CN105271149B - 纳米杂化阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米杂化阻燃剂的制备方法，包括：将水溶性二价金属盐与水溶性三价金属盐溶于去离子水中配制成第一溶液，其中，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为1:1～8:1；将水溶性次磷酸盐溶于去离子水中配成第二溶液；将所述第一溶液和所述第二溶液同时滴加至反应容器中均匀混合形成一混合液，并用强碱溶液调节使所述混合液的pH值为7.5~11；加热使所述混合液形成晶化物，水洗、过滤、干燥处理所述晶化物得到所述纳米杂化无卤阻燃剂。本发明还涉及一种通过上述方法获得的纳米杂化阻燃剂。

Description

纳米杂化阻燃剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米杂化阻燃剂及其制备方法，特别涉及一种含次磷酸盐的纳米杂化阻燃剂及其制备方法。

背景技术

由于具有阻燃效率高的突出特点，含卤素阻燃体系在过去几十年时间里成为最主要的阻燃体系。但在实际使用过程中，人们发现含卤素阻燃体系具有致命不足，即此体系在发生燃烧时会释放出大量的烟雾、有毒气体及卤化氢腐蚀性气体，不利于火灾的扑救，对人民生命财产安全造成很大的二次危害，另外也对环境造成破坏。而且一些含卤素阻燃剂进入人体后会对人体的健康造成伤害。卤系阻燃剂对人体和环境危害不可忽视。现有的阻燃剂一般要求使用无卤阻燃聚合物以替代含卤阻燃聚合物。随着阻燃无卤化进程的加快，纳米阻燃技术已引起广泛关注。

金属次磷酸盐是一类高效无卤阻燃剂，磷含量较高，热稳定性和水解稳定性好，可与其它阻燃剂协同使用可以优势互补，提高聚合物阻燃性能。中国专利CN101928448B公开了一种采用金属次磷酸盐、含氮阻燃剂和改性纳米添加剂的阻燃增强聚酯纳米复合材料及其制备方法，其中所采用的纳米添加剂为层状硅酸盐或磷酸盐。中国专利CN101688017B公开了一种金属次磷酸盐，该金属次磷酸盐的表面包被有至少一种选自以下的化合物：(a)碱金属或碱土金属水合物；(b) 水滑石或水滑石型化合物；以及(c) 碱金属或碱土金属有机酸盐；其制备方法为：通过在碾磨机中机械研磨，并且任选地在低速或高速机械混合机中混合，而对金属次磷酸盐进行表面包被。目前，金属次磷酸盐与纳米阻燃剂的复配主要使用是通过物理共混方式进行，难以获得均匀的结构，从而影响其阻燃的协同性能。

发明内容

本发明提供一种纳米杂化阻燃剂及其制备方法，可以有效解决上述问题。

本发明提供一种纳米杂化阻燃剂的制备方法，包括：

将水溶性二价金属盐与水溶性三价金属盐溶于去离子水中配制成第一溶液，其中，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为1:1～8:1；

将水溶性次磷酸盐溶于去离子水中配成第二溶液；

将所述第一溶液和所述第二溶液滴加至反应容器中均匀混合形成一混合液，并用强碱溶液调节使所述混合液的pH值为7.5~11；

加热使所述混合液形成晶化物，水洗、过滤、干燥处理所述晶化物得到所述纳米杂化无卤阻燃剂。

进一步的，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为2:1～4:1。

进一步的，所述混合液中次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比为0.5:1～3:1。

进一步的，所述混合液中次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比为1:1～2:1。

进一步的，所述pH值为8.5～10.5。

进一步的，所述加热使所述混合液形成晶化物的步骤包括：加热到50～100℃熟化4~36小时使所述混合液形成晶化物。

进一步的，所述加热使所述混合液形成晶化物的步骤包括：加热到70～90℃熟化10~24小时使所述混合液形成晶化物。

进一步的，所述二价金属盐与所述三价金属盐分别为二价金属硝酸盐与三价金属硝酸盐。

进一步的，所述二价金属盐中的金属离子为Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ti²⁺、V²⁺、Cr²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Sn²⁺、Pb²⁺或Ni²⁺中的一种或多种；所述三价金属盐中的金属离子为Al³⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Mn³⁺、La³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Sc³⁺、V³⁺、Ti³⁺、Cr³⁺、Tl³⁺、Bi³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Nb³⁺、In³⁺、Ga³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺、Lu³⁺、W³⁺或Cr³⁺中的一种或多种；所述次磷酸盐为次磷酸钠、次磷酸镁、次磷酸钙、次磷酸钾、次磷酸铵中的一种或多种。

