CN108559134A - BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂及其制备方法 - Google Patents
BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂及其制备方法,该复合阻燃剂是将Ba(NO3)2、(NH4)2B10O6·8H2O、SiO2胶体,在140~200℃下水热反应12~36小时,即得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2纳米复合阻燃剂。本发明复合阻燃剂中球形纳米SiO2均匀地负载在BaB8O11(OH)4纳米片的表面,BaB8O11(OH)4纳米片和球形纳米SiO2均可增大阻燃剂与材料的接触面以提高相容性,加之二者热稳定性良好,两者复合具有协同阻燃作用,使阻燃剂的阻燃效果更好,同时降低了阻燃剂的用量。本发明BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2纳米复合阻燃剂制备方法简单,对聚丙烯等塑料具有良好的阻燃性,具有广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明属于阻燃材料技术领域,具体涉及一种BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂及其制备方法。
背景技术
硼酸盐是一种有效且价廉的无机阻燃剂,具有热稳定性好、无毒、抑烟、燃烧产物毒性小等优点,广泛应用于各种纤维、树脂、橡胶制品、电器绝缘材料、电线、电缆、木材及防锈漆等方面的阻燃。然而,通常制备的硼酸盐粒径较大,在聚合物中不易分散,还降低了高分子聚合物的机械性能,限制了其应用。由于纳米材料的形貌和尺寸对其阻燃性能有很大影响,对于等量的阻燃剂,其粒径愈小比表面积愈大,超细化、纳米化以后,增强了界面的相互作用,可以更均匀的分散于基质中,阻燃效果就愈好。如果将硼酸盐阻燃剂制备成纳米级,则有可能既可增大阻燃剂与基质材料的接触面和提高相容性,又可降低阻燃剂的用量。并且,如果将纳米硼酸盐阻燃剂与其他阻燃剂制备成纳米复合材料,则会具有协同阻燃作用。这样既可以发挥硼酸盐阻燃剂的优势也可以发挥其他阻燃剂的优势。
二氧化硅是一种常用的聚合物增强无机填料,可提高复合材料的力学性能、热稳定性。二氧化硅也是一种很好的阻燃剂,无机硅系化合物在复合材料中有良好的分散性和高效的阻燃性。硅系阻燃剂能改善基体的机械性能和加工性能,同时又不会污染环境。
发明人在研发过程中发现不少有关水合硼酸锌、水合硼酸钙及水合硼酸镁纳米结构的制备报道,如Lihong Bao等人提出采用水热法制备硼酸钙2CaO·B2O3·H2O纳米带,本课题组也曾报道了4ZnO·B2O3·H2O和2MgO·B2O3·1.5H2O纳米材料,椭球状、蚕蛹状4CaO·5B2O3·7H2O纳米结构的制备,相转化法制备片状CaO·3B2O3·4H2O纳米材料,等。但未有人提出过关于组成为BaB8O11(OH)4的水合硼酸钡纳米材料及其纳米复合型产品制备的相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备方法简单,具有良好的阻燃性能和抑烟性能的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂,以及该复合阻燃剂的制备方法。
解决上述技术问题所采用的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂由下述方法制备得到:
1、将去离子水与无水乙醇混合后用氨水调节pH至8~9,然后加热至60~80℃,逐滴加入正硅酸乙酯,恒温搅拌3~6小时,得到SiO2白色胶体。
2、按照钡元素与硼元素的摩尔比为1:5~20,将Ba(NO3)2、(NH4)2B10O16.8H2O加入去离子水中,搅拌均匀,然后加入SiO2白色胶体,在密闭条件下140~200℃反应12~36小时,将反应产物依次用60~80℃蒸馏水、乙醇洗涤后干燥,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
上述步骤1中,所述正硅酸乙酯与去离子水、无水乙醇的体积比为1:0.5~1.2:5~20,优选正硅酸乙酯与去离子水、无水乙醇的体积比为1:0.5~1.2:10~15。
上述步骤2中,优选Ba(NO3)2与SiO2白色胶体的质量-体积比为1g:7~12mL。
上述步骤2中,进一步优选在密闭条件下160~180℃反应18~24小时。
上述步骤2中,更优选钡元素与硼元素的摩尔比为1:10~17。
本发明的有益效果如下:
1、本发明通过溶剂热法原位合成BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂,在该复合阻燃剂中,球形纳米SiO2均匀地负载在BaB8O11(OH)4纳米片的表面。其中BaB8O11(OH)4纳米片和球形纳米SiO2均可增大阻燃剂与材料的接触面以提高相容性,加之二者热稳定性良好,两者复合具有协同阻燃作用,还能更有效地改善共混料的力学性能,使阻燃剂的阻燃效果更好,降低了阻燃剂的用量。
2、本发明BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂对聚丙烯具有良好的阻燃性,其能抑制聚丙烯的裂解,降低聚丙烯的热释放速率,减小聚丙烯在火灾中的危险性,而且能提高聚丙烯碳层的牢固程度,形成的膨胀碳层能有效隔热、隔氧。
3、本发明BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂具有阻燃效率高、便于加工、低毒、污染小等优点,具有广阔的发展前景。
附图说明
图1是实施例1制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的XRD图。
图2是实施例1制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的EDS图谱。
图3是实施例1制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的SEM图。
图4是实施例2制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的SEM图。
图5是实施例3制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的SEM图。
图6是聚丙烯(曲线a)、聚丙烯中分别添加10%对比例1的BaB8O11(OH)4阻燃剂(曲线b)和实施例1的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂(曲线c)的TG曲线。
图7是聚丙烯(a)以及聚丙烯中分别添加10%对比例1的BaB8O11(OH)4阻燃剂(曲线b)和实施例1的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂(曲线c)的氧指数值图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明,但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
1、将50mL无水乙醇、4mL去离子水加入三口烧瓶中,并加入5mL 4.2mol/L的氨水调节pH至8,然后加热至70℃,向三口烧瓶中逐滴加入5mL正硅酸乙酯,在70℃下恒温搅拌4小时,得到SiO2白色胶体。
