CN112778657A - 一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料及制法 - Google Patents

一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料及制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚苯乙烯技术领域，且公开了一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，在正丁基锂的水热剥离下，纳米二硫化钼形成LixMoS2夹层复合物，得到单层纳米二硫化钼，并形成表面硫原子缺陷，能与3‑巯基‑1‑丙胺反应，得到氨基化二硫化钼，其与三氯乙酰基异氰酸酯反应，得到三氯乙酰基二硫化钼，在六羰基钼的作用下，在卤素基团的α碳位置形成碳自由基，以α碳自由基为活性引发位点，引发苯乙烯聚合，通过的化学键连接方式，提高了二硫化钼和聚苯乙烯的界面亲和性，二硫化钼在基体中起到化学阻隔和催化成炭作用，可以减少热分解过程中可燃性挥发物的传播，延缓聚苯乙烯基体内部的降解和燃烧，提高了聚苯乙烯的热稳定性和阻燃性能。

Description

一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料及制法
技术领域
本发明涉及聚苯乙烯技术领域，具体为一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料及制法。
背景技术
二硫化钼是一种类石墨烯结构和性能的新型二维层状化合物，由于其具有独特的光学、电学和热稳定性性能，在催化剂、光发射器和光电探测器等领域有着相对广泛的应用，成为近几年来的研究热点，随着对耐二硫化钼不断的进行深入研究，人们发现将纳米二硫化钼作为功能性填充材料，填充进环氧树脂、聚苯乙烯等有机高分子材料中，通过纳米二硫化钼的优异性能，提高环氧树脂、聚苯乙烯等有机高分子材料的阻燃性和热稳定性等综合性能，但是普通的纳米二硫化钼经剥层后非常容易重新堆积并团聚，与聚合物的相容性差，无法在有机高分子材料中稳定分散，因此需要对纳米二硫化钼进行改进，增强纳米二硫化钼与聚合物集体的界面相容性，从而达到提高环氧树脂、聚苯乙烯等高分子材料综合性能的目的。
聚苯乙烯是一种无色透明的热塑性塑料，具有着无毒无害、易着色、易加工和优异的耐化学腐蚀性能，在绝缘材料、隔热材料和建筑等领域有着十分重要的作用，然而传统的聚苯乙烯热稳定性和阻燃性较差，无法在高温条件下进行使用，在当前全球经济迅猛发展的势头下，普通的聚苯乙烯逐渐遭到淘汰，因此迫切的寻找聚苯乙烯的改性方法成为当下的研究热点，填充改性作为一种经济、高效的改性方法，可以对聚苯乙烯进行改性，通过将石墨烯、二硫化钼等无机纳米材料的优异性能融入聚苯乙烯基体中，进一步提高聚苯乙烯的阻燃性能和热稳定性等综合性能，逐渐成为当前社会的研究热点。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料及制法，解决了剥层二硫化钼分散性较差的问题，同时解决了聚苯乙烯阻燃性和热稳定性较差的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，所述阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料的制法包括以下步骤：
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，超声搅拌进行反应，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，转移至油浴锅中进行酰胺化反应，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，进行反应，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，混合均匀后倒入模具中，在 100-120℃固化10-20h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
优选的，所述步骤(2)中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为 100:110-130。
优选的，所述步骤(2)中反应的温度为15-35℃，反应的时间为20-30h。
优选的，所述步骤(3)中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:80-120。
优选的，所述步骤(3)中酰胺化反应的温度为70-90℃，在氮气氛围中搅拌进行反应5-10h。
优选的，所述步骤(4)中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:2-6:0.3-1。
优选的，所述步骤(4)中反应的温度为60-80℃，在氮气氛围中反应 20-40min。
优选的，所述步骤(5)中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:1-10:0.1-5:1-4。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益技术效果：
该一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，纳米二硫化钼在正丁基锂的作用下，会形成LixMoS2夹层复合物，该夹层复合物通过水热剥离，形成剥层二硫化钼，最终得到单层纳米二硫化钼，纳米二硫化钼经剥层后，晶体结构被破坏，硫原子缺失，并产生硫原子缺陷空位，而3-巯基-1-丙胺对于剥层后的二硫化钼纳米片的硫缺陷空位具有良好的配体亲和力，可以在二硫化钼纳米片上进行配位接枝，得到了氨基化二硫化钼，氨基化二硫化钼的氨基在高温下与三氯乙酰基异氰酸酯的异氰酸酯基团发生酰胺化反应，最终得到了三氯乙酰基二硫化钼，通过化学接枝的方法，对纳米二硫化钼表面进行氨基化、三氯乙酰基化改性，提高了剥层纳米二硫化钼的应用范围。
该一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，三氯乙酰基二硫化钼在六羰基钼的作用下，在卤素氯原子的α碳位置形成碳自由基，以α碳自由基为活性引发位点，引发苯乙烯单体在二硫化钼纳米片表面进行原位聚合，最终得到了阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，通过表面引发聚合的方式，将二硫化钼纳米片与聚苯乙烯之间通过化学键连接在一起，有效地提高了二硫化钼和聚苯乙烯的界面亲和性，减少了二硫化钼纳米片在聚苯乙烯基体中的团聚现象，使得二硫化钼纳米片均匀地分散在聚苯乙烯基体中，稳定分散的二硫化钼纳米片在聚苯乙烯基体中可以起到化学阻隔作用和催化成炭作用，并形成化学交联点，通过化学阻隔和交联点的配合作用，对聚苯乙烯基体进行阻隔保护作用，在高温条件下，通过二硫化钼纳米片的催化成炭作用，使得聚苯乙烯基体在热分解过程中形成致密的碳层，可以减少热分解过程中生成的可燃性挥发物的传播，同时二硫化钼纳米片可以通过其特殊的片状结构，延缓气相和凝聚相之间的物质与能量转移，进一步延缓聚苯乙烯基体内部的降解和燃烧，从而有效地提高了聚苯乙烯的热稳定性和阻燃性能。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，制备方法包括以下步骤：
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:110-130，在15-35℃下超声搅拌反应 20-30h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:80-120，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以70-90℃反应5-10h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:2-6:0.3-1，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以60-80℃反应20-40min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:1-10:0.1-5:1-4，混合均匀后倒入模具中，在100-120℃固化10-20h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
实施例1
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:110，在15℃下超声搅拌反应20h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:80，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以70℃反应5h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:2:0.3，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以60℃反应 20min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:1:0.1:1，混合均匀后倒入模具中，在100℃固化10h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
实施例2
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:115，在20℃下超声搅拌反应22h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:90，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以75℃反应6h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:3:0.5，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以65℃反应 25min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:3.25:1.3:1.75，混合均匀后倒入模具中，在105℃固化12h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
实施例3
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:120，在25℃下超声搅拌反应24h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:100，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以80℃反应8h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:4:0.7，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以70℃反应 30min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:5.5:2.5:2.5，混合均匀后倒入模具中，在110℃固化15h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
实施例4
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:125，在30℃下超声搅拌反应28h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:110，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以85℃反应8h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:5:0.9，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以75℃反应 35min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:7.75:3.7:3.25，混合均匀后倒入模具中，在115℃固化18h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
实施例5
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:130，在35℃下超声搅拌反应30h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:120，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以90℃反应10h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:6:1，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以80℃反应 40min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:10:0.5:4，混合均匀后倒入模具中，在120℃固化20h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
对比例1
(1)向三颈瓶中加入正丁基锂的正己烷溶液、纳米二硫化钼，进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，其中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:135，在35℃下超声搅拌反应35h，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向三颈瓶中加入甲苯、氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，其中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:130，转移至油浴锅中，在氮气氛围中以90℃反应15h，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向三颈瓶中加入甲醇、苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，其中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:7:1.2，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，在氮气氛围中以80℃反应 50min，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向三颈瓶中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，其中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:12.25:6.2:4.75，混合均匀后倒入模具中，在120℃固化30h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
使用DX8348热释放速率试验机测试阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料的热释放速率和最大热释放速率峰值。
Figure BDA0002881129400000091
Figure BDA0002881129400000101
使用XT-SZ015拉力试验机测试阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料的初始分解温度和质量损失50％时的温度。
Figure BDA0002881129400000102

