CN110591388A - 含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于阻燃抑烟剂技术领域,具体涉及一种含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂,所述阻燃抑烟剂是由g‑C3N4、ZIF‑67、正硅酸乙酯三种材料杂化制备而成。本发明还涉及一种上述阻燃抑烟剂的制备方法,利用g‑C3N4表面带有负电荷,将其与二价钴离子相结合,制得含有二价钴离子的g‑C3N4;再加入2‑甲基咪唑,利用钴离子与2‑甲基咪唑中氮的配位结合作用,制得ZC杂化材料,通过溶胶凝胶法水解正硅酸乙酯,生成的二氧化硅成功地包覆在ZC表面,制得ZCS三元杂化材料。作为阻燃抑烟剂用于聚合物中时,g‑C3N4、ZIF‑67和二氧化硅三者共同作用,阻燃抑烟性能得到有效改善。
Description
技术领域
本发明属于阻燃抑烟剂技术领域,具体涉及一种含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂及其制备方法。
背景技术
沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)作为金属有机骨架化合物材料(MOFs)的一种,是由过渡金属离子Zn2+、Co2+和咪唑或咪唑衍生物配体在有机溶剂中合成的一类新型多孔材料。其具有高比表面积,孔道可调节性好,以及较好的化学和热学稳定性,被广泛地应用与催化、吸附、分离及药物传递等领域。ZIF-67作为ZIFs材料的一个典型代表,其是由六水合硝酸钴和2-甲基咪唑在甲醇溶液中合成,是一种含有过渡金属元素钴和大量氮元素的材料。过渡金属钴的氧化物具有催化成炭的效果,含氮化合物通常可以作为阻燃剂。此外,ZIF-67的路易斯酸(Co2+)和碱(咪唑中的N)中心保证了其具有较好的催化活性。
石墨相氮化碳(g-C3N4)是由C、N两种元素组成,原材料获取简单,通常是由尿素或者三聚氰胺经过高温聚合法制得。g-C3N4是一种二维片层结构的材料,表面带有-NH2、-NH等基团且表面带有负电荷,所以易与一些功能基团反应(如-OH,-COOH),由于其具有独特的电子结构,较好的化学和热稳定性,高催化活性,被广泛地应用于催化、能源、水解制氢制氧、污染物降解等领域。近年来,g-C3N4在阻燃领域的应用也引起了人们的关注,但是单一的将g-C3N4作为阻燃剂来阻燃聚合物,其效果并不理想。所以对g-C3N4进行改性是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂,不仅能够有效改善聚合物的阻燃抑烟性能,还能提高聚合物的力学性能。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂,所述阻燃抑烟剂是由g-C3N4、ZIF-67、正硅酸乙酯三种材料杂化制备而成。
本发明的另一目的在于提供一种上述阻燃抑烟剂的制备方法,原料易得、方法简单、绿色环保。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:一种上述阻燃抑烟剂的制备方法,包括如下步骤:
a)向g-C3N4的甲醇分散液中滴加六水合硝酸钴的甲醇溶液,反应1~3h后,再向混合液中滴加2-甲基咪唑的甲醇溶液,反应3~5h后离心洗涤干燥得中间产物ZC;
b)将ZC均匀分散于乙醇中并调节pH至碱性,滴加正硅酸乙酯的乙醇溶液,反应后10~18h,再离心洗涤干燥处理得所述阻燃抑烟剂ZCS。
采用上述方案,利用g-C3N4表面带有负电荷,将其与二价钴离子相结合,制得含有二价钴离子的g-C3N4;再加入2-甲基咪唑,利用钴离子与2-甲基咪唑中氮的配位结合作用,制得ZC杂化材料,通过溶胶凝胶法水解正硅酸乙酯,生成的二氧化硅成功地包覆在ZC表面,制得ZCS三元杂化材料。作为阻燃抑烟剂用于聚合物中时,g-C3N4具有一定的片层阻隔作用起阻燃效果;ZIF-67在受热分解时会产生含钴的金属氧化物,发挥催化降解聚合物的作用,进而起到阻燃作用;外层包覆的二氧化硅是一种有效的固体酸,不但能够催化降解聚合物,而且与ZIF-67产生的金属氧化物联合,能够进一步催化聚合物降解产物成炭,使得残炭量进一步增加。g-C3N4、ZIF-67和二氧化硅三者共同作用,阻燃抑烟性能得到有效改善。
