CN104829865A - 一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法 - Google Patents
一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法,包括以下几个步骤:步骤A:将三氯甲基硅烷和丙酮加入到具有回流装置容器的恒温磁力搅拌水浴槽中,加热搅拌,一边搅拌一边将蒸馏水滴加入混合溶液中;步骤B:升温保持回流,再过滤并干燥,得到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷;步骤C:采用生石灰与蒸馏水配制氢氧化钙水溶液;步骤D:将氢氧化钙水溶液缓慢的滴加到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液当中,升温回流;步骤E:将步骤D得到的混合溶液过滤后真空干燥,得到复合阻燃材料。本发明充分发挥了多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙之间的协同作用,阻燃性有大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法。
背景技术
多面体笼型倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes,POSS)是由无机核Si-O-Si骨架及围绕在无机核周围的有机“臂”R构成,具有三维多面体结构,是新型有机/无机杂化材料和新型环境友好材料。由于POSS无机核Si-O-Si骨架的特殊结构,因而一般都具有非常好的耐热性,受热后的残余物为SiO2,且含量非常高,能赋予高分子复合材料优良的热稳定性能,可以用于改善聚合物的阻燃性。而有机“臂”R,可以通过物理作用和化学键合等途径,改善POSS和高分子聚合物之间的相容性,使POSS复合材料能够在高分子聚合物材料中能够均匀分散。不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的结构式为:
近年来,以塑料为主的高分子材料广泛应用于电子电器、交通运输、建筑、通讯电缆、航空航天等各个领域。但由于高分子材料主要是由碳、氢元素组成,大多数是极易燃烧的。如果不考虑高分子材料的阻燃性,往往会造成火灾等损失较大的事故,给人们的日常生活以及国家的财产造成极大的损失。为了降低高分子材料的易燃性,防止火灾事故,减少经济损失的同时还要做到绿色环保,所以环境友好型的阻燃剂越来越受到人们的重视,同时环境友好型的阻燃剂也是阻燃技术发展的必然趋势。
目前,在现有的常用阻燃剂中,含氯或溴等卤素阻燃剂,在市场上占有相当大的比例。其阻燃效率高、用量少,对材料的性能影响小。然而,研究表明这类阻燃剂的使用会对环境造成污染,不符合欧盟出台的RoHS禁令。随着人们环保意识的增强,环境友好型阻燃剂研究和开发已成为阻燃技术的一大热点。其中,硅系阻燃剂就是绿色阻燃剂之一。多面体笼型倍半硅氧烷是一种新型的有机/无机杂化的硅系阻燃剂,具有无毒、耐高温、耐腐蚀等优点,既是一种成烟型抑制剂,又是一种无卤阻燃剂。添加到高分子材料中的POSS阻燃剂,燃烧达到一定温度时POSS的“笼型”结构开始丢失,生成的SiO2、SiOxCy、SiC等炭化物具有隔氧绝热效果,在抑制高分子材料燃烧扩散过程起到很好的作用。同时,由于POSS单体本身具有较高的热稳定性,再加上纳米尺寸效应,使得POSS单体与高分子材料结合得比较紧密,这样就限制了高分子材料链的运动,从而就更加提高了高分子材料的阻燃性能。但是,POSS合成制备的工艺复杂,水解反应过程很难控制,生产成本高,阻碍了POSS大规模工业化生产和实用化进程。
而无机阻燃剂氢氧化钙(Ca(OH)2)也是一种环境友好型阻燃剂,具有热稳定性好、来源广、不挥发、不析出、不产生有毒气体、不腐蚀加工设备、消烟作用明显、价格便宜等优点。同时,氢氧化钙(Ca(OH)2)的结构和性质类似于无卤阻燃剂中的金属氧化物如Mg(OH)2、Al(OH)3,在一定温度下也能分解释放H2O,吸收部分热量,将氢氧化钙作为阻燃剂填充到塑料中,可以在聚烯烃塑料废弃物处理时阻止有害气体的产生,减少酸性气体释放,达到绿色环保的效果;塑料基体在氢氧化钙碱性作用下,可能发生酸性降解,从而增强塑料的可环境消纳性。目前,国内外相关报道的POSS或氢氧化钙应用于高分子材料阻燃方面多集中在单一的POSS单体添加到高分子材料中,或者单一的经过表面改性的氢氧化钙添加到高分子材料当中,将POSS和氢氧化钙制备成“POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料”的文献和专利至今未见报道。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明提供一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法,包括以下几个步骤:
步骤A:将三氯甲基硅烷和丙酮加入到具有回流装置容器的恒温磁力搅拌水浴槽中,加热搅拌,得到均匀混合溶液,然后一边搅拌一边将蒸馏水滴加入混合溶液中;
步骤B:升温保持回流,再将得到的混合物直接过滤并且再真空干燥,得到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷;
步骤C:采用生石灰与蒸馏水配制氢氧化钙水溶液,pH=10~13;
步骤D:将步骤C得到的氢氧化钙水溶液缓慢的滴加到步骤B得到的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液当中,滴完后升温回流反应;
步骤E:将步骤D得到的混合溶液过滤后在50℃~60℃真空干燥4.5~5.5h,得到多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料。
本发明采用以上技术方案,其优点在于,由于不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷本身就是有机-无机杂化物,能够与有机基体有很好的相容性,能够完好润湿覆盖基体表面,阻隔效果好,同时在燃烧过程中,还能够吸附捕获燃烧形成的烟尘,使其成为隔离层的一部分,使阻燃效率增加;此外,氢氧化钙在一定温度下也能分解释放H2O,吸收部分热量,可以在聚烯烃塑料废弃物处理时阻止有害气体的产生,减少酸性气体释放,增强塑料的可环境消纳性,达到绿色环保的效果。