Claims (8)

1.一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料的制法包括以下步骤：
(1)使用正丁基锂的正己烷溶液对纳米二硫化钼进行水热剥离，产物冷却后干燥，分散在去离子水中，得到剥层二硫化钼分散液；
(2)向三颈瓶中加入剥层二硫化钼分散液和3-巯基-1-丙胺，超声搅拌进行反应，产物离心、洗涤并干燥，得到氨基化二硫化钼；
(3)向甲苯溶剂中加入氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯，转移至油浴锅中进行酰胺化反应，产物离心、洗涤并干燥，得到三氯乙酰基二硫化钼；
(4)向甲醇溶剂中加入苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼，体系经过液氮冷冻-抽真空-通氮气-解冻的循环过程后，进行反应，产物冷却后洗涤，得到二硫化钼改性聚苯乙烯乳液；
(5)向反应器中加入二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素，混合均匀后倒入模具中，在100-120℃固化10-20h，得到阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(2)中剥层二硫化钼和3-巯基-1-丙胺的质量比为100:110-130。
3.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(2)中反应的温度为15-35℃，反应的时间为20-30h。
4.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(3)中氨基化二硫化钼和三氯乙酰基异氰酸酯的质量比为100:80-120。
5.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(3)中酰胺化反应的温度为70-90℃，在氮气氛围中搅拌进行反应5-10h。
6.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(4)中苯乙烯、三氯乙酰基二硫化钼和六羰基钼的质量比为100:2-6:0.3-1。
7.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(4)中反应的温度为60-80℃，在氮气氛围中反应20-40min。
8.根据权利要求1所述的一种阻燃性的二硫化钼改性聚苯乙烯复合材料，其特征在于：所述步骤(5)中二硫化钼改性聚苯乙烯乳液、消泡剂聚乙烯醚、流平剂聚二甲基硅氧烷和增稠剂羟甲基纤维素的质量比为100:1-10:0.1-5:1-4。
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