拌10-30分钟；降温到室温后，加入聚丙烯、润滑剂、成核剂和抗氧剂，搅拌5-30分钟，获得物料混合物；取物料混合物用双螺杆挤出机挤出，挤出温度为170-250℃，阻燃改性碳纤维通过侧喂料加入，通过挤出、拉条、切粒和筛分脱水后，获得阻燃增强聚丙烯颗粒料。
