CN110819097B - 一种碳量子点-聚合物复合材料及制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳量子点‑聚合物树脂复合材料及制备和应用。碳量子点‑聚合物树脂复合材料由碳量子点与聚合物树脂材料通过熔融共混制得的复合材料；其中碳量子点与聚合物树脂材料的质量比为1:(2.3～10)。本发明公开了碳量子点‑聚合物树脂复合材料在不同领域中的应用需求，具有操作简单，条件温和，易于大规模制备等优点；首次公开了碳量子点作为一种绿色无卤阻燃剂在聚合物中的阻燃应用，具有阻燃效果好，绿色环保等优点，为制备全新的环保无卤阻燃剂提供了新思路。

Description

一种碳量子点-聚合物复合材料及制备和应用

技术领域

本发明涉及一种碳量子点-聚合物复合材料及制备和应用，更具体地说涉及利用碳量子点在高分子聚合物燃烧过程中，在聚合物表面形成致密焦炭层从而阻止火焰和聚合物之间的热量与可燃性挥发物传输，展现出阻燃特性。

背景技术

阻燃剂可以赋予高分子材料难燃的特性，使之可以安全地应用于电子与电气行业，如：插座、继电器等电子元器件。除此之外，随着高分子材料在建筑材料上的广泛应用，难燃的高分子材料是保证人民生命财产安全的关键。因此，开发有效的阻燃剂就显得尤为重要。目前，欧美国家主要使用无卤阻燃剂，其环保意识较强，阻燃技术领先。而亚洲主要还是使用污染较重的溴系阻燃剂。溴系阻燃剂在燃烧的过程中容易产生强烈的致癌物，并且产生的溴化氢极易引发污染，因此，开发绿色环保的无卤阻燃剂迫在眉睫。

目前已经有专利公开了绿色碳基环保阻燃剂，但是性能仍然有所欠缺。

中国专利CN105155252B报道了表面氨基功能化的碳纳米管作为阻燃剂，在其共混物体系中，峰值热释放速率由325W/g下降至228W/g，下降了29.8％；总热释放量由11.5KJ/g下降至9.5KJ/g，下降了17.4％。

中国专利CN201711072812.7报道了以石墨烯杂化粒子作为阻燃剂，在其共混物体系中，极限氧指数由23.2％提高到26.5％，仍属于可燃物范围内。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种碳量子点-聚合物树脂复合材料，本发明的另一目的是提供上述碳量子点-聚合物树脂复合材料的制备方法，本发明还提供了上述的碳量子点-聚合物树脂复合材料在阻燃中的应用。主要是公开碳量子点在聚合物树脂中的阻燃应用，克服传统溴系阻燃剂在燃烧过程中的有毒气体排放等问题，同时解决碳纳米管等碳基阻燃剂在聚合物中分散性差，阻燃效果不理想工艺复杂等缺点。该阻燃剂无毒无害，阻燃性能优异，是一种新型高效绿色环保的阻燃剂。

本发明的技术方案是：一种碳量子点-聚合物树脂复合材料，其特征在于：由碳量子点与聚合物树脂材料通过熔融共混制得的复合材料；其中碳量子点与聚合物树脂材料的质量比为1:(2.3～10)。

上述碳量子点的粒径在2-10nm之间，主要由碳、氢、氧、氮四种元素组成；可以购买也可以自己制备。

本发明中所用的碳量子点是优选按照中国专利CN201610632481.7的方法制备得到。碳量子点是一种粒径在2-10nm，主要成分为碳，氢，氧，氮等元素的纳米球形小颗粒，同时表面含有大量的羟基、羧基和羰基等官能团，因此碳量子点极易分散在各种溶剂中，方便了与聚合物进行溶液混合。同时也因为表面含有大量官能团碳量子可以在熔融共混过程中均匀分散在树脂基材中充分发挥材料的特性在提高聚合物阻燃性的同时也提高了材料的机械性能。碳量子点的制备方法简单，原料廉价且来源广泛，因此生产成本低。与传统的碳纳米管等碳基阻燃剂相比，碳量子点作为阻燃剂不仅具有绿色环保等特点，还具有较好的阻燃效果。

优选所述聚合物树脂包含但不仅限于为：尼龙(PA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或者两种以及两种以上的混合物。

本发明还提供了上述的碳量子点-聚合物树脂复合材料的制备方法，其特征在于：利用螺杆挤出机进行熔融共混挤出，其中螺杆温度为130-270℃，主机转速20-40r/min。

