CN104830022B - 一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料领域，具体公开了一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用。该膨胀型阻燃剂集酸源、气源、炭源于一体，是以酸源为核，核的表面包覆着一层含有可作为气源的聚合物，利用包覆聚合物具有静电絮凝作用，吸附一层富炭结构纳米纤维素。本发明的膨胀型阻燃剂具有良好的阻燃效率，同时由于外层树脂和纳米纤维素的疏水性作用，制备的膨胀型阻燃体系耐水性提高，在水中的流失率从98％提高至小于15％。

Description

一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于阻燃材料领域，具体涉及一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂及其制备方法与应用。

背景技术

高分子材料由于其优异的性能，当今生活中被广泛地应用。但是由于大部分高分子材料容易燃烧，极易引起火灾，对社会和人民的生命和财产安全存在极大的安全隐患。为了改善高分子聚合物易燃烧的缺点，近年来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，其中磷系阻燃剂大都具有低烟、无毒、低卤、无卤等优点，符合阻燃剂的发展方向，具有很好的发展前景，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。酸源又称脱水剂或炭化促进剂，一般是无机酸或燃烧中能原位生成酸的化合物，如磷酸、硼酸、硫酸和磷酸酯等；炭源也叫成炭剂，它是形成泡沫炭化层的基础，主要是一些含碳量高的多羟基化合物，如淀粉、蔗糖、糊精、季戊四醇、乙二醇、酚醛树脂等；气源也叫发泡源，是含氮化合物，如尿素、三聚氰胺、聚酰胺等。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。在现有的膨胀型阻燃体系中，大多由酸源、气源、碳源复配而成，比如聚磷酸铵/三聚氰胺/季戊四醇复配组合形成膨胀型阻燃体系。简单的复配造成三要素的协同作用效果减弱，使其阻燃效率提升不明显。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂。

本发明的另一目的在于提供上述静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂，该膨胀型阻燃剂具有核壳结构并集酸源、气源和炭源于一体，以酸源聚磷酸铵为内核，内核的表面包覆着一层双氰胺甲醛树脂作为气源，双氰胺甲醛树脂外层吸附着一层纳米纤维素作为炭源。

所述的纳米纤维素在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)。

上述静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温条件10～30g双氰胺40～80mL质量分数为37％甲醛溶液至反应容器中，搅拌升温至40～60℃后，加入第一批催化剂，升温至70～80℃，此温度下保持反应1～3小时，然后加入第二批催化剂，保持反应2～4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取20～160g聚磷酸铵加入100mL～150mL无水乙醇，搅拌，加入步骤(1)制得的双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入纳米纤维素粒子，快速搅拌10～40分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为所述膨胀型阻燃剂。

步骤(1)所述的双氰胺、甲醛和催化剂的摩尔比例为1：(1.5～3)：(0.3～1.2)，所述的催化剂是指第一批催化剂和第二批催化剂的质量之和。

步骤(1)所述的第一批催化剂和第二批催化剂均为氯化铵、氢氧化钠、氢氧化钙、硫酸铝、乙二胺和醋酸钠中的至少一种。

步骤(1)中所述的第一批催化剂和第二批催化剂的质量比例为2:(0.5～2)。

步骤(2)所述的纳米纤维素粒子为通过酸解或者碱解含有纤维素的物质制备的具有纳米尺寸的含有多羟基的纤维素。

所述的酸解为硫酸酸解或者盐酸酸解。

所述的含有纤维素的物质为微晶纤维素、淀粉、棉等。

上述静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂可用于制备聚烯烃、聚氨酯、橡胶、聚碳酸酯、聚丙烯等聚合物阻燃材料，还可用于纸张、木材、织物等的阻燃。

针对于膨胀型阻燃剂的缺点，本发明采用利用静电絮凝的方法，构建了一种三位一体的核壳结构膨胀型阻燃体系。利用双氰胺甲醛树脂为气源，同时利用其具有静电絮凝作用，先将带有正电荷的双氰胺甲醛包覆酸源(聚磷酸铵)，然后将制备的带负电的纳米纤维素粒子加入，使其被吸附。与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用静电絮凝法，将纳米纤维素作为炭源引入阻燃体系中。

(2)本发明所制备的膨胀型阻燃体系集酸源、气源、碳源于一体，具有良好的阻燃性能。

(3)本发明所制备膨胀型阻燃剂由于外面包裹了一层树脂，形成核壳结构，提高内核酸源的耐水性。

(4)本发明所制备的膨胀性阻燃剂工艺简单，可操作性强。

附图说明

图1为本发明所述膨胀型阻燃体系静电絮凝的构建过程。

图2为聚磷酸铵(左)以及静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂(右)的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入10.2g的双氰胺和30mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至40℃后，加入2.7g氯化铵；升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入6.5g氯化铵，后保持反应2个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取20g的聚磷酸铵加入100mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌10分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例2

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入17.2g的双氰胺和50mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至50℃后，加入2.7g乙二胺。升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入6.5g乙二胺，后保持反应2个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取40g的聚磷酸铵加入120mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌15分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例3

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入22.7g的双氰胺和70mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至60℃后，加入2.7g氢氧化钠。升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入6.5g乙二胺，后保持反应2个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取80g的聚磷酸铵加入120mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌20分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例4

