CN110591156B

CN110591156B - 一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂及其制备方法

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Publication number: CN110591156B
Application number: CN201910893908.2A
Authority: CN
Inventors: 刘治田; 王成; 刘诗; 张旗
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: Wuhan Institute of Technology
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN110591156A

Abstract

本发明公开了一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂，首先利用客体小分子胺对磷酸锆进行预撑改性，增大磷酸锆层间距离，然后在预插层的磷酸锆悬浮液中加入表面活性剂进行有机改性，最后将石墨化氮化碳引入有机改性的磷酸锆悬形成。本发明利用表面活性剂降低磷酸锆表面极性，增加树脂相容性，同时在磷酸锆中首次引入石墨化氮化碳，形成插层‑剥离结构，借由石墨化氮化碳的类石墨空间网状结构提高所得阻燃剂的热稳定性，同时季铵盐表面活性剂，氮化碳复合插层物质形成碳‑氮‑磷‑锆协效阻燃作用，所得阻燃剂集阻燃抑烟与增强功能于一体，无卤、成炭性好，阻燃性能优异，环境友好，且涉及的制备方法工艺简单，适合推广应用。

Description

一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂及其制备方法

技术领域

本发明属于新型阻燃抑烟助剂技术领域，涉及一种有机与无机杂化的新型阻燃抑烟助剂，具体涉及一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂及其制备方法。

背景技术

近年来，聚合物层状纳米复合材料成为纳米复合材料领域内研究最为广泛的材料之一，主要包括：层状硅酸盐、层状金属双氢氧化物、层状磷酸盐层状金属盐类化合物、蒙脱土水滑石等等，聚合物层状纳米复合材料具有一些特殊的优点：如高强度和高耐热性、高阻隔性、良好的导电导热功能等，进而可为提高聚合材料的热稳定性、防火阻燃以及机械性能提供良好方法。

磷酸锆是一种具有规整结构的新型层状多功能材料，其离子交换容量是黏土的6倍，并具有长径比可控，粒子尺寸分布较窄等等特点，是制备聚合物层状纳米复合材料的优良基体之一。层状磷酸锆不仅有层状化合物的共性，而且还具备其他层状化合物所不具有的特性，比如较大的离子交换空间、易于插层剥离、层间距可调，具有固体酸特性等；同时由于磷酸锆层间富含Lewis酸点，对多种聚合物具有良好的催化成炭作用使其在聚合物阻燃领域具有独特的优势。虽然通过ZrP的层状阻隔作用和固体酸催化成炭作用能够较为明显地提升了阻燃剂的阻燃性，但是一般阻燃体系形成的膨胀炭层较为疏松，热稳定性差，发挥催化成炭作用时间短，并不能使磷酸锆高效地催化聚合物成炭，不能使阻燃剂的阻燃效率得到质的提高。

为改善磷酸锆不能高效催化聚合物成炭限制阻燃效率等问题；专利CN201310550306.X，利用硼酸锌改性MCA，使硼酸锌接枝在生成的MCA的粒子表面，实现了反应物在反应介质中的有效分散，降低反应的体系粘度，但硼酸锌属于无机阻燃剂，其与树脂基体相容性较差，导致阻燃性能差，可加工性降低；专利CN108203519A中将甲胺插层磷酸锆中，经机械球磨后剥离成片层磷酸锆，在MCA合成过程中加入纳米片层磷酸锆，将磷酸锆作为协效剂改性阻燃剂，应用于PA6阻燃复合材料，但该专利中磷酸锆仅作为协效剂，且只针对PA6材料，存在复配量较大、阻燃效率低等问题。

因此，进一步优化磷酸锆类化合物的改性手段及其性能具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有阻燃剂成炭质量不佳、炭层松散强度低以及阻燃效率低等问题，提供一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂，利用复合插层物质形成碳-氮-磷-锆协效阻燃作用，集阻燃抑烟与增强功能于一体，无卤、成炭性好，阻燃性能优异，环境友好，且涉及的制备方法简单，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂的制备方法，它包括如下步骤：

1)将磷酸锆分散于水中配制磷酸锆悬浮液，向其中加入小分子胺溶液，搅拌均匀后进行超声处理，得预插层磷酸锆悬浮液；

2)向步骤1)中所得预插层磷酸锆悬浮液中滴加表面活性剂溶液，在搅拌条件下进行加热超声处理，得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液；

3)将石墨化氮化碳超声分散于水中，配制氮化碳悬浮液，将其滴加至步骤2)所得悬浮液中，机械搅拌处理，静置，离心，洗涤，干燥，得基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂。

上述方案中，所述磷酸锆为α-磷酸锆。

上述方案中，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、Gemini表面活性剂、十八烷基二甲基羟乙基胺、十六烷基三甲基磺酸铵、十八烷基三甲基磺酸胺中的一种或几种。