具体地,所述步骤a)中,g-C3N4的甲醇分散液是将g-C3N4加入到无水甲醇中,超声分散2~6h;二价钴的甲醇溶液是将六水合硝酸钴溶于无水甲醇得到的溶液;,g-C3N4、六水合硝酸钴和2-甲基咪唑三者的质量比为(1~2):3:3.6。
所述步骤a)和步骤b)中的干燥是在60~80℃的真空条件下干燥。所述步骤b)中,将ZC加入到无水乙醇中后,先调节pH值至9~11,再超声分散0.5~1.5h;所述步骤b)中,ZC和正硅酸乙酯的质量比为1:(2.0~3.0)。
本方案的反应均在室温下进行,无需进行加热升温,对反应要求低,原料易得且工艺简单,对环境无污染,绿色环保。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的方案作进一步详述。
实施例1
一、阻燃抑烟剂的制备
a)将1g的g-C3N4分散于150mL的无水甲醇中,超声2h,再将g-C3N4的甲醇分散液转移到烧瓶中,滴加3.0g的六水合硝酸钴的甲醇(150mL)溶液,反应2h,再滴加3.6g的2-甲基咪唑的甲醇(150mL)溶液,反应4h,离心洗涤,70℃真空条件下干燥得紫色粉末ZC。
b)将1g的ZC分散于150mL的无水乙醇中,用氨水调节pH=9,超声0.5h,再将2g的正硅酸乙酯和17mL的无水乙醇混合滴加到ZC分散液中,反应10h,得到ZC悬浊液,离心洗涤,80℃下真空干燥得淡紫色粉末ZCS阻燃抑烟剂。
二、阻燃剂的性能测试
1、试样制备:将该实施例制备的含钴、含氮、含硅阻燃抑烟剂,按质量分数为3wt%的添加量加入到聚苯乙烯中,按照测试所需的尺寸,制备出待测样品,记为试样一;将g-C3N4、ZIF-67、正硅酸乙酯按照上述阻燃抑烟剂制备过程中的比例混合,制作成混合材料后,采用试样一的添加量和制备方法将其加入到聚苯乙烯中,制备出待测样品,记为试样二。
2、阻燃及抑烟性能测试:测试按照ISO5600-1:2002标准进行,试样标准尺寸为100×100×3mm3,经锥型量热仪检测,试样一的最大热释放速率为390kW/m2,最大烟释放速率为0.39m2/s,与纯聚苯乙烯相比,其最大热释放速率和最大烟释放速率分别下降了68.6%和67.3%;试样二的最大热释放速率为986.1kW/m2,最大烟释放速率为0.98m2/s,与纯聚苯乙烯相比,其最大热释放速率和最大烟释放速率分别下降了20.6%和17.8%,可见,本发明制备的阻燃抑烟剂具有优异的阻燃及抑烟性能。
3、极限氧指数测试(LOI)测试:测试按照ASTM D-2863标准进行,试样标准尺寸为100×10×3mm3。经极限氧指数仪检测,纯聚苯乙烯的LOI为22.1%,试样一的LOI为31.9%,与纯聚苯乙烯相比,其LOI提高了44.3%;试样二的LOI为26.7%,与纯具苯乙烯相比,其LOI提高了20.8%。说明本发明制备的阻燃抑烟剂拥有较好的阻燃性能。
4、力学性能测试:测试按照ASTM D256标准进行,试样标准尺寸为64×12.7×3.2mm3。纯聚苯乙烯的抗冲击强度为9.0KJ/m2,试样一的抗冲击强度为17.0KJ/m2,与纯聚苯乙烯相比,其抗冲击强度提高了88.9%;试样二的抗冲击强度为10.2KJ/m2,与纯聚苯乙烯相比,其抗冲击强度提高了13.3%。说明本发明制备的阻燃抑烟剂能够大幅度提高聚合物的力学性能。
实施例2
一、阻燃抑烟剂的制备
a)将1.5g的g-C3N4分散于150mL的无水甲醇中,超声4h,再将g-C3N4的甲醇分散液转移到烧瓶中,滴加3.0g的六水合硝酸钴的甲醇(150mL)溶液,反应1h,再滴加3.6g的2-甲基咪唑的甲醇(150mL)溶液,反应3h,离心洗涤,60℃下真空干燥得紫色粉末ZC。
b)将1.5g的ZC分散于150mL的无水乙醇中,用氨水调节pH=10,超声1h,再将4.5g的正硅酸乙酯和15.5mL的无水乙醇混合滴加到ZC分散液中,反应14h,得到ZC悬浊液,离心洗涤,70℃真空条件下干燥得淡紫色粉末ZCS阻燃抑烟剂。
二、阻燃剂的性能测试
1、试样制备:将该实施例制备的含钴、含氮、含硅阻燃抑烟剂,按10wt%的添加量加入到硬质聚氨酯泡沫中,100℃固化2h,按照测试所需的尺寸,制备出待测样品。
2、阻燃及抑烟性能测试:测试按照ISO5600-1:2002标准进行,试样标准尺寸为100×100×25mm3,经锥型量热仪检测,该试样的最大热释放速率为151kW/m2,最大烟释放速率为0.05m2/s。与纯的硬质聚氨酯泡沫相比,其最大热释放速率和最大烟释放速率分别下降了57.2%和71.5%,说明该阻燃抑烟剂具有优异的阻燃及抑烟性能。