本发明进一步提供一种根据上述方法制备的纳米杂化阻燃剂，所述纳米杂化阻燃剂为层状双氢氧化物，其结构式为[M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂]^x+(H₂PO₂ ^-)_x· mH₂O，其中，M²⁺为二价金属离子，M³⁺为三价金属离子，且m为正整数。

本发明提供的纳米杂化阻燃剂的制备方法，通过化学合成方法原位制备包含次磷酸盐与层状双氢氧化物的纳米杂化无卤阻燃剂，使具有良好阻燃性能的次磷酸根与层状双氢氧化物能够在分子水平上均匀混合，与现有的物理混合方法相比，有助于进一步提高协同阻燃效率。而且本发明提供的纳米杂化无卤阻燃剂的制备工艺简单、成本低、无环境污染、生产效率高，具有产业上的利用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的纳米杂化阻燃剂的制备方法流程图。

图2为本发明实施例1获得的纳米杂化阻燃剂的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

请参照图1，本发明提供一种纳米杂化阻燃剂的制备方法，包括：

S1，将水溶性二价金属盐与水溶性三价金属盐溶于去离子水中配制成第一溶液，其中，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为1:1～8:1；

S2，将水溶性次磷酸盐溶于去离子水中配成第二溶液；

S3，将所述第一溶液和所述第二溶液滴加至反应容器中均匀混合形成一混合液，并用强碱溶液调节使所述混合液的pH值为7.5~11；

S4，加热使所述混合液形成晶化物，水洗、过滤、干燥处理所述晶化物得到所述纳米杂化无卤阻燃剂。

在步骤S1中，优选的，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为2:1～4:1。更优选的，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为3:1。所述二价金属盐以及所述三价金属盐可以为硝酸盐，硫酸盐或氯化物等。优选的，所述二价金属盐以及所述三价金属盐为硝酸盐。进一步的，所述二价金属盐中的金属离子为Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ti^{2 +}、V²⁺、Cr²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Sn²⁺、Pb²⁺或Ni²⁺中的一种或多种；优选为Zn²⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Ca²⁺以及Cu²⁺。所述三价金属盐中的金属离子为Al³⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Mn³⁺、La³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Sc³⁺、V³⁺、Ti^{3 +}、Cr³⁺、Tl³⁺、Bi³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Nb³⁺、In³⁺、Ga³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺、Lu³⁺、W³⁺或Cr³⁺中的一种或多种；优选为Al³⁺或Fe³⁺。所述第一溶液中二价金属离子和三价金属离子的总浓度可以根据实际需要控制，优选的，所述第一溶液中二价金属离子和三价金属离子的总浓度为0.05~1.0mol/L。

在步骤S2中，所述次磷酸盐可以为次磷酸钠、次磷酸镁、次磷酸钙、次磷酸钾、次磷酸铵中的一种或多种。所述第二溶液中次磷酸根的总浓度可以根据实际需要控制，优选的，所述第二溶液中次磷酸根的总浓度为0.1~1.0mol/L。可以理解，通过控制所述第一溶液中二价金属离子和三价金属离子以及所述第二溶液中次磷酸根的总浓度可以优化并控制后续产物的产率。

可以理解，所述步骤S1和S2的顺序不限。

在步骤S3中，所述将第一溶液和第二溶液滴加至反应容器中均匀混合形成一混合液的步骤可以在常温进行也可以在加热条件下进行。加热温度为20～50℃，优选25～35℃。所述将第一溶液和第二溶液可以同时或分时滴加至反应容器。优选的，所述将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器。另外，优选的，按照次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比0.5:1～3:1混合第一溶液和第二溶液。更优选的，按照次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比1:1～2:1混合第一溶液和第二溶液。所述混合液的pH值优选为8.5～10.5。更优选的，混合液的pH值为10±0.5。所述强碱溶液可以为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，其浓度为1～8mol/L，优选1～4 mol/L。