优选的,所述的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的结构式为:
优选的,所述步骤A中,三氯甲基硅烷与丙酮的体积比为1:6.5~7.5,三氯甲基硅烷与蒸馏水的体积比为1:4~5。
优选的,所述步骤A中,搅拌温度为50℃~55℃,搅拌时间为15~30min,蒸馏水滴加时间为30~40min。
优选的,所述步骤B中,升高的温度为65℃~70℃,回流时间为20~24h,真空干燥的温度为50℃~60℃,干燥的时间为6~8h。
优选的,所述步骤C中,生石灰与蒸馏水的质量比为1:100~150。
优选的,所述步骤D中,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与四氢呋喃的体积比为1:7~8,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与氢氧化钙水溶液的体积比为1:4.5~5.5,滴加时间为20~30min,滴加温度为65℃~75℃。
优选的,所述步骤D中,温度升至75℃,回流反应时间为10~15h。
优选的,所述步骤E中,50℃~60℃下真空干燥4.5~5.5h。
本发明的一种多面体笼型倍半硅氧烷与氢氧化钙复合杂化阻燃材料的制备原理如下:
首先以三氯甲基硅烷和蒸馏水为原料,丙酮为溶剂,水解缩合反应制备不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷:
然后再以生石灰(CaO)和蒸馏水为原料,制备出氢氧化钙(Ca(OH)2)水溶液,即澄清石灰水:CaO+H2O→Ca(OH)2。
最后由不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷和氢氧化钙水溶液在回流装置中回流反应10~15h,制备出“POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料”。
本发明的有益效果:提出的一种多面体笼型倍半硅氧烷与氢氧化钙复合阻燃材料属于无卤阻燃体系,充分发挥了多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙之间的协同作用,较单独添加多面体笼型倍半硅氧烷或者改性和未改性的氢氧化钙的阻燃性有大幅提高。
附图说明
图1是实施例7得到的白色粉末状的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的傅里叶红外光谱扫描图谱。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明:
实施例1:
按以下步骤进行:
一、按三氯甲基硅烷与丙酮的体积比为1:6.5~7.5、三氯甲基硅烷与蒸馏水的体积比为1:4~5的比例称取三氯甲基硅烷、丙酮以及蒸馏水;
二、先将步骤一称取的三氯甲基硅烷和丙酮加入到具有回流装置容器的恒温磁力搅拌水浴槽中,在50℃~55℃条件下,磁力搅拌15~30min,得到均匀混合溶液,然后再在磁力搅拌条件下,将步骤一称取的蒸馏水缓慢滴加入混合溶液中,滴加时间为30~40min;
三、升温至温度为65℃~70℃并计时保持回流20~24h,然后将得到的混合物直接过滤并且在50℃~60℃真空干燥箱中干燥6~8h,得到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷;
四、按生石灰(氧化钙)与蒸馏水的质量比为1:100~150的比例称取生石灰(氧化钙)与蒸馏水,在烧杯中将生石灰与蒸馏水用玻璃棒快速搅拌1~2min,然后在室温下静置溶液4~5min,溶液出现分层,将上层的澄清石灰水分离出来,即得到了氢氧化钙水溶液,氢氧化钙水溶液的PH值在10~13之间;
五、按不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与四氢呋喃的体积比为1:7~8,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与氢氧化钙水溶液的体积比为1:4.5~5.5的比例称取不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷、四氢呋喃以及氢氧化钙水溶液,然后在65℃~75℃磁力搅拌的条件下,将氢氧化钙水溶液缓慢的滴加到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液当中,滴加时间为20~30min,在氮气保护下,温度升为75℃,继续回流反应10~15h;
六、将步骤五得到的混合溶液过滤后在50℃~60℃真空干燥4.5~5.5h,得到多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料。
实施例2:
与实施例1不同的是步骤一中按三氯甲基硅烷与丙酮的体积比为1:7、三氯甲基硅烷与蒸馏水的体积比为1:4.5的比例称取三氯甲基硅烷、丙酮以及蒸馏水。其他与实施例1相同。
实施例3:
与实施例2不同的是步骤二中在55℃水浴条件下,磁力搅拌20min,添加蒸馏水的时间为35min。其他与实施例2相同。
实施例4:
与实施例3不同的是步骤三中升温至温度为65℃并计时保持回流24h,然后将得到的混合物直接过滤并且在50℃真空干燥箱中干燥7h。其他与实施例3相同。
实施例5:
与实施例4不同的是步骤四中按生石灰(氧化钙)与蒸馏水的质量比为1:125的比例称取生石灰(氧化钙)与蒸馏水,在烧杯中将生石灰与蒸馏水用玻璃棒快速搅拌2min,然后在室温下静置溶液5min,氢氧化钙水溶液的PH值为12。其他与实施例4相同。
实施例6:
与实施例5不同是步骤五中按不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与四氢呋喃的体积比为1:7.5,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与氢氧化钙水溶液的体积比为1:5的比例称取不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷、四氢呋喃以及氢氧化钙水溶液,然后在65℃磁力搅拌的条件下,将氢氧化钙水溶液缓慢的滴加到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液当中,滴加时间为25min,在氮气保护下,温度升为75℃,继续回流反应12h。其他与实施例5相同。