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入24.7g的双氰胺和70mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至60℃后，加入2.7g氢氧化钠，升温至70℃，此温度下保持反应2小时，然后加入9.2g氢氧化钠，后保持反应4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取80g的聚磷酸铵加入150mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌30分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例5

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入25.7g的双氰胺和80mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至60℃后，加入2.7g氢氧化钙，升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入9.2g氢氧化钙，后保持反应4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取40的聚磷酸铵加入150mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌40分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例6

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入30.0g的双氰胺和80mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至60℃后，加入2.7g氢氧化钙。升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入9.2g氢氧化钙，后保持反应4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取120g的聚磷酸铵加入120mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌30分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

实施例7

按照以下步骤制备一种膨胀型阻燃剂：

(1)在室温条件加入30.0g的双氰胺和80mL 37％甲醛溶液至三口烧瓶中，搅拌升温至60℃后，加入2.7g硫酸铝，升温至70℃，此温度下保持反应1小时，然后加入9.2g硫酸铝，后保持反应4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取160的聚磷酸铵加入120mL无水乙醇，搅拌，加入双氰胺甲醛预聚体，然后缓慢加入制备的纳米纤维素粒子，快速搅拌30分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为膨胀型阻燃剂。

对聚磷酸铵粉粒和实施例1所得的膨胀型阻燃剂进行电镜扫描，从扫描电镜图片(图2)可以看出，该阻燃剂外表面可以观测到一层纳米级别的丝状物，表面变得较为粗糙，该物质即为通过包覆的一层双氰胺甲醛树脂以及通过静电絮凝在表面的纳米纤维素，即为气源和炭源。而聚磷酸铵表面较光滑。

本发明制备的膨胀型阻燃剂集酸源、气源、碳源于一体，阻燃效率高，将实施例1-7所制备的膨胀型阻燃剂以13.7％质量的添加量与聚氨酯进行一步发泡方法制备阻燃聚氨酯硬质泡沫(密度0.53-0.59g/cm³)，垂直燃烧UL94(南京市江宁区分析仪器厂CZF-3型水平垂直燃烧仪，按GB2408测定，样条尺寸为120×15×8mm³)可通过V-0级别。但是，按照同样的方法，通过UL 94V-0需添加16.7％的聚磷酸铵。

由于本发明制备的膨胀型阻燃剂表面覆盖一层树脂，在构成膨胀型阻燃体系提高阻燃效率的同时，阻燃粒子的耐水性提高。将实施例1-7所得膨胀型阻燃剂各称取10g，用滤纸包裹，置于30℃温度下1500mL水中24小时，其从滤纸内流失的比例和聚磷酸铵对比如表1：

表1 实施例1-7制备的膨胀型阻燃剂与聚磷酸铵流失率对比

样品	流失率
		聚磷酸铵(wt％)	98.0％

实施例1产物(wt％)	12.7％
		实施例2产物(wt％)	13.5％
实施例3产物(wt％)	10.3％
		实施例4产物(wt％)	13.8％
实施例5产物(wt％)	15.4％
		实施例6产物(wt％)	12.4％
实施例7产物(wt％)	11.2％

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 (8)

1.一种静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在室温条件加入10～30g的双氰胺和40～80mL质量分数为37％甲醛溶液至反应容器中，搅拌升温至40～60℃后，加入第一批催化剂，升温至70～80℃，此温度下保持反应1～3小时，然后加入第二批催化剂，保持反应2～4个小时，得双氰胺甲醛预聚体；

(2)取20～160g聚磷酸铵加入100mL～150mL无水乙醇，搅拌，加入步骤(1)制得的双氰胺甲醛预聚体，然后加入纳米纤维素粒子，搅拌10～40分钟，然后抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末即为所述静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂；该膨胀型阻燃剂具有核壳结构并集酸源、气源和炭源于一体，以酸源聚磷酸铵为内核，内核的表面包覆着一层双氰胺甲醛树脂作为气源，双氰胺甲醛树脂外层吸附着一层纳米纤维素作为炭源。

2.根据权利要求1所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的双氰胺、甲醛和催化剂的摩尔比例为1：(1.5～3)：(0.3～1.2)，所述的催化剂是指第一批催化剂和第二批催化剂的质量之和。

3.根据权利要求1所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的第一批催化剂和第二批催化剂均为氯化铵、氢氧化钠、氢氧化钙、硫酸铝、乙二胺和醋酸钠中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的第一批催化剂和第二批催化剂的质量比例为2:(0.5～2)。

5.根据权利要求1所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述的纳米纤维素粒子为通过酸解或者碱解含有纤维素的物质制备的具有纳米尺寸的含有多羟基的纤维素。

6.根据权利要求5所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的酸解为硫酸酸解或者盐酸酸解。

7.根据权利要求5所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的含有纤维素的物质为微晶纤维素、淀粉或棉。

8.如权利要求1所述的静电絮凝制备的膨胀型阻燃剂的制备方法制得的膨胀型阻燃剂的应用，其特征在于，所述膨胀型阻燃剂用于制备阻燃材料聚烯烃、聚氨酯、橡胶或聚碳酸酯，或是用于纸张、木材和织物的阻燃。