本发明还提供了上述的碳量子点-聚合物树脂复合材料在阻燃中的应用。也提供了碳量子点在聚合物树脂中的阻燃应用。

首先制备碳量子点与聚合物的复合材料，其次是测试其阻燃性能。本发明的阻燃性能测试主要测试的是峰值放热速率，总放热量，热释放能力以及最高分解温度。

本发明的阻燃碳量子点-聚合物树脂复合材料的阻燃性能：热释放能力降低20-65％，热释放总量降低20-67％，峰值热释放速率降低25-80％，最高分解温度降低0.5-3℃。

附图说明

图1为本发明实施例中碳量子点的TEM图；

图2为本发明实施例1碳量子点-聚氨酯母粒实物图；

图3为本发明实施例1碳量子点-聚氨酯与纯聚氨酯的放热速率的曲线图；

图4为本发明实施例2中纯聚合物与碳量子点-聚乙烯吡咯烷酮复合材料的阻燃效果图。

具体实施方式

以下通过具体实施例说明本发明，但本发明并不仅仅限定于这些实施例。

实施例1

将碳量子点粉末(碳量子点的TEM图见图1)与聚氨酯混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚氨酯按1：4的质量比进行混合，螺杆挤出机熔温设置为190℃，主机转速25r/min。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。图2为所述的螺杆挤出机挤出并且切粒的母粒实物图。母粒为均匀的黑色，表明碳量子点在聚合物中分散均匀。图3为碳量子点与聚氨酯材料按1：4的质量比进行混合的复合材料的放热速率曲线图。表1为其他阻燃测试参数。热释放能力下降了57.5％，峰值放热速率下降了65.8％，热释放总量下降了61.3％，最高分解温度下降了1.7℃。

表1碳量子点-聚氨酯复合材料阻燃性能测试参数。

实施例2

将碳量子点粉末与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)颗粒混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚氨酯按1：4的质量比进行混合，螺杆挤出机熔温设置为140℃,主机转速30r/min。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了50.6％，峰值放热速率下降了62.8％，热释放总量下降了58.8％，最高分解温度下降了2.3℃。图4为纯聚合物与碳量子点/聚乙烯吡咯烷酮复合材料的阻燃效果图。其中，图4中a-d为纯聚乙烯吡咯烷酮燃烧时间为1s,2s,3s,4s时的照片；图4中e-h为碳量子点与聚乙烯吡咯烷酮复合物燃烧时间为1s,2s,3s,4s时的照片。从图中可以看出，碳量子点与聚乙烯吡咯烷酮复合物表现出极好的阻燃性能。

实施例3

将碳量子点粉末与尼龙6(PA6)树脂混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与尼龙6按1：9的质量比进行混合，螺杆挤出机熔温设置为260℃，主机转速30r/min。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了21.5％，峰值放热速率下降了28.3％，热释放总量下降了25.6％，最高分解温度下降了0.6℃。

实施例4

将碳量子点粉末与聚碳酸酯(PC)树脂混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚碳酸酯按1：7的质量比进行混合，螺杆挤熔温设置为230℃，主机转速25r/min。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了31.8％，峰值放热速率下降了39.2％，热释放总量下降了36.2％，最高分解温度下降了1.2℃。

实施例5

将碳量子点粉末与聚丙烯(PP)混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚丙烯按1：5的质量比进行混合，螺杆挤熔温设置为165℃，主机转速35r/min。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了45.5％，峰值放热速率下降了57.4％，热释放总量下降了52.5％，最高分解温度下降了2.5℃。

实施例6

将碳量子点粉末与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚甲基丙烯酸甲酯1：2.5的质量比进行混合，螺杆挤熔温设置为150℃。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了54.5％，峰值放热速率下降了75.6％，热释放总量下降了60％，最高分解温度下降了2.9℃。

实施例7

将碳量子点粉末与尼龙66(PA66)颗粒混合均匀，随后将混合物通过螺杆挤出机挤出并切粒。其中碳量子点与聚甲基丙烯酸甲酯1：3的质量比进行混合，螺杆挤熔温设置为260℃。随后对挤出的母粒进行阻燃性能测试。热释放能力下降了62.2％，峰值放热速率下降了68.3％，热释放总量下降了66.4％，最高分解温度下降了1.3℃。

Claims (3)

1.一种碳量子点-聚合物树脂复合材料，其特征在于：由碳量子点与聚合物树脂材料通过熔融共混制得的复合材料；其中碳量子点与聚合物树脂的质量比为1: (2.3~10)；其中所述聚合物树脂为：尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或聚乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上的混合物。

2.一种制备如权利要求1所述的碳量子点-聚合物树脂复合材料的方法，其特征在于：将碳量子点粉末与聚合物树脂混合均匀，利用螺杆挤出机进行熔融共混挤出，其中螺杆温度为130-270℃，主机转速20-40 r/min。

3.一种如权利要求1所述的碳量子点-聚合物树脂复合材料在阻燃中的应用。

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