实施例7:
与实施例6不同的是步骤六中得到的混合溶液过滤后在50℃真空干燥5h。其他与实施例6相同。
图1是实施例7得到的白色粉末状的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的傅里叶红外光谱扫描图谱。从图谱中可以看出笼型缺角七聚倍半硅氧烷POSS的骨架Si-O-Si的特征吸收峰出现在1119.01cm-1处,3445.7cm-1处是Si-OH的吸收峰,2971.0cm-1、2924.7cm-1两处分别是C-H的伸缩振动和摇摆振动吸收峰,1270.8cm-1处是Si-CH3的特征峰。
实施例8~16:
对比例1以及实施例8~16的制备工艺:首先,将100~150g的PC原料在小型粉碎机里面粉碎3~5min,然后按照配方(见表1)先后加入抗氧化剂丁基羟基茴香醚(BHA)、不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷、氢氧化钙或者实施例7制备的“POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料”原料,机械混合均匀后,将混合好的原料于245℃~255℃加入到微型双螺杆挤出机,塑化挤出的浆料置于微型注塑机,用相应的模具注塑出氧指数测试试样和垂直燃烧等级测试试样。测试标准见表3。
对比例1与实施例8~16中基于POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料的PC的阻燃性能如表2所示。测试标准见表3。实施例8~16分为三组,实施例8~10为一组,分别加入质量分数为2%的POSS、Ca(OH)2以及POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料;实施例11~13为一组,分别加入质量分数为4%的POSS、Ca(OH)2以及POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料;实施例14~16为一组,分别加入质量分数为6%的POSS、Ca(OH)2以及POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料。
阻燃性能测试结果表明,在添加相同量的POSS、Ca(OH)2以及POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料时,POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料的阻燃效果更好,同时,随着添加量的增加,POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料对PC基体的阻燃性能提高得更多更明显,进一步说明POSS/Ca(OH)2复合阻燃材料的阻燃效果更好。
表1 阻燃PC配方/(重量份)
表2 阻燃PC的阻燃性能
表3 测试标准
测试项目 | 测试标准 |
极限氧指数(LOI) | GB/T2406.2-2009 |
垂直燃烧等级 | UL-94 |
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料的制备方法,其特征在于,包括以下几个步骤:
步骤A:将三氯甲基硅烷和丙酮加入到具有回流装置容器的恒温磁力搅拌水浴槽中,加热搅拌,得到均匀混合溶液,然后一边搅拌一边将蒸馏水滴加入混合溶液中;
步骤B:升温保持回流,再将得到的混合物直接过滤并且再真空干燥,得到不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷;
步骤C:采用生石灰与蒸馏水配制氢氧化钙水溶液,pH=10~13;
步骤D:将步骤C得到的氢氧化钙水溶液缓慢的滴加到步骤B得到的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的四氢呋喃溶液当中,滴完后升温回流反应;
步骤E:将步骤D得到的混合溶液过滤后在50℃~60℃真空干燥4.5~5.5h,得到多面体笼型倍半硅氧烷和氢氧化钙复合阻燃材料。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷的结构式为:
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤A中,三氯甲基硅烷与丙酮的体积比为1:6.5~7.5、三氯甲基硅烷与蒸馏水的体积比为1:4~5。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤A中,搅拌温度为50℃~55℃,搅拌时间为15~30min,蒸馏水滴加时间为30~40min。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤B中,升高的温度为65℃~70℃,回流时间为20~24h,真空干燥的温度为50℃~60℃,干燥的时间为6~8h。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤C中,生石灰与蒸馏水的质量比为1:100~150。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤D中,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与四氢呋喃的体积比为1:7~8,不完全缩合七甲基三羟基七聚倍半硅氧烷与氢氧化钙水溶液的体积比为1:4.5~5.5,滴加时间为20~30min,滴加温度为65℃~75℃。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤D中,温度升至75℃,回流反应时间为10~15h。
9.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤E中,50℃~60℃下真空干燥4.5~5.5h。
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