CN1837329A - 一种复合型无机阻燃剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型无机阻燃剂及其制备方法。它是一种磷酸根插层的水滑石。它的基本结构层像水滑石一样,由Mg-Al-OH组成,结构层之间充填了结晶水和磷酸根,受热时通过两次热分解反应释放出大量水蒸气和P2O5。两次热分解反应分别覆盖了低温段和高温段,拓宽了阻燃温度范围。尤其是在高温段释放出的P2O5因比重大而覆盖在物体表面,起到隔绝氧气的作用。磷酸根插层水滑石兼有水滑石和磷酸盐的双重阻燃效果。本发明提出的制备这种复合型无机阻燃剂的工艺流程简单,设备投资少,原料来源广泛,价格低廉,而且原料、产品及其热分解产物均无毒,是一种绿色环保型阻燃剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合型无机阻燃剂及其制备方法。
背景技术
阻燃剂是钢铁构建的防火涂料、塑胶材料的防火填料以及电缆绝缘层防火填料的主成分之一,其消费量随着国家工业化程度和人民生活水平的提高而迅速增加。近年来,由于室内装饰材料的广泛应用,合成材料本身的防火阻燃性能对建筑物安全的重要性日益增强。在各类阻燃剂中,有机阻燃剂具有发烟量大、毒性较大、热稳定性较差等缺点,随着环保意识的增强将逐步被取代。无机阻燃剂具有热稳定性好,对人体和设备无毒、无腐蚀性作用,成本低等优点,但存在填充量大,与聚合物相容性差,对聚合物加工以及机械性能影响大等缺点。为克服无机阻燃剂的不足,在实际应用中常倾向于将两种获两种以上阻燃剂搭配使用,使它们相互增效,取长补短。
在制备过程中将不同类型阻燃功能团复合在一起,使得同一种化合物中兼有两种以上阻燃剂的功效,是当今无机阻燃剂的发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合型无机阻燃剂及其制备方法。
复合型无机阻燃剂是是一种磷酸根插层的水滑石,其化学结构通式为:[(Mg,Zn)1-xAlx(OH)2]x+·Ry- x/y·nH2O,其中x=0.5~0.17;R为PO4 3-、HPO4 2-、H2PO4 -、P3O16 5-,P2O7 4-,y是它的价态;n=2~8,(Mg,Zn)/Al=2~5。
复合型无机阻燃剂制备方法的步骤如下:
1)将铝盐溶于水中配制成浓度为0.1~0.3M的溶液,向溶液中加入克分子数2~4倍于铝盐的锌盐,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将克分子数为铝盐1/Y的磷酸盐溶于水中,Y为磷酸根的价态,配成浓度为0.1~0.3M的溶液,向溶液中加入克分子数2~4倍于铝盐的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化10~48小时;
4)选用压滤、离心或过滤方法,使悬浮浆液脱水,并用清水洗2~3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥即可。
所说的磷酸盐为磷酸三钠,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵,磷酸二氢钾,三聚磷酸钠,焦磷酸钾中的一种。
所说的铝盐为氯化铝或硝酸铝,所说的锌盐为氯化锌或硝酸锌。
复合型无机阻燃剂的另一种制备方法的步骤如下:
1)将A摩尔商品水滑石在450~550℃温度下煅烧2~4小时,制得双金属氧化物;
2)取A/B摩尔磷酸盐,A为水滑石摩尔数,B为磷酸根的价态,将磷酸盐溶解于重量5~8倍于水滑石的水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化10~48小时;
3)选用压滤、离心或过滤方法,使悬浮浆液脱水,并用清水洗2~3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥即可。
所说的磷酸盐为磷酸三钠,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵,磷酸二氢钾,三聚磷酸钠,焦磷酸钾中的一种。
本发明提出的复合型无机阻燃剂兼有水滑石和磷酸盐的优点,它的基本结构层像水滑石一样,由Mg-Al-OH组成,结构层之间充填了结晶水和磷酸根,受热时通过两次热分解反应释放出大量水蒸气和P2O5,一方面带走了热量,此外释放出的P2O5因比重大而覆盖在物体表面,起到隔绝氧气的作用。两次热分解反应分别覆盖了低温段和高温段,拓宽了阻燃温度范围,这种阻燃剂兼有水滑石和磷酸盐的双重阻燃效果。和普通水滑石相比,它不仅具有更好的阻燃效果,而且它在有机聚合物中的相容性和分散性得到明显改善,从而提高了聚合物的加工性和机械性能。这种复合型阻燃剂兼有阻燃、填充、增塑、增强、消烟等多种功效。
本发明提出的复合型无机阻燃剂主要原料来源广泛,价格低廉,工艺流程简单,设备投资少。采用磷酸根插层水滑石作为阻燃剂,在性价比上将明显优于目前市场上的水滑石和其它无机阻燃剂。此外,本发明提出的复合型无机阻燃剂从原料、产品到它的热分解产物对人体均无毒,受热分解时发烟量低,是一种绿色环保型阻燃剂。
具体实施方式
水滑石又名层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,LDH),具有层状结构,其基本结构层是由M2+-OH、M3+-OH八面体组成,形成带正电荷的层板,在结构层之间充填了阴离子层和水分子,因此又被称为阴离子粘土,其层片状结晶结构对塑胶材料有良好的填充增强作用。最常见的水滑石为镁铝复合氢氧化物,其代表性化学结构式为:[Mg3Al(OH)8]2CO3·nH2O。水滑石加热到190~250℃时,发生第一次热分解,结晶水以水蒸气形式释放并带走大量热量,该反应的峰值温度一般在210℃左右,失重率在12~15%,吸热值最高可达410J/g以上;加热到380~450℃时,发生第二次热分解,氢氧根和碳酸根以二氧化碳和水蒸气形式释放,失重率在29~30%,吸热值在550J/g以上。水滑石在受热分解时释放出的大量CO2和水蒸气具有良好的发泡阻燃作用。分解后的水滑石称为双金属氧化物,它保留了水滑石的层状结构,在燃烧时具有消烟作用。
本发明提出的新型复合型无机阻燃剂是一种磷酸根插层水滑石,即水滑石层间位置充填的阴离子是磷酸根和水分子。磷酸根与水滑石的复合一方面增强了阻燃效率,同时也改善了阻燃剂与在聚合物中的相容性和分散性得到明显改善,因此它兼有阻燃、填充、增塑、增强、消烟等多种功效。
在燃烧时,赋存在复合型阻燃剂层间的结晶水在200℃左右释放,带走大量热量,并使材料发泡降低其导热率;温度上升到350℃以上时,复合型阻燃剂发生二次分解,再次释放大量阻燃气体并吸收热量;该阶段释放出的P2O5因比重大而覆盖在物体表面,起到隔绝氧气的作用。分别覆盖了低温段和高温段,拓宽了阻燃温度范围。两次热分解反应综合反应式可以表示为:
这种阻燃剂兼有水滑石和磷酸盐的双重阻燃效果。与此同时,磷酸根插层使得它在有机聚合物中的相容性和分散性得到明显改善,从而提高了聚合物的加工性和机械性能。这种复合型阻燃剂兼有阻燃、填充、增塑、增强、消烟等多种功效。
复合型无机阻燃剂第一种制备方法为共沉淀法,主要原料是锌盐、铝盐、烧碱和磷酸盐。其中,锌盐和铝盐可采用硝酸盐、盐酸盐及其水合物,推荐使用盐酸盐。锌盐与铝盐的克分子比例,对产品的吸附性能有较大影响,一般锌盐∶铝盐摩尔比控制在2∶1至4∶1范围,推荐值为3∶1。在配制盐溶液A时,锌盐与铝盐的溶解顺序并不重要。碱溶液B由磷酸盐与烧碱配制而成,其中磷酸盐的摩尔数为铝盐的摩尔数除以磷酸根的电荷数,烧碱的克分子数是铝盐的2~4倍,二者的溶解顺序并不重要。溶液A和溶液B混和后,若将体系加热到60~100℃,对提高产物的结晶度有利,但会增加能耗,使成本提高。结晶后脱水与清洗是为了除去可溶性杂质。对产品进行喷雾干燥可以有效防止产物在干燥过程中的结块与团聚,得到分散良好,粒度均匀的粉体。喷雾干燥使用的设备是常规性的,技术是众所周知的。
复合型无机阻燃剂的另一种制备方法为煅烧复原法。所用原料为商品水滑石,代表性化学结构式为[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O。水滑石煅烧后得到双金属氧化物:
(2)式是可逆的,即煅烧产物Mg6Al2O9能从水溶液中获取水分子和阴离子,恢复水滑石的成分与结构。如果溶液中的阴离子是磷酸根,则形成磷酸根型水滑石,如:
磷酸盐的类型对(3)式代表的反应影响不大。与共沉淀法一样,若将体系加热到60~100℃,对提高产物的结晶度有利,但会增加能耗,使成本提高。结晶后脱水与清洗是为了除去可溶性杂质。对产品进行喷雾干燥可以有效防止产物在干燥过程中的结块与团聚,得到分散良好,粒度均匀的粉体。喷雾干燥使用的设备是常规性的,技术是众所周知的。
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.3M的AlCl3·6H2O溶液,向溶液中加入0.6摩尔的ZnCl2·6H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的磷酸三钠溶于一升水中,向溶液中加入0.6摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化10小时;
4)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品为即复合型无机阻燃剂。
实施例2:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.1M的Al(NO3)·9H2O溶液,向溶液中加入0.4摩尔的Zn(NO3)2·6H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的磷酸二氢钠溶于一升水中,向溶液中加入0.4摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化48小时;
4)将悬浮浆液离心脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例3:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.2M的AlCl3·6H2O溶液,向溶液中加入0.6摩尔的ZnCl2·6H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的磷酸氢二钠溶于一升水中,向溶液中加入0.6摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化24小时;
4)将悬浮浆液过滤脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例4:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.2M的Al(NO3)3·6H2O溶液,向溶液中加入0.6摩尔的Zn(NO3)2·4H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.2摩尔的磷酸二氢铵溶于一升水中,向溶液中加入0.4摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化20小时;
4)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例5:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.2M的Al(NO3)3·6H2O溶液,向溶液中加入0.6摩尔的Zn(NO3)2·4H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的磷酸氢二铵溶于一升水中,向溶液中加入0.5摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化30小时;
4)将悬浮浆液离心脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例6:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.2M的AlCl3·4H2O溶液,向溶液中加入0.6摩尔的ZnCl2·4H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的磷酸二氢钾溶于一升水中,向溶液中加入0.5摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化12小时;
4)将悬浮浆液过滤脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例7:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.5M的AlCl3·6H2O溶液,向溶液中加入1.0摩尔的ZnCl2·2H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的三聚磷酸钠溶于一升水中,向溶液中加入1.0摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化40小时;
4)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例8:共沉淀法制备复合型无机阻燃剂。
1)取一升0.4M的Al(NO3)3·9H2O溶液,向溶液中加入0.8摩尔的Zn(NO3)2·6H2O,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将0.1摩尔的焦磷酸钾溶于一升水中,向溶液中加入0.8摩尔的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化45小时;