上述方案中，所述小分子胺为甲胺、乙胺、乙二胺中的一种或几种。

上述方案中，步骤1)所述超声处理温度为20～80℃。

上述方案中，步骤2)所述加热超声处理温度为30～100℃。

上述方案中，所述磷酸锆与小分子胺的摩尔比为100:1～1:50；优选的，所述磷酸锆与小分子胺的摩尔比为10:1～1:10。

上述方案中，磷酸锆与表面活性剂的摩尔比为1:3～3:2。

上述方案中，磷酸锆与氮化碳摩尔比为2:1～1:20。

上述方案中，步骤3)中所述洗涤步骤为采用丙酮洗涤2～3次，乙醇洗涤2～3次，水洗涤2～3次。

上述方案中，步骤1)中所述超声处理时间为6-12h。

上述方案中，步骤2)中所述加热超声处理时间为6-24h。

上述方案中，步骤3)中所述机械搅拌时间为12-24h。

上述方案中，所述干燥温度为60-80℃，时间为12-24h。

根据上述方案制备的基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂。

本发明的原理为：

α-磷酸锆为多功能层状化合物，层状结构稳定，易于插层剥离、层间距可调；本发明利用多种小分子胺对α-磷酸锆进行预撑处理，增大磷酸锆层间距离，然后利用表面活性剂进行有机改性，能够使磷酸锆片层表面活性降低，提高阻燃剂与基体树脂的相容性，同时形成的磷氮复合插层结构，可显著提高体系的阻燃效率：

1)在磷酸锆阻燃剂中引入氮化碳，氮化碳作为一种碳基阻燃剂，可在凝聚相形成网络结构层以保护内部聚合物在材料燃烧过程中不受外部热辐射和来自火焰的热反馈的影响，氮化碳与磷酸锆配合使用可表现出协效阻燃特性；同时由于氮化碳仅有C,N两种元素，并具有类石墨空间网状结构，在磷酸锆中引入氮化碳可以提高体系的成炭量和石墨化程度，使形成的炭层更加稳定致密；同时利用表面活性剂插入磷酸锆形成插层-剥离结构，使表面活性剂、氮化碳复合插层物质形成碳-氮-磷-锆协效阻燃作用，可显著提高阻燃剂的阻燃效率；

2)利用表面活性剂引入氮化碳对磷酸锆进行插层改性，氮化碳所带有的胺基会插入磷酸锆层间，可令α-磷酸锆的改性更加稳定，有效改善分子迁移和析出裂解等问题，提高大分子阻燃剂的稳定性。

3)氮化碳中的氮元素作为Lewis-碱性位点，不仅在催化反应中提供反应活性，还可与磷酸锆具有的Lewis-酸性位点通过酸碱质子反应，将磷酸锆和氮化碳通过交互作用连接起来；磷酸锆对于基材发挥阻燃作用时，会在表面快速成炭，填补片层与片层之间的空隙，形成大量的微纳碳笼，将大量的基材降解产物封闭其中，由磷酸锆在高温缺氧的环境下充分催化碳化；本发明通过酸碱质子催化作用将氮化碳连接在磷酸锆中，在磷酸锆固体酸效应所形成的微纳碳笼里发挥阻燃作用，可提高碳笼的碳强度，更好地将降解产物封存，更适于磷酸锆充分催化碳化，从而提高阻燃剂的阻燃效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首先利用小分子胺对α-磷酸锆进行预撑处理，然后利用表面活性剂以及石墨相氮化碳插入磷酸锆形成复合插层-剥离结构，形成的磷氮复合插层结构有利于发挥碳-氮-磷-锆协效阻燃作用，可显著提高阻燃剂的阻燃效率，并有利于保证所得阻燃剂的稳定性能。

2)本发明所述阻燃剂具有较高的阻燃效率，且综合性能优异，环境友好无污染，与树脂等相容性好，并可有效兼顾材料的其它性能(材料的化学稳定性、无毒、对基材不会产生腐蚀性，等)，且涉及的制备方法简单，适用性广。

附图说明

图1为利用本发明实施例1所得阻燃剂膨胀型防火涂料的耐火性能曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的磷酸锆均为α-磷酸锆；采用的Gemini表面活性剂的结构式为CH₃(CH₂)₁₇-NHBr-(CH₂)₄-NHBr-(CH₂)₁₇CH₃。

实施例1

一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂，其制备方法包括如下步骤：

1)在搅拌条件下，将2.83g磷酸锆超声分散于水中，配制磷酸锆悬浮液，向其中加入100ml浓度为0.2mol/L的甲胺水溶液搅拌均匀后超声处理6h(温度为60℃)，得预插层磷酸锆悬浮液；

2)将7.28g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶解于100ml水中配制表面活性剂溶液，然后将其逐滴加入预插层磷酸锆悬浮液中(控制磷酸锆与十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为1:1)，待完全滴加完后，在75℃条件下超声处理6h，得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液；