3、极限氧指数测试(LOI)测试:测试按照ASTM D-2863标准进行,试样标准尺寸为127×10×10mm3。经极限氧指数仪检测,纯硬质聚氨酯泡沫的LOI为19.2%,ZCS/硬质聚氨酯泡沫的LOI为30.4%,与纯硬质聚氨酯泡沫相比,其LOI提高了58.3%,说明该阻燃抑烟剂拥有较好的阻燃性能。
4、力学性能测试:测试按照GB/T8813-2008标准进行,试样标准尺寸为100×100×50mm3,压缩速率为2mm/min。纯硬质聚氨酯泡沫的压缩强度为305kPa,ZCS/硬质聚氨酯泡沫的压缩强度为575.5kPa,与纯硬质聚氨酯泡沫相比,压缩强度提高了88.7%,说明该阻燃抑烟剂能够提高聚合物的力学性能。
实施例3
一、阻燃抑烟剂的制备
a)将2.0g的g-C3N4分散于150mL的无水甲醇中,超声6h,再将g-C3N4的甲醇分散液转移到烧瓶中,滴加3.0g的六水合硝酸钴的甲醇(150mL)溶液,反应3h。再滴加3.6g的2-甲基咪唑的甲醇(150mL)溶液,反应5h,离心洗涤,80℃真空条件下干燥得紫色粉末ZC。
b)将1.0g的ZC分散于150mL的无水乙醇中,用氨水调节pH=11,超声1.5h,再将2.5g的正硅酸乙酯和14.0mL的无水乙醇混合滴加到ZC分散液中,反应18h,得到ZC悬浊液,离心洗涤,60℃真空条件下干燥得淡紫色粉末ZCS阻燃抑烟剂。
二、阻燃剂的性能测试
1、试样制备:将该实施例制备的含钴、含氮、含硅阻燃抑烟剂,按3wt%的添加量加入到聚乳酸中,出料,按照测试所需的尺寸,制备出待测样品。
2、阻燃及抑烟性能测试:测试按照ISO5600-1:2002标准进行,试样标准尺寸为100×100×3mm3,经锥型量热仪检测,该试样的最大热释放速率为380kW/m2,最大烟释放速率为0.04m2/s,与纯聚乳酸相比,其最大热释放速率和最大烟释放速率分别下降了65.4%和68.1%,说明该阻燃抑烟剂具有优异的阻燃及抑烟性能。
3、极限氧指数测试(LOI)测试:测试按照ASTM D-2863标准进行,试样标准尺寸为100×10×3mm3。经极限氧指数仪检测,聚乳酸的LOI为19.0%,ZCS/聚乳酸的LOI为32.0%,与纯聚乳酸相比,其LOI提高了68.4%,并且聚乳酸的熔滴情况得到明显改善,说明该阻燃抑烟剂拥有较好的阻燃性能。
Claims (8)
1.一种含钴、氮、硅的阻燃抑烟剂,其特征在于:所述阻燃抑烟剂是由g-C3N4、ZIF-67、正硅酸乙酯三种材料杂化制备而成。
2.一种如权利要求1所述的阻燃抑烟剂的制备方法,包括如下步骤:
a)向g-C3N4的甲醇分散液中滴加六水合硝酸钴的甲醇溶液,反应1~3h后,再向混合液中滴加2-甲基咪唑的甲醇溶液,反应3~5h后离心洗涤干燥得中间产物ZC;
b)将ZC均匀分散于乙醇中并调节pH至碱性,滴加正硅酸乙酯的乙醇溶液,反应后10~18h,再离心洗涤干燥处理得所述阻燃抑烟剂ZCS。
3.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤a)中,g-C3N4、六水合硝酸钴和2-甲基咪唑三者的质量比为(1~2):3:3.6。
4.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤a)中,g-C3N4的甲醇分散液是将g-C3N4加入到无水甲醇中,超声分散2~6h。
5.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤a)中,六水合硝酸钴的甲醇溶液是将六水合硝酸钴溶于无水甲醇得到的溶液。
6.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤a)和步骤b)中的干燥是在60~80℃真空条件下干燥。
7.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤b)中,将ZC加入到无水乙醇中后,先调节pH值至9~11,再超声分散0.5~1.5h。
8.根据权利要求2所述阻燃抑烟剂的制备方法,其特征在于:所述步骤b)中,ZC和正硅酸乙酯的质量比为1:(2.0~3.0)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191220 |
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