4)将悬浮浆液离心脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例9:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在450℃温度下煅烧4小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取0.33摩尔磷酸三钠溶解于重量3.2公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化10小时;
3)将悬浮浆液离心脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例10:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在550℃温度下煅烧4小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取1摩尔磷酸二氢钠溶解于重量4.83公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化48小时;
3)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例11:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取0.5摩尔磷酸氢二钠溶解于重量3.6公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化24小时;
3)将悬浮浆液过滤脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例12:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取1摩尔磷酸二氢铵溶解于重量4公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化30小时;
3)将悬浮浆液过滤脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例13:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取0.5摩尔磷酸氢二铵溶解于重量3.5公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化40小时;
3)将悬浮浆液离心脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例14:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取1摩尔磷酸二氢钾溶解于重量4公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化12小时;
3)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例15:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取0.2摩尔三聚磷酸钠溶解于重量4.5公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化40小时;
3)将悬浮浆液过滤脱水,并用清水洗3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
实施例16:煅烧复原法制备复合型无机阻燃剂。
1)将603.8克商品水滑石[Mg3Al(OH)8]2(CO3)·4H2O在500℃温度下煅烧3小时,制得双金属氧化物Mg6Al2O9;
2)取0.25摩尔焦磷酸钾溶解于重量3.8公斤水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化30小时;
3)将悬浮浆液压滤脱水,并用清水洗2遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥,所得产品即为复合型无机阻燃剂。
Claims (6)
1.一种复合型无机阻燃剂,其特征在于,它是一种磷酸根插层的水滑石,其化学结构通式为:[(Mg,Zn)1-xAlx(OH)2]x+·Ry- x/y·nH2O,其中x=0.5~0.17;R为PO4 3-、H2PO4 2-、H2PO4 -、P3O16 5-,P2O7 4-,y是它的价态;n=2~8,(Mg,Zn)/Al=2~5。
2.一种复合型无机阻燃剂的制备方法,其特征在于它的步骤如下:
1)将铝盐溶于水中配制成浓度为0.1~0.3M的溶液,向溶液中加入克分子数2~4倍于铝盐的锌盐,搅拌直至全溶,制得盐溶液A;
2)将克分子数为铝盐1/Y的磷酸盐溶于水中,Y为磷酸根的价态,配成浓度为0.1~0.3M的溶液,向溶液中加入克分子数2~4倍于铝盐的NaOH,搅拌直至全溶,制得碱溶液B;
3)将上述A、B两种溶液在搅拌的同时快速混合,得到白色悬浮液,晶化10~48小时;
4)选用压滤、离心或过滤方法,使悬浮浆液脱水,并用清水洗2~3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥即可。
3.根据权利要求2所述的一种复合型无机阻燃剂的制备方法,其特征在于所说的磷酸盐为磷酸三钠,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵,磷酸二氢钾,三聚磷酸钠,焦磷酸钾中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种复合型无机阻燃剂的制备方法,其特征在于所说的铝盐为氯化铝或硝酸铝,所说的锌盐为氯化锌或硝酸锌。
5.一种复合型无机阻燃剂的制备方法,其特征在于它的步骤如下:
1)将A摩尔商品水滑石在450~550℃温度下煅烧2~4小时,制得双金属氧化物;
2)取A/B摩尔磷酸盐,A为水滑石摩尔数,B为磷酸根的价态,将磷酸盐溶解于重量5~8倍于水滑石的水中,将双金属氧化物加入其中,搅拌均匀,晶化10~48小时;
3)选用压滤、离心或过滤方法,使悬浮浆液脱水,并用清水洗2~3遍,重新加水制成悬浮液,喷雾干燥即可。
6.根据权利要求2所述的一种复合型无机阻燃剂的制备方法,其特征在于所说的磷酸盐为磷酸三钠,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,磷酸二氢铵,磷酸氢二铵,磷酸二氢钾,三聚磷酸钠,焦磷酸钾中的一种。
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