CN102408897B - 一种双层核壳结构膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层核壳结构膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用。该阻燃剂以聚磷酸铵为囊芯，囊材由内向外依次为环氧树脂层和三聚氰胺-甲醛树脂层。本发明通过将三聚氰胺和质量百分比37％的甲醛水溶液混合，溶于水中，得到反应体系，接着调pH值为8～9，搅拌升温至60～95℃，保温反应，得到三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液；将聚磷酸铵粉粒悬浮于分散剂中，加入环氧树脂和固化剂，搅拌反应，然后加入前述三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液和硬化剂，搅拌反应，抽滤、洗涤、干燥后即得双层核壳结构膨胀型阻燃剂。该阻燃剂由于具有双层核壳结构，在复合材料加工过程中囊材不易被挤压、破裂而导致囊芯的损失；且具有更好的相容性、阻燃与耐水性能。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种双层核壳结构膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着聚合物在近代生活中越来越广泛的应用，聚合物阻燃技术飞速发展，经历了从卤系阻燃到无卤阻燃的发展过程，阻燃体系不断的丰富和完善，其中膨胀型阻燃体系以其无卤、低烟、低毒、防融滴和无腐蚀气体产生等优点，成为目前阻燃研究的热点。
膨胀阻燃体系是一个以C、N、P为核心成分的阻燃体系，主要由酸源、炭源、气源三部分组成。其中酸源在燃烧时产生酸，作为脱水剂与炭源反应生成炭层，气源释放气体使炭层膨胀，从而阻隔热量传递和隔绝氧气，实现阻燃的目的。聚磷酸铵(APP)做为一种重要的阻燃剂，常在膨胀型阻燃体系中作为酸源使用，然而由于其自身结构的原因，APP吸湿性很强，且与基体的相容性不好，在共混过程中容易出现团聚等问题，在高温高湿环境下容易向材料表面迁移，造成阻燃性能下降。Wu(Wu K，WangZZ，Liang HJ.Microencapsulation of Ammonium Polyphosphate：Preparation，Characterization，and Its Flame Retardance in Polypropylene.Polym.Compos.2008；29：854-860)等研究了蜜胺树脂(MF)微胶囊化APP的合成(蜜胺树脂可以作为气源)，经微胶囊化APP的耐水性有了一定提高。然而，微胶囊化阻燃剂只含有酸源(APP)和气源(MF)，要达到一定的阻燃性能，仍须同炭源(如季戊四醇)复配。但传统炭源多为醇类化合物，耐水与相容性较差，“短板效应”严重制约了膨胀阻燃复合材料综合性能的进一步提高。因此，以蜜胺树脂为囊材的核壳结构型阻燃剂的阻燃与耐水性能有待进一步提高。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种相容性好、阻燃和耐水性能优良的双层核壳结构膨胀型阻燃剂。
本发明的另一目的在于提供所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种双层核壳结构膨胀型阻燃剂，以聚磷酸铵(APP)为囊芯，囊材由内向外依次为环氧树脂层和三聚氰胺-甲醛树脂层；
所述的环氧树脂层优选由环氧树脂与固化剂按质量比1∶(0.1～0.5)混合，于60～100℃下搅拌反应1～4小时反应得到；
所述的固化剂优选为间苯二胺、聚酰胺、脂肪胺或其衍生物、脂环胺或其衍生物、双氰胺(DICY)、4，4-二氨基二苯基砜(DDS)、4，4-二氨基二苯甲烷(DDM)中的一种或至少两种；
所述的三聚氰胺-甲醛树脂层优选由三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液与硬化剂混合，于60～100℃下搅拌反应1～4小时反应得到；三聚氰胺-甲醛预聚体与硬化剂按质量比1∶(0.01～0.05)配比；
所述的三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液优选通过以下制备方法制备得到：将三聚氰胺和质量百分比37％的甲醛水溶液按质量比1∶(1～2)配比混合，溶于水中，调pH值为8～9，搅拌升温至60～95℃，保温反应20～120分钟，得到三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液；三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液中三聚氰胺-甲醛预聚体的量为三聚氰胺和甲醛质量的总和；
