CN116041719B - 一种无卤阻燃剂、阻燃改性环氧树脂及它们的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镍钴双金属有机框架(NiCo‑MOF)的无卤阻燃剂、一种阻燃改性环氧树脂以及它们的制备方法。本发明提供的镍钴双金属有机骨架(NiCo‑MOF)通过超声水热合成，具有片状结构。本发明所制备得到的阻燃剂具有较高阻燃性能，在阻燃方面有较好的应用前景，为双金属MOF材料提供了一种新型可行的阻燃应用方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻燃剂，具体地说是一种镍钴双金属有机框架(NiCo-MOF)阻燃剂、含有该阻燃剂的阻燃改性环氧树脂复合材料及二者的制备方法。
背景技术
环氧树脂是一种重要的热固性树脂，它具有优秀的粘合性和耐化学腐蚀性。然而，由于环氧树脂含有较多的C、H等易燃元素，这就导致其耐火性能不佳，并且在燃烧时可释放出大量烟雾和有害气体的问题，给人们的财产甚至生命带来了巨大威胁。因此，面对这一重大威胁，提高环氧树脂的阻燃性能和抑烟性能具有重大的现实意义，对保护人民群众的财产和生命安全也具有十分重要的意义。
近年来，金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)在各个领域得到了迅猛发展。MOFs的金属位点或由MOFs降解得到的金属衍生物表现出了良好的催化氧化和催化成炭性能，并且能够在较低添加量情况下提升环氧树脂的阻燃性能使得在工业上的成本方面得到了有效控制，因此在阻燃领域引起了广泛的关注。
发明内容
针对上述本领域中的现状，本发明的目的之一，就是提供一种新型镍钴双金属有机框架(NiCo-MOF)无卤阻燃剂及其制备方法。本发明提供的镍钴双金属有机骨架(NiCo-MOF)通过超声水热合成，具有片状结构。本发明所制备得到的阻燃剂具有较高阻燃性能，在阻燃方面有较好的应用前景，为双金属MOF材料提供了一种新型可行的阻燃应用方法。
具体的，本发明提供一种无卤阻燃剂，为NiCo-MOF，其中，NiCo-MOF通过如下步骤制备：
(1)将N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、无水乙醇和蒸馏水按体积比混合；
(2)将对苯二甲酸(BDC)溶解(超声下)于步骤(1)中获得的混合溶液中；
(3)将钴盐和镍盐溶解于步骤(2)中获得的溶液中；
(4)步骤(3)中的固体完全溶解之后快速加入三乙胺，并继续搅拌以获得均匀的悬浮液；
(5)将步骤(4)中获得的悬浮液在密闭条件下超声处理；
(6)通过对步骤(5)中获得的混合物进行离心，用无水乙醇洗涤获得的固体3～5次，并在室温下干燥，从而获得所述阻燃剂。
其中，上述步骤均在室温下完成。
其中，步骤(1)中，DMF、无水乙醇和蒸馏水的体积比为16∶1∶1。
其中，步骤(2)中，加入的BDC的量为：DMF的体积与BDC的摩尔量(按mL/mmol计)的比例为64∶1.125。
其中，步骤(3)中，钴盐和镍盐的加入量为：BDC、钴盐(钴离子)和镍盐(镍离子)的摩尔比为2∶1∶1。钴盐为CoCl2·6H2O；镍盐为NiCl2·6H2O。
其中，步骤(4)中，加入的三乙胺与DMF的体积比为1∶40；将溶液搅拌7分钟以获得均匀的悬浮液。
其中，步骤(5)中超声处理12小时。
具体的，本发明还具体提供一种无卤阻燃剂(NiCo-MOF)的具体制备方法：
首先，将64mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、4mL无水乙醇和4mL蒸馏水混合于烧杯中备用。将1.125mmol对苯二甲酸(BDC)在超声下溶解于上述混合溶液中。再将各0.5625mmol的CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O溶解于溶液之中，完全溶解之后快速加入1.6mL的三乙胺。然后，将溶液搅拌7分钟以获得均匀的悬浮液，在密闭条件下对胶体溶液连续超声处理12小时。最后，通过离心获得产物并用无水乙醇洗涤3～5次，在室温下干燥。