在步骤S4中，所述加热使所述混合液形成晶化物的步骤可以包括：加热到50～100℃熟化4~36小时使所述混合液形成晶化物。优选的，加热到70～90℃熟化10~24小时使所述混合液形成晶化物。所述反应过程及水热晶化过程可以在惰性气体气氛中进行，优选为，氮气气氛或氩气气氛。为了控制水热晶化过程，所述加热过程可以分阶段进行，例如，先升温到第一温度反应5~12小时，如70~80℃；然后再升温到第二温度反应5~12小时，如80~90℃。

本发明提供的纳米杂化阻燃剂的制备方法，通过化学合成方法原位制备包含次磷酸盐与层状双氢氧化物的纳米杂化无卤阻燃剂，使具有良好阻燃性能的次磷酸根与层状双氢氧化物能够在分子水平上均匀混合，与现有的物理混合方法相比，有助于进一步提高协同阻燃效率。而且本发明提供的纳米杂化无卤阻燃剂的制备工艺简单、成本低、无环境污染、生产效率高，具有产业上的利用价值。

本发明进一步提供一种根据上述方法所制备的纳米杂化阻燃剂，所述纳米杂化阻燃剂为层状双氢氧化物，其结构式为[M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂]^x+(H₂PO₂ ^-)_x· mH₂O，其中，M²⁺为二价金属离子，M³⁺为三价金属离子，且m为正整数。本发明提供的纳米杂化阻燃剂可以实现次磷酸根与层状双氢氧化物在分子水平上均匀混合，有助于进一步提高协同阻燃效率。

实施例1：

称取17.85g (0.06 mol) 六水合硝酸锌和11.25 g (0.03 mol) 九水合硝酸铝，并将其溶于300 mL去离子水形成第一溶液；称取3.18 g（0.03 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水形成第二溶液；在氮气保护下，将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器中混匀形成混合液，温度为25℃；将混合液的pH值用2mol/L氢氧化钠溶液控制在10±0.1，滴加完毕后经升温至75℃熟化24小时，最后经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

请参照图2，对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

实施例2：

称取26.17 g (0.09 mol) 六水合硝酸镍和11.25 g (0.03 mol) 九水合硝酸铝，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取6.36 g（0.06 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水形成第二溶液；在氮气保护下，将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器中形成混合液，温度为25℃；将混合液pH值用2mol/L氢氧化钠溶液控制在10±0.1，滴加完毕后升温至80℃熟化20小时；最后经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

实施例3

称取15.38 g (0.06 mol) 六水合硝酸镁、8.92 g（0.03 mol）六水合硝酸锌和11.25 g (0.03 mol) 九水合硝酸铝，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取3.18g（0.03 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水得到第一溶液；在氩气保护下，将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器中形成混合液，温度为25℃；将混合液pH值用2mol/L氢氧化钠溶液控制在10±0.1，滴加完毕后经升温至75℃熟化24小时，经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

实施例4

称取26.19 g (0.09 mol) 六水合硝酸钴和11.25 g (0.03 mol) 九水合硝酸铝，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取3.18 g（0.03 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水形成第二溶液；在氮气保护下，将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器中混匀形成混合液，温度为35℃；将混合液的pH值用4mol/L氢氧化钠溶液控制在8.5±0.1，滴加完毕后经升温至70℃熟化24小时，经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了较为明显的片层结构衍射峰。

实施例5

称取14.17g (0.06 mol) 四水合硝酸钙和12.12 g (0.03 mol) 九水合硝酸铁，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取3.18 g（0.03 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水得到第二溶液；在氩气保护下，将第一溶液和第二溶液同时滴加至反应容器中混匀形成混合液，温度为35℃；将混合液的pH值用2mol/L氢氧化钠溶液控制在9.5±0.1，滴加完毕后经升温至70℃熟化24小时，经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

实施例6

称取14.50 g (0.06 mol) 三水合硝酸铜和11.3 g (0.03 mol) 九水合硝酸铝，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取4.77 g（0.045 mol）一水合次磷酸钠，并将其溶于100 mL去离子水得到第二溶液；在氮气保护下，将第一溶液、第二溶液同时滴加至反应容器中混匀形成混合液，反应温度为35℃；将混合液pH值用3mol/L氢氧化钠溶液控制在9.0±0.1，滴加完毕后经升温至70℃反应24小时，经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