所述的硬化剂优选为磷酸氢二铵、氯化铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠中的一种或至少两种；
所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，包括下述步骤：
(1)将三聚氰胺和质量百分比37％的甲醛水溶液按质量比1∶(1～2)配比混合，溶于水中，调pH值为8～9，搅拌升温至60～95℃，保温反应20～120分钟，得到三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液；
(2)将聚磷酸铵(APP)粉粒悬浮于分散剂中，加入环氧树脂和固化剂，于60～100℃下搅拌反应1～4小时，然后加入三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液和硬化剂，在60～100℃下搅拌反应1～4小时，抽滤、洗涤、干燥后即得双层核壳结构膨胀型阻燃剂；其中，聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺-甲醛预聚体与环氧树脂按质量比1∶(0.1～0.5)∶(0.1～0.5)配比；三聚氰胺-甲醛预聚体与硬化剂按质量比1∶(0.01～0.05)配比；环氧树脂与固化剂按质量比1∶(0.1～0.5)配比。
步骤(1)中所述的水优选为蒸馏水；
步骤(1)中所述的pH值优选通过碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的至少一种进行调节；
步骤(2)中所述的聚磷酸铵粉粒的粒径优选为25μm；
步骤(2)中所述的分散剂为醇类溶剂、苯类溶剂或酮类溶剂；
所述的醇类溶剂优选为甲醇、乙醇、异丙醇或丁醇中的至少一种；
所述的苯类溶剂优选为甲苯或二甲苯中的一种或两种；
所述的酮类溶剂优选为丙酮或丁酮中的一种或两种；
步骤(2)中所述的环氧树脂优选为双酚A型树脂，更优选为E-20环氧树脂、E-12环氧树脂、E-44环氧树脂或E-50环氧树脂中的至少一种；
步骤(2)中所述的硬化剂优选为磷酸氢二铵、氯化铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠中的一种或至少两种；
步骤(2)中所述的固化剂优选为间苯二胺、聚酰胺、脂肪胺或其衍生物、脂环胺或其衍生物、双氰胺(DICY)、4，4-二氨基二苯基砜(DDS)、4，4-二氨基二苯甲烷(DDM)中的一种或至少两种；
步骤(2)中所述的干燥的条件优选为100℃干燥至恒重；
所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂可应用于制备聚烯烃、聚氨酯、橡胶等聚合物阻燃材料，还可用于纸张、木材、织物等的阻燃。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明提供的双层核壳结构膨胀型阻燃剂由于具有双层核壳结构，在复合材料加工过程中囊材不易被挤压、破裂而导致囊芯的损失。
(2)与传统的膨胀阻燃体系相比，本发明制备的阻燃剂具有更好的相容性、阻燃与耐水性能。
(3)囊材和囊芯具有阻燃协效作用，由于增大了反应面积，与未包裹的复配阻燃体系相比，此核壳结构型阻燃剂具有更高的阻燃性能。
说明书附图
图1是实施例制备的双层核壳结构型阻燃剂的电镜图，其中：
图a是聚磷酸铵粉粒；图b是实施例1制备的双层核壳结构型阻燃剂。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)MF预聚体水溶液的制备：向三口烧瓶中加入50ml蒸馏水，10g三聚氰胺，19克质量百分比37％的甲醛水溶液，调节体系pH为8-9(0.01克Na2CO3)，搅拌升温至80℃，保温反应半小时，然后用蒸馏水将体系定容为100ml待用，即为三聚氰胺-甲醛(MF)预聚体水溶液，其中的三聚氰胺-甲醛预聚体的量为17.03。
(2)双层核壳结构型阻燃剂的制备：将30克聚磷酸铵(APP)加入盛有80ml乙醇的三口烧瓶中充分搅拌，升温至80℃，加入7克环氧树脂(E-44)，待分散完全，接着在30分钟内滴加完改性脂肪族固化剂-乙醇溶液(将2.7克改性脂肪族固化剂(WK6683，广东惠顺化工有限公司)溶解于20ml乙醇得到)，保持搅拌和冷凝回流，保温反应3.5h，然后在此温度下加入24ml步骤(1)制备的MF预聚体水溶液和磷酸二氢铵(占MF预聚体质量3％)，保温搅拌2h，然后抽滤，同时分别用蒸馏水、乙醇洗涤样品，在100℃下干燥至恒重，即得双层核壳结构型阻燃剂。