本发明的目的之二，就是提供一种阻燃改性环氧树脂及其制备方法，该制成的改性环氧树脂能够用于手糊成型工艺，以提高环氧树脂的阻燃性能。
具体的，本发明的目的之二是这样实现的：
一种阻燃改性环氧树脂，其通过在环氧树脂中添加本发明的NiCo-MOF阻燃剂来实现，其中，NiCo-MOF阻燃剂与环氧树脂的质量比为2～3∶100(优选为3∶100)。
进一步的，所述阻燃改性环氧树脂通过如下步骤制备：将环氧树脂加热搅拌后，加入NiCo-MOF阻燃剂；搅拌均匀后再加入间苯二胺，间苯二胺与环氧树脂的质量比为10～14∶100，搅拌均匀后，加热固化，冷却后即得到所述阻燃改性环氧树脂。
具体的，所述阻燃改性环氧树脂的制备方法为：将环氧树脂(放置于抽滤瓶中)在60℃下，抽真空，保持温度搅拌20min；保持在60℃下，加入NiCo-MOF阻燃剂(与原料环氧树脂的质量比为2～3∶100)，搅拌20min；再加入间苯二胺(与环氧树脂的质量比为10～14∶100)搅拌10min；取出后浇注到模具中，在真空度为0.05MPa的烘箱中60℃，放置20min；随后转移到80℃的烘箱中加热120min，再升高到150℃，加热固化220min；冷却至室温后，从模具中取出即为本发明的阻燃改性环氧树脂复合材料。
其中，搅拌转速优选在60-180rpm。
本发明提供了该NiCo-MOF材料在制备阻燃材料方面的应用、以及该NiCo-MOF材料在制备阻燃环氧树脂复合材料中的应用。本发明所制得的阻燃剂，当将其添加至环氧树脂中时，所得到的阻燃环氧树脂阻燃效果大幅提高，具有广泛的工业应用前景。
附图说明
图1是实施例1所制备的NiCo-MOF阻燃剂的扫描电镜图(a)、X射线衍射图(b)和热重分析图(c)。
图2是对比例1所制备的固化的纯环氧树脂在锥形量热中热释放速率(HRR)图。
图3是实施例2所制备的本发明的改性环氧树脂在锥形量热中热释放速率(HRR)图。
图4是实施例3所制备的本发明的改性环氧树脂在锥形量热中热释放速率(HRR)图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明的保护范围。在本发明实施例中未详细描述的过程和方法是本领域公知的常规方法，实施例中所用试剂均为分析纯或化学纯，且均可市购或通过本领域普通技术人员熟知的方法制备。下述实施例均实现了本发明的目的。
实施例1：
首先，将64mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、4mL无水乙醇和4mL蒸馏水混合于烧杯中备用。将1.125mmol对苯二甲酸(BDC)在超声下溶解于上述混合溶液中。再将各0.5625mmol的CoCl2·6H2O和NiCl2·6H2O溶解于上述获得的溶液之中，完全溶解之后快速加入1.6mL的三乙胺。然后，将溶液搅拌7分钟以获得均匀的悬浮液，在密闭条件下对胶体溶液(悬浮液)连续超声处理12小时。最后，通过离心获得固体产物，并用无水乙醇洗涤固体3～5次，在室温下干燥，即获得NiCo-MOF阻燃添加剂。制得材料的扫描电镜图(a)、X射线衍射图(b)和热重分析图(c)参见图1；其中可以看出，获得的NiCo-MOF阻燃剂具有片状结构，从结构上具备阻燃的基本特征要求。
对比例1：
称取120g环氧树脂于干净抽滤瓶中，在60℃下抽真空，180rpm条件下，保持温度搅拌20min；保持在60℃下，随后加入13.2g的固化剂间苯二胺，搅拌10min，保证间苯二胺分散均匀；浇注模具，在真空度为0.05MPa的烘箱中，60℃放置20min，随后转移到80℃的烘箱中加热120min，调节温度到150℃，加热固化220min。冷却至室温后，取出样条，即制得EP材料(环氧树脂材料)。
实施例2：
称取120g环氧树脂于干净抽滤瓶中，在60℃下抽真空，180rpm条件下，保持温度搅拌20min；随后60℃下加入3.6g实施例1制备的NiCo-MOF阻燃剂，搅拌20min；随后60℃下加入13.2g间苯二胺，搅拌10min，保证固化剂间苯二胺分散均匀；浇注到模具中，在真空度为0.05MPa的烘箱中，60℃放置20min，随后转移到80℃的烘箱中加热120min，调节温度到150℃，加热固化220min。冷却至室温后，从模具中取出样条，即制得阻燃改性环氧树脂材料。