实施例7

称取15.38 g (0.6 mol) 六水合硝酸镁、17.45 g (0.6 mol)六水合硝酸镍和12.12 g (0.03 mol) 九水合硝酸铁，并将其溶于300 mL去离子水得到第一溶液；称取4.98g (0.06mol)次膦酸铵，并将其溶于100 mL去离子水得到第二溶液；在氩气保护下，将第一溶液、第二溶液同时滴加至反应容器中混匀形成混合液，反应温度为35℃；将混合液的pH值用1mol/L氢氧化钠溶液控制在9.5±0.1，滴加完毕后经升温至70℃熟化24小时，经水洗、过滤、干燥处理即可得到纳米杂化无卤阻燃剂。

对所得到的纳米杂化无卤阻燃剂进行X射线衍射测试，结果显示，XRD出现了明显的片层结构衍射峰。

本发明的实施例中所用原料如下：

六水合硝酸锌，分析纯，国药化学试剂有限公司；

六水合硝酸镍，分析纯，国药化学试剂有限公司；

六水合硝酸镁，分析纯，国药化学试剂有限公司；

六水合硝酸钴，分析纯，国药化学试剂有限公司；

四水合硝酸钙，分析纯，国药化学试剂有限公司；

三水合硝酸铜，分析纯，国药化学试剂有限公司；

九水合硝酸铝，分析纯，国药化学试剂有限公司；

九水合硝酸铁，分析纯，国药化学试剂有限公司；

一水合次磷酸钠，分析纯，国药化学试剂有限公司；

次膦酸铵，分析纯，国药化学试剂有限公司。

本发明所用的测试仪器如下：

X射线衍射仪（XRD）：X’Pert PRO型X射线衍射仪。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括：

将水溶性二价金属盐与水溶性三价金属盐溶于去离子水中配制成第一溶液，其中，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为1:1～8:1；

将水溶性次磷酸盐溶于去离子水中配成第二溶液；

将所述第一溶液和所述第二溶液滴加至反应容器中均匀混合形成一混合液，并用强碱溶液调节使所述混合液的pH值为7.5～11；所述混合液中次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比为0.5:1～3:1；

加热使所述混合液形成晶化物，水洗、过滤、干燥处理所述晶化物得到所述纳米杂化无卤阻燃剂，其中，加热使所述混合液形成晶化物的步骤包括：先升温到70～80℃反应5～12h，然后再升温到80～90℃反应5～12h使所述混合液形成晶化物。

2.根据权利要求1所述的纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述二价金属盐与所述三价金属盐的摩尔比为2:1～4:1。

3.根据权利要求1所述的纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述混合液中次磷酸盐与三价金属盐的摩尔比为1:1～2:1。

4.根据权利要求1所述的纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述用强碱溶液调节使所述混合液的pH值为8.5～10.5。

5.根据权利要求1所述的纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述二价金属盐与所述三价金属盐分别为二价金属硝酸盐与三价金属硝酸盐。

6.根据权利要求1所述的纳米杂化阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述二价金属盐中的金属离子为Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Ti²⁺、V²⁺、Cr²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺、Sn²⁺、Pb²⁺或Ni²⁺中的一种或多种；所述三价金属盐中的金属离子为Al³⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Mn³⁺、La³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Sc³⁺、V³⁺、Ti³⁺、Cr³⁺、Tl³⁺、Bi³⁺、Ce³⁺、Pr³⁺、Nb³⁺、In³⁺、Ga³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺、Lu³⁺、W³⁺或Cr³⁺中的一种或多种；所述次磷酸盐为次磷酸钠、次磷酸镁、次磷酸钙、次磷酸钾、次磷酸铵中的一种或多种。

7.一种根据权利要求1-6任一项制备方法所获得的纳米杂化阻燃剂，其特征在于，所述纳米杂化阻燃剂为层状双氢氧化物，其结构式为[M²⁺ _1-xM³⁺ _x(OH)₂]^x+(H₂PO₂ ^-)_x·mH₂O，其中，M^{2 +}为二价金属离子，M³⁺为三价金属离子，且m为正整数。