一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒及其制备方法与应用。该方法以尿素或三聚氰胺为原料通过高温热解法制备 g‑C3N4；然后选用金属氧化物前驱体，采用共沉淀、水热合成或高温烧结等方法将其负载于 g‑C3N4片层上，制备出一种负载金属氧化物纳米颗粒的功能化g‑C3N4。将该功能化g‑C3N4应用于聚合物基体中，从而形成具有抑烟减毒性质的阻燃聚合物材料。本发明专利技术选择了一类二维纳米粒子g‑C3N4作为支撑载体，将纳米金属氧化物沉积分散在g‑C3N4表面，制备出功能化g‑C3N4。本发明专利技术提供的制备工艺简单，原料来源广泛，在阻燃抑烟领域具有广阔的发展前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料制备及含能材料领域，具体涉及一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒及其制备方法与应用。
技术介绍
类石墨烯层状化合物g-C3N4作为一种性能优异的聚合物，具有密度低、化学稳定性高，热学、光学性能好、耐磨性强等优点，在反应前驱物、催化剂载体、有机反应催化剂和光催化剂等领域具有广阔的应用前景，因而长期以来受到人们的广泛关注。此外，作为氮化碳最稳定的同素异形体，g-C3N4具有层叠的二维结构，同时由于其巨大的比表面积，可在聚合物熔体中形成网络结构，在基体内部形成有效物理阻隔层，达到隔热、隔氧以及抑制热解气体的逃逸的作用，从而降低材料燃烧热释放速率达到阻燃效果。聚合物在燃烧时不仅会释放热量还会释放出有毒气体，而在火灾过程中，烟雾和毒性气体对人的危害最大，据统计，在建筑火灾中约75～85％的死亡人员是由于烟气致死的。这种浓烟中含有大量的CO、CO2、HCHO、HCN等有毒性气体，这对我们的人身安全构成了极大的威胁。而针对这些有毒烟气的催化减毒一直是催化领域的研究热点之一。研究发现，金属氧化物纳米颗粒包括过渡金属氧化物、稀土金属氧化物等具有优良的储氧能力，很容易在氧化态和还原态之间转化，在热力学上氧化脱氢是有利的，可以催化成碳，降低炭化反应所需的温度。此外，金属氧化物纳米颗粒对CO、甲醛等气体有着较强的催化活性和选择性，因此能有效催化CO、甲醛等气体的分解或降低有毒烟气的释放量。g-C3N4在聚合物材料燃烧时仅仅起到物理阻隔作用，所以单一g-C3N4的阻燃效率非常有限，不能达到较为满意的阻燃效果，我们需要对它进行功能化修饰。。由于g-C3N4具有巨大的比表面积，能和金属氧化物纳米颗粒发生有效的相互作用，是金属氧化物纳米颗粒优良的载体。因此，引入负载金属氧化物纳米颗粒的功能化g-C3N4是降低聚合物燃烧有毒烟气释放量、提升阻燃性能的有效方法。目前已经有不少金属氧化物如Fe2O3，CuO，La2O3，TiO2等被成功负载于g-C3N4表面，不过它们大多数被应用于光催化等其它领域，而在聚合物阻燃、抑烟减毒方面的研究目前国内外报道较少。以上以类石墨烯层状化合物g-C3N4为例，对功能化g-C3N4纳米复合材料在聚合物中的阻燃应用现状进行了简单描述和剖析。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒及其制备方法与应用，即功能化g-C3N4，将该功能化g-C3N4应用于聚合物基体中，从而形成具有抑烟减毒性质的阻燃聚合物材料。本专利技术的另一个目的是提供一种上述具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒简易的制备方法。为解决以上技术问题，本专利技术采取以下技术方案。一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的制备方法，所述方法以尿素或三聚氰胺为原料通过高温热解法制备g-C3N4；然后选用适宜的金属氧化物前驱体，采用共沉淀、水热合成或高温烧结等方法将其负载于g-C3N4片层上，制备出一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒，具体制备步骤如下：(1)将三聚氰胺或尿素首先放在烘箱中烘干，然后加入坩埚中在马弗炉中煅烧，之后经过冷却、研磨制备出石墨相氮化碳g-C3N4。(2)将步骤(1)中制备的g-C3N4分散在蒸馏水中超声搅拌，使g-C3N4在水中分散均匀。(3)配置一定浓度的金属盐溶液，缓慢滴入到步骤(2)所得分散液中继续超声搅拌直到混合均匀，之后滴入少量氨水调节pH值为10～11。(4)将步骤(3)中所得混合溶液加入到三口烧瓶中在恒温油浴锅中搅拌回流一段时间，反应结束后进行多次离心洗涤直至所得滤液为中性。(5)将产物放入烘箱中烘干后，在马弗炉中煅烧即可得到一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒。进一步地，步骤(1)中，所述烘箱的温度为60～80℃，干燥时间为8～10h。进一步地，步骤(1)中，所述煅烧的温度为500～600℃，煅烧的时间为4～6h。进一步地，步骤(2)中，所述超声的时间为3～5h。进一步地，步骤(3)中，所述金属盐溶液中的金属盐为过渡金属盐和稀土金属盐中的一种或几种；所述金属盐溶液的浓度为0.05～0.15mol/L。更进一步地，所述过渡金属盐为钴盐、铁盐和铜盐中的一种或几种；所述稀土金属盐为铈盐。进一步地，步骤(3)中，所述超声的时间为1～2h。进一步地，步骤(4)中，所述反应的温度为90～100℃，反应的时间为6～10h。进一步地，步骤(4)中，所述离心的转速为6000～8000r/min，离心的时间为10～20min；所述洗涤是依次用水和乙醇进行多次洗涤。进一步地，步骤(5)中，所述烘箱的温度为70～90℃，干燥的时间为6～8h；所述煅烧的温度为250～350℃，煅烧的时间为2～4h。