实施例3：
称取120g环氧树脂于干净抽滤瓶中，在60℃下抽真空，180rpm条件下，保持温度搅拌20min；随后60℃下加入2.4g实施例1制备的NiCo-MOF阻燃剂，搅拌20min；随后60℃下加入13.2g间苯二胺，搅拌10min，保证固化剂间苯二胺分散均匀；浇注到模具中，在真空度为0.05MPa的烘箱中，60℃放置20min，随后转移到80℃的烘箱中加热120min，调节温度到150℃，加热固化220min。冷却至室温后，从模具中取出样条，即制得阻燃改性环氧树脂材料。
实验方法：
对上述实施例中制备的阻燃改性的环氧树脂分别进行了极限氧指数(LOI)和锥形量热分析(CONE)测试，测试结果如下。表1为LOI测试数据：
表1：本发明产品对阻燃EP的阻燃性能影响
由上表1可知，纯环氧树脂的极限氧指数为19.7％，属易燃产品。在向环氧树脂中加入3％的本发明的NiCo-MOF阻燃剂后，氧指数提高至23.3％，提高了18.3％。由图2-4所示的对比例1和实施例2、3所制备的改性环氧树脂复合材料在锥形量热中热释放速率(HRR)图中可以看出，对比例1中获得的醇环氧树脂的热释放速率峰值(PHRR)达到1232.3Kw/m2，有较高的热释放速率；而，NiCo-MOF添加量在3％和2％的实施例2和3中，实施例2和3制备的阻燃改性环氧树脂PHRR分别降到833.4和1087.2Kw/m2，较纯环氧树脂的分别降低了32.37％和11.77％。
Claims (5)
1.一种阻燃改性环氧树脂，其特征在于，所述阻燃改性环氧树脂中添加无卤阻燃剂NiCo-MOF，所述阻燃剂与环氧树脂的质量比为3∶100；其中，所述阻燃剂通过如下步骤制得：
(1)将N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醇和蒸馏水按体积比混合；N，N-二甲基甲酰胺、无水乙醇和蒸馏水的体积比为16∶1∶1；
(2)将对苯二甲酸溶解于步骤(1)中获得的混合溶液中；N，N-二甲基甲酰胺的体积与对苯二甲酸的摩尔量mL/mmol的比为64∶1.125；
(3)将钴盐和镍盐溶解于步骤(2)中获得的溶液中；其中，对苯二甲酸、钴盐和镍盐的摩尔比为2∶1∶1；
(4)步骤(3)中的固体完全溶解之后快速加入三乙胺，并继续搅拌以获得均匀的悬浮液；加入的三乙胺与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为1∶40；
(5)将步骤(4)中获得的悬浮液在密闭条件下超声处理；
(6)通过对步骤(5)中获得的混合物进行离心，用无水乙醇洗涤获得的固体3～5次，并在室温下干燥，从而获得所述阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的阻燃改性环氧树脂，其特征在于，钴盐为CoCl2·6H2O；镍盐为NiCl2·6H2O。
3.根据权利要求1所述的阻燃改性环氧树脂，其特征在于，步骤(5)中超声处理12小时；步骤(4)中，继续搅拌7min。
4.根据权利要求1-3任一所述的阻燃改性环氧树脂，其特征在于，所述阻燃改性环氧树脂是通过如下步骤制备而成：将环氧树脂加热搅拌后，加入所述阻燃剂；搅拌均匀后再加入间苯二胺，间苯二胺与环氧树脂的质量比为10～14∶100，搅拌均匀后，加热固化，冷却后即得到所述阻燃改性环氧树脂。
5.根据权利要求1-3任一所述的阻燃改性环氧树脂，其特征在于，所述阻燃改性环氧树脂的具体制备方法为：将环氧树脂在60℃下，抽真空，保持温度搅拌20min；保持温度，随后加入所述阻燃剂，搅拌20min，搅拌均匀；再加入间苯二胺，搅拌10min；随后浇注到模具中，在真空度为0.05MPa的烘箱中60℃放置20min；随后再转移到80℃的烘箱中加热120min，再升高到150℃，加热固化220min；冷却至室温后，从模具中取出即获得所述阻燃改性环氧树脂。
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| CN116041719A (zh) | 2023-05-02 |
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