3)将4.0g石墨化氮化碳经超声分散于没水中，配制氮化碳悬浮液，然后将其滴加至步骤2)所得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液中，机械搅拌12h，静置，离心，洗涤，65℃干燥12h，即得基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂。

实施例2

1)在搅拌条件下，将5.69g磷酸锆超声分散于水中，配制磷酸锆悬浮液，向其中加入100ml浓度为0.2mol/L的甲胺水溶液搅拌均匀后超声处理12h(温度为80℃)，得预插层磷酸锆悬浮液；

2)将14.76g Gemini表面活性剂(C₄₀H₈₄Br₂N₂)溶解于100ml水中配制表面活性剂溶液，然后将其逐滴加入预插层磷酸锆悬浮液中(控制磷酸锆与Gemini表面活性剂的摩尔比为1:1)，待完全滴加完后，在75℃条件下超声处理8h，得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液；

3)将9.6g石墨化氮化碳经超声分散于水中，配制氮化碳悬浮液，然后将其滴加至步骤2)所得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液中，机械搅拌18h，静置，离心，洗涤，65℃干燥12h，即得基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂。

应用例1

将本实施例1所得阻燃剂应用于制备丙烯酸酯基膨胀型防火涂料，具体步骤包括：

1)按配比称取各原料，各组分及其所占质量百分比包括：丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水10％，基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂5％；

2)将称取的聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、二氧化钛、羟乙基纤维素研磨成粉状，然后加水充分研磨混合均匀；再加入消泡剂和分散剂，继续充分研磨；

3)最后加入基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂、丙烯酸酯乳液和正辛醇充分研磨混合均匀，即得所述防火涂料。

应用例2

应用例2所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于各组分及其所占质量百分比为：丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水12％，基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂3％。

应用例3

应用例3所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于：各组分及其所占质量百分比为：丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水15％，基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂2％。

对比例1

对比例1所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于各组分及其所占质量百分比为：丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水15％。

对比例2

对比例2所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水10％，磷酸锆5％。

对比例3

对比例3所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水10％，氮化碳5％。

对比例4

对比例4所述防火涂料的制备方法与应用例1大致相同，不同之处在于丙烯酸酯乳液20％，聚磷酸铵36％，季戊四醇12％，三聚氰胺12％，二氧化钛3％，羟乙基纤维素0.5％，分散剂0.5％，消泡剂0.5％，正辛醇0.5％，水10％，氮化碳与磷酸锆的混合物5wt％(磷酸锆3wt％、氮化碳2wt％)。

将应用例1～3和对比例1～4所得膨胀型防火涂料分别进行耐火性能测试，结果见表1。

表1应用例1～3和对比例1～4所得膨胀型防火涂料相关性能测试

应用例1所得膨胀型防火涂料的燃烧背温曲线图见图1，结果表明应用本发明所得阻燃剂制备的涂料可发挥优异的阻燃效果。

此外，由表1可以看出，在相同或相近条件量的前提下，本发明所得改性阻燃剂可显著提升所得涂料的阻燃性能和稳定性能等，尤其应用例3中仅利用2％用量的改性阻燃剂，其耐火时间已达到110.8min，优于对比例3和4中5％相关阻燃剂用量的阻燃效果。

上述结果表明：本发明所得阻燃剂具有阻燃效率好，基材的成炭率高，综合性能优异，树脂相容性好，环境友好，不会损坏材料的其它性能，适用性广。

本发明涉及的各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如温度、时间等)的下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将磷酸锆分散于水中配制磷酸锆悬浮液，向其中加入小分子胺溶液，搅拌均匀后进行超声处理，得预插层磷酸锆悬浮液；

2）向步骤1）中所得预插层磷酸锆悬浮液中滴加表面活性剂溶液，在搅拌条件下进行加热超声处理，得表面活性剂插层改性的磷酸锆悬浮液；

3）将石墨化氮化碳超声分散于水中，配制氮化碳悬浮液，将其滴加至步骤2）所得悬浮液中，机械搅拌处理，静置，离心，洗涤，干燥，得基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂；

所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、Gemini表面活性剂、十八烷基二甲基羟乙基胺、十六烷基三甲基磺酸铵、十八烷基三甲基磺酸胺中的一种或几种；

所述小分子胺为甲胺、乙胺、乙二胺中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述加热超声处理温度为30~100℃，时间为6-24h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸锆与小分子胺的摩尔比为100:1~1:50；磷酸锆与表面活性剂的摩尔比为1:3~3:2；磷酸锆与氮化碳摩尔比为2:1~1:20。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述超声处理时间为6-12h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述机械搅拌时间为12-24h。

6.权利要求1~5任一项所述制备方法制得的基于石墨化氮化碳复合插层改性的磷酸锆阻燃剂。