有以上所述制备方法制得的一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒，选择了一类新型的二维纳米粒子g-C3N4作为支撑载体，将纳米金属氧化物沉积分散在g-C3N4表面，制备出一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒，即功能化g-C3N4。以上所述的一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒在阻燃聚合物材料中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1.在前人的研究中，g-C3N4在防火领域的应用尚未开发。此外，虽然已经有不少金属氧化物如Fe2O3，CuO，La2O3，TiO2等被成功负载于g-C3N4表面，不过它们大多数被应用于光催化等其它领域，而在聚合物阻燃、抑烟减毒方面的研究目前国内外报道较少。2.本专利技术将纳米复合与协同阻燃相结合，将具有抑烟减毒作用的金属氧化物纳米颗粒与g-C3N4相结合形成功能化g-C3N4，应用于聚合物中制备阻燃材料。3.功能化g-C3N4纳米复合材料既能起到物理阻隔作用，又能降低聚合物燃烧速率和有毒烟气释放量，从两方面提高材料的阻燃性能。4.本专利技术提供的制备工艺简单，原料来源广泛，在阻燃抑烟领域具有广阔的发展前景。附图说明图1为本专利技术具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的结构示意图。图2为本专利技术具体的化学反应原理图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步详细的说明，但本专利技术不限于以下实施例。以下实施例中的份数，除特别说明外，是指重量份数和重量百分比。实施例1(1)称取尿素放置于80℃的烘箱中干燥8h，干燥完成后将尿素加入到坩埚中在马弗炉中550℃煅烧5h，之后经过冷却、研磨制备出石墨相氮化碳g-C3N4。(2)将0.2g g-C3N4分散在80mL蒸馏水中超声搅拌3h，使g-C3N4在水溶液中分散均匀。(3)将10mL 0.1mol/L的硝酸钴溶液滴入到g-C3N4分散液中继续超声搅拌2h直到混合均匀，之后滴入氨水调节pH值为10.5。(4)将步骤(3)所得混合溶液加入到三口烧瓶中在恒温油浴锅中升温到95℃搅拌回流8h，反应结束后分别用水和乙醇在进行多次离心洗涤，在8000r/min下离心10min，直至所得滤液为中性。(5)将步骤(4)所得产物放入80℃的烘箱中干燥8h后，在马弗炉中350℃煅烧2h即可得到Co3O4/g-C3N4纳米复合材料。本专利技术制得的具有阻燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法以尿素或三聚氰胺为原料通过高温热解法制备 g‑C3N4；然后选用金属氧化物前驱体，采用共沉淀、水热合成或高温烧结方法将金属氧化物负载于 g‑C3N4片层上，制备出一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒，具体制备步骤如下：(1) 将三聚氰胺或尿素首先放在烘箱中烘干，然后加入坩埚中在马弗炉中煅烧，之后经过冷却、研磨制备出石墨相氮化碳g‑C3N4；(2) 将步骤（1）中制备的g‑C3N4分散在蒸馏水中超声搅拌，使g‑C3N4在水中分散均匀；(3) 配置金属盐溶液，滴入到步骤（2）所得的分散液中继续超声搅拌直到混合均匀，之后滴入氨水调节pH为10~11；(4) 将步骤（3）所得混合溶液加入到三口烧瓶中在恒温油浴锅中搅拌回流，反应结束后进行多次离心洗涤直至所得滤液为中性；(5) 将步骤（4）所得产物放入烘箱中烘干后，在马弗炉中煅烧即可得到具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法以尿素或三聚氰胺为原料通过高温热解法制备 g-C3N4；然后选用金属氧化物前驱体，采用共沉淀、水热合成或高温烧结方法将金属氧化物负载于 g-C3N4片层上，制备出一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒，具体制备步骤如下：(1) 将三聚氰胺或尿素首先放在烘箱中烘干，然后加入坩埚中在马弗炉中煅烧，之后经过冷却、研磨制备出石墨相氮化碳g-C3N4；(2) 将步骤（1）中制备的g-C3N4分散在蒸馏水中超声搅拌，使g-C3N4在水中分散均匀；(3) 配置金属盐溶液，滴入到步骤（2）所得的分散液中继续超声搅拌直到混合均匀，之后滴入氨水调节pH为10~11；(4) 将步骤（3）所得混合溶液加入到三口烧瓶中在恒温油浴锅中搅拌回流，反应结束后进行多次离心洗涤直至所得滤液为中性；(5) 将步骤（4）所得产物放入烘箱中烘干后，在马弗炉中煅烧即可得到具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述烘箱的温度为60~80 °C，干燥时间为8~10 h；所述煅烧的温度为500~600 °C，煅烧的时间为4~6 h。3.根据权利要求1所述的一种具有阻燃抑烟功能的石墨相氮化碳负载金属氧化物纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述超声的时间为3~5 h；步骤（3）中，所述超声的时间为1~2 h。4.根据权利要求1所述的一种具有阻燃抑烟功能的石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：江赛华，师星星，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44