从扫描电镜图片(图1)可以看出，该双层核壳结构型阻燃剂由于表面包裹了一层树脂，核壳结构型阻燃剂的表面变得较为粗糙，而未包裹树脂的APP表面较光滑。
所得产物在25℃的溶解度为0.03g/100mlH2O；而未包裹APP耐水性很差，在25℃的溶解度为0.45g/100mlH2O。阻燃剂耐水性的增强正是由于阻燃剂表面包裹了一层致密的耐水性树脂。
由于囊材为憎水性树脂，且囊材和囊芯具有阻燃协效作用，因此相比未包裹APP，核壳结构型阻燃剂在聚合物中将会表现出更为优越的阻燃与耐水性能。将阻燃剂以30％质量的添加量与聚丙烯共混制备阻燃复合材料，氧指数(南京市江宁区分析仪器厂JF-3型LOI分析仪，按ASTM D2863步骤进行，样品尺寸为100×6.5×3mm)为26.5％。且将复合材料在50℃的热水中浸泡24h后，材料氧指数(南京市江宁区分析仪器厂JF-3型LOI分析仪，按ASTM D2863步骤进行，样品尺寸为100×6.5×3mm)为26.0％。另一方面，在同样的阻燃剂添加量下(30％)，聚丙烯/APP复合材料在50℃的热水中浸泡24h后，氧指数会从20.0％下降至17.5％。
实施例2
(1)MF预聚体水溶液的制备：向三口烧瓶中加入50ml蒸馏水，10g三聚氰胺，19克质量百分比37％的甲醛水溶液，调节体系pH为8-9(0.01克Na2CO3)，搅拌升温至80℃，保温反应半小时，然后用蒸馏水将体系配为100ml待用，即为三聚氰胺-甲醛(MF)预聚体水溶液，其中的三聚氰胺-甲醛预聚体的量为17.03g。
(2)双层核壳结构型阻燃剂的制备：将20克聚磷酸铵(APP)加入盛有80ml乙醇的三口烧瓶中充分搅拌，升温至80℃，加入7克环氧树脂(E-44)，待分散完全，接着在30分钟内滴加完改性脂肪族固化剂-乙醇溶液(将3.5克改性脂环族固化剂(1618，广州秀珀化工有限公司)溶解于20ml乙醇得到)，保持搅拌和冷凝回流，保温反应3.0h，然后在此温度下加入24ml步骤(1)制备的MF预聚体水溶液和磷酸氢二铵(占MF预聚体质量4％)，保温搅拌2h，然后抽滤，同时分别用蒸馏水、乙醇洗涤样品，在100℃下干燥至恒重，即得双层核壳结构型阻燃剂。
所得产物在25℃的溶解度为0.04g/100mlH2O。将阻燃剂以30％质量的添加量与聚丙烯共混制备阻燃复合材料，氧指数为26.3％。且将复合材料在50℃的热水中浸泡24h后，材料氧指数为25.8％。
实施例3
(1)MF预聚体水溶液的制备：向三口烧瓶中加入50ml蒸馏水，10g三聚氰胺，19克质量百分比37％的甲醛水溶液，调节体系pH为8-9(0.02克碳酸钾)，搅拌升温至80℃，保温反应半小时，然后用蒸馏水将体系配为100ml待用，即为三聚氰胺-甲醛(MF)预聚体水溶液，其中的三聚氰胺-甲醛预聚体的量为17.03g。
(2)双层核壳结构型阻燃剂的制备：将30克聚磷酸铵(APP)加入盛有80ml二甲苯的三口烧瓶中充分搅拌，升温至80℃，加入7克环氧树脂(E-44)，待分散完全，接着在30分钟内滴加完间苯二胺-乙醇溶液(将0.83克间苯二胺溶解于20ml乙醇得到)，保持搅拌和冷凝回流，保温反应3.5h，然后在此温度下加入24ml步骤(1)制备的MF预聚体水溶液和磷酸二氢铵(占MF预聚体质量3％)，保温搅拌2h，然后抽滤，同时分别用蒸馏水、乙醇洗涤样品，在100℃下干燥至恒重，即得双层核壳结构型阻燃剂。
所得产物在25℃的溶解度为0.04g/100mlH2O。将阻燃剂以30％质量的添加量与聚丙烯共混制备阻燃复合材料，氧指数为27.0％。且将复合材料在50℃的热水中浸泡24h后，材料氧指数为26.5％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双层核壳结构膨胀型阻燃剂，其特征在于：所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂以聚磷酸铵为囊芯，囊材由内向外依次为环氧树脂层和三聚氰胺-甲醛树脂层。
2.根据权利要求1所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂，其特征在于：
所述的环氧树脂层由环氧树脂与固化剂按质量比1：（0.1～0. 5）混合，于60～100℃下搅拌反应1～4小时反应得到；