2、将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、5.44g(0.01mol)(NH4)2B10O6·8H2O、35mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,然后加入25mL SiO2白色胶体,搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下160℃反应24小时,将反应釜取出,在空气中自然冷却至室温,所得产物经抽滤、80℃蒸馏水洗涤、无水乙醇洗涤、60℃干燥12小时,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
发明人采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜以及能谱分析对所得样品进行表征,结果见图1~3。由图1的XRD表征结果可见,样品的出峰位置均与BaB8O11(OH)4的出峰位置相一致,且图2的EDS表征结果也表明,样品中含有BaB8O11(OH)4以及SiO2的各元素,说明制备得到了BaB8O11(OH)4和SiO2的复合物。由图3可见,球形纳米SiO2均匀地负载在BaB8O11(OH)4纳米片的表面,BaB8O11(OH)4纳米片的长约500nm、宽150~200nm、厚度约50nm左右,SiO2的直径为100nm左右。
对比例1
将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、5.44g(0.01mol)(NH4)2B10O6·8H2O、60mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下160℃反应24小时,将反应釜取出,在空气中自然冷却至室温,所得产物经抽滤、80℃蒸馏水洗涤、无水乙醇洗涤、60℃干燥12小时,得到BaB8O11(OH)4阻燃剂。
实施例2
本实施例的步骤2中,将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、5.44g(0.01mol)(NH4)2B10O6·8H2O、40mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,然后加入20mL SiO2白色胶体,搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下160℃反应24小时,其他步骤与实施例1相同,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂(见图4)。
实施例3
本实施例的步骤2中,将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、4.08g(0.0075mol)(NH4)2B10O6·8H2O、40mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,然后加入20mL SiO2白色胶体,搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下200℃反应12小时,其他步骤与实施例1相同,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂(见图5)。
实施例4
本实施例的步骤2中,将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、10.88g(0.02mol)(NH4)2B10O6·8H2O、30mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,然后加入30mL SiO2白色胶体,搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下180℃反应12小时,其他步骤与实施例1相同,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
实施例5
本实施例的步骤2中,将2.61g(0.01mol)Ba(NO3)2、2.72g(0.005mol)(NH4)2B10O6·8H2O、40mL去离子水加入100mL高压反应釜中,室温搅拌均匀,然后加入20mL SiO2白色胶体,搅拌均匀,将反应釜置于烘箱中在密闭条件下140℃反应36小时,其他步骤与实施例1相同,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
为了证明本发明的有益效果,发明人分别向聚丙烯中添加10%对比例1制备的BaB8O11(OH)4阻燃剂和实施例1制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂,采用热分析仪进行热重分析(N2气氛),结果见图6。并采用JF-3氧指数测定仪(南京炯雷仪器设备有限公司提供)进行了阻燃性能测试,结果见图7。
从图6可以看出,掺杂对比例1中BaB8O11(OH)4阻燃剂的聚丙烯失重量比未掺杂的聚丙烯失重量少,且掺杂10%实施例1中BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的聚丙烯失重量更少;从图7看出,氧指数值由(a)到(c)依次增大。这些结果表明,掺杂10%实施例1中BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的聚丙烯阻燃性能>掺杂10%BaB8O11(OH)4阻燃剂的聚丙烯阻燃性能>聚丙烯的阻燃性能。
Claims (7)
1.一种BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:
(1)将去离子水与无水乙醇混合后用氨水调节pH至8~9,然后加热至60~80℃,逐滴加入正硅酸乙酯,恒温搅拌3~6小时,得到SiO2白色胶体;
(2)按照钡元素与硼元素的摩尔比为1:5~20,将Ba(NO3)2、(NH4)2B10O16.8H2O加入去离子水中,搅拌均匀,然后加入SiO2白色胶体,在密闭条件下140~200℃反应12~36小时,将反应产物依次用60~80℃蒸馏水、乙醇洗涤后干燥,得到BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述正硅酸乙酯与去离子水、无水乙醇的体积比为1:0.5~1.2:5~20。
3.根据权利要求1所述的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述正硅酸乙酯与去离子水、无水乙醇的体积比为1:0.5~1.2:10~15。
4.根据权利要求1所述的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述Ba(NO3)2与SiO2白色胶体的质量-体积比为1g:7~12mL。
5.根据权利要求1或4所述的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,在密闭条件下160~180℃反应18~24小时。
6.根据权利要求5所述的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述钡元素与硼元素的摩尔比为1:10~17。
7.权利要求1的方法制备的BaB8O11(OH)4纳米片/SiO2复合阻燃剂。
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