所述的三聚氰胺-甲醛树脂层由三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液与硬化剂混合，于60～100℃下搅拌反应1～4小时反应得到；三聚氰胺-甲醛预聚体与硬化剂按质量比1：（0.01～0.05）配比。
3.根据权利要求2所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂，其特征在于：
所述的固化剂为间苯二胺、聚酰胺、脂肪胺或其衍生物、脂环胺或其衍生物、双氰胺、4, 4-二氨基二苯基砜、4，4-二氨基二苯甲烷中的一种或至少两种；
所述的三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液通过以下制备方法制备得到：将三聚氰胺和质量百分比37%的甲醛水溶液按质量比1：（1～2）配比混合，溶于水中，调pH值为8～9，搅拌升温至60～95℃，保温反应20～120分钟，得到三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液；
所述的硬化剂为磷酸氢二铵、氯化铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠中的一种或至少两种。
4.权利要求1～3任一项所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）将三聚氰胺和质量百分比37%的甲醛水溶液按质量比1：（1～2）配比混合，溶于水中，调pH值为8～9，搅拌升温至60～95℃，保温反应20～120分钟，得到三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液；
（2）将聚磷酸铵粉粒悬浮于分散剂中，加入环氧树脂和固化剂，于60～100℃下搅拌反应1～4小时，然后加入三聚氰胺-甲醛预聚体水溶液和硬化剂，在60～100℃下搅拌反应1～4小时，抽滤、洗涤、干燥后即得双层核壳结构膨胀型阻燃剂；其中，聚磷酸铵（APP）、三聚氰胺-甲醛预聚体与环氧树脂按质量比1：（0.1～0.5）：（0.1～0.5）配比；三聚氰胺-甲醛预聚体与硬化剂按质量比1：（0.01～0.05）配比；环氧树脂与固化剂按质量比1：（0.1～0. 5）配比。
5.根据权利要求4所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的水为蒸馏水；
步骤（1）中所述的pH值为通过碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的至少一种进行调节。
6.根据权利要求4所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的聚磷酸铵粉粒的粒径为25μm；
步骤（2）中所述的分散剂为醇类溶剂、苯类溶剂或酮类溶剂；
步骤（2）中所述的环氧树脂为双酚A型树脂；
步骤（2）中所述的硬化剂为磷酸氢二铵、氯化铵、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠中的一种或至少两种；
步骤（2）中所述的固化剂为间苯二胺、聚酰胺、脂肪胺或其衍生物、脂环胺或其衍生物、双氰胺、4, 4-二氨基二苯基砜、4，4-二氨基二苯甲烷中的一种或至少两种。
7.根据权利要求6所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：
所述的醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或丁醇中的至少一种；
所述的苯类溶剂为甲苯或二甲苯中的一种或两种；
所述的酮类溶剂为丙酮或丁酮中的一种或两种；
所述的双酚A型树脂为E-20环氧树脂、E-12环氧树脂、E-44环氧树脂或E-50环氧树脂中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的干燥的条件为100℃干燥至恒重。
9.权利要求1～3任一项所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂的应用，其特征在于：所述的双层核壳结构膨胀型阻燃剂用于制备阻燃材料。
10.根据权利要求9所述双层核壳结构膨胀型阻燃剂的应用，其特征在于：所述的阻燃材料为高聚物阻燃材料、阻燃纸张、阻燃木材或阻燃织物。
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Granted publication date: 20140402 Termination date: 20200817 |