可膨胀氮化碳及其制备方法、膨化方法技术

可膨胀氮化碳及其制备方法、膨化方法，涉及环保、阻燃技术领域，通过液相插层的方法，制备了可膨胀氮化碳，本发明专利技术合成了一种经硫酸插层处理的可膨胀氮化碳，经过高温膨化处理后的体积变为原来的100倍；本发明专利技术合成的可膨胀氮化碳具有优异的膨胀性能，极大的比较面积，可以进一步制为高性能阻燃材料，光催化材料，吸波材料、相变储能材料和污染物吸附材料，大大拓展了g‑C3N4的应用范围。

Expandable carbon nitride and its preparing method and expanding method

The expansion of carbon nitride and its preparing method, extrusion method, and relates to the technical field of environmental protection, flame retardant, method by liquid phase intercalation, preparation of expandable carbon nitride, the invention synthesized an intercalation treatment with sulfuric expandable carbon nitride, after high temperature after extrusion of the volume is 100 times the original; the synthesis of carbon nitride with expandable expansion with excellent performance, compared the area greatly, can be further processed for high performance flame retardant materials, photocatalytic materials, absorbing materials, energy storage materials and adsorption of pollutants, greatly expand the application range of G C3N4.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及环保、阻燃
，具体涉及可膨胀氮化碳的制备方法及膨化方法。
技术介绍
可膨胀石墨（EG）是由天然鳞片石墨经化学氧化法或电化学氧化法处理后得到的一种石墨层间化合物，就结构而言，EG是一种纳米级复合材料。普通H2SO4氧化制得的EG在受到200℃以上高温时，硫酸与石墨碳原子之间发生氧化还原反应，产生大量的SO2、CO2和水蒸气，使EG开始膨胀，并在1100℃时达到最大体积，其最终体积可以达到初始时的280倍。经高温反应后制得的超大体积化合物称为膨胀石墨或者石墨蠕虫。可膨胀石墨和膨胀后的石墨均有着非常广泛的用途。可膨胀石墨可作为一种无卤环保阻燃剂，其优点有：1、受热时不生成有毒和腐蚀性气体，产生的烟气很少。2、所需添加量小。3、无熔滴滴落现象。4、环境适应性强，无迁移现象。5、紫外线稳定性和光稳定性好。因此，EG已广泛应用于各种阻燃防火材料中，如防火密封条、防火板、防火防静电涂料、防火包、可塑性防火堵料、阻火圈以及阻燃塑料等。EG的阻燃机理属于凝固相阻燃机理，是通过延缓或中断由固态物质产生可燃性物质而阻燃的。EG受热到一定程度会开始膨胀，膨胀后的石墨由原来的鳞片状变成密度很低的蠕虫状，从而形成良好的绝热层。膨胀后的石墨薄片既是膨胀体系中的炭源，又是绝热层，能有效隔热，延缓和终止聚合物的分解；同时，膨胀过程中大量吸热，降低了体系温度；而且膨胀过程中，释放夹层中的酸根离子，促进脱水炭化。膨胀石墨可以用作高效密封材料制备、水环境污染物的吸附、高效医用绷带的制备、高能电池材料的合成、相变储热材料的制备以及军用吸波材料的制备。然而，由于石墨层间的大π键的作用，是一种优良的导体，其不具有禁带的特性从理论上限制了它在光化学催化和吸波材料方面的应用。再者，可膨胀石墨主要靠自身体积膨胀形成的膨胀绝热层来延缓或抑制聚合物的燃烧，与被阻燃聚合物之间不发生或很少发生化学作用，导致；而且EG膨胀后形成的膨胀石墨彼此间的黏附力较弱，在聚合物基体燃烧之后，膨胀石墨无法形成坚固的膨胀炭层，在火焰压力或热量对流的作用下，表面的膨胀石墨层可能遭到破坏，形成“飞灰”，导致绝热膨胀层的丧失，进而引发未燃烧的聚合物被点燃，火焰继续传播，阻燃效率有限。近年来，人们使用了许多与可膨胀石墨混合的阻燃剂材料，制成复配阻燃剂，令阻燃机理成为气象和凝聚相阻燃同时进行，大大地提高了基体材料的阻燃性能。然而，复配阻燃复合材料虽然阻燃性能得到了提升，但阻燃剂添加量依然很大，且阻燃剂与基材的相容性仍有待提高，导致聚合物基复合材料的力学性能受到严重的影响，寻找一种低添加量的、高效且同时具备气相阻燃和凝聚相阻燃优点的阻燃剂的研究仍需深入进行。近年来，由于类石墨相氮化碳（g-C3N4）具有合适的光催化带隙，优异的半导体性能，在高温下优异的稳定性，令其受到了广泛的关注。在室温下，g-C3N4是由以3-s-三嗪环（-C6N7）组成的长链分子蜜伯胺之间以氢键相连的平面片层结构，每个环间通过末端的N原子相连，形成无线拓展的π共轭平面。由于蜜伯胺之间的氢键存在，令大量的蜜伯胺形成了有序的片层，这些π共轭平面通过类石墨的方式堆积，形成了具有一定缺陷的片层结构。这种结构赋予了g-C3N4优良的耐磨性、化学热稳定性和热稳定性等，在催化剂载体、储能材料和阻燃材料具有很高的应用前景。然而，虽然g-C3N4具有稳定、耐高温，具有合适的能带结构等优点，但是由于其多层堆叠的块状结构，因而g-C3N4的表面积很小，严重制约了其光催化方面的应用。若能够将具有层状结构的C3N4制备成g-C3N4间层化合物，经过高温膨化处理后，其比表面积将会大大改善。类比可膨胀石墨的膨胀机理，由于3-s-三嗪环（-C6N7）上的氮原子上具有一对孤对电子，还原性较石墨单片层中的碳原子C稍大，且每3个3-s-三嗪环（-C6N7）之间存在一个较大的原子间纳米孔洞，该孔洞可为氧化剂的进攻提供了有效的进攻位点，因而g-C3N4间层化合物与氧化剂反应的膨化过程中能够产生较多的难燃气体；同时，g-C3N4受热膨胀之后形成可以有效隔绝氧气与基质的燃烧的致密碳层，因此从理论上说，g-C3N4间层化合物作为阻燃剂将同时具备气相阻燃和凝聚相的优点。然而，虽然g-C3N4具有类石墨的层状结构，但是其每一层均是由蜜伯胺的长链大分子以氢键结合而成，g-C3N4的每一片层中均有不同程度的缺陷，导致使用硫酸、高锰酸钾和硝酸钠氧化的插层方法会破坏其层状结构。因此，寻找制备一种可膨胀g-C3N4的方法将有效地拓展g-C3N4应用范围，为制备新一代的高性能阻燃材料、光催化剂、吸波材料、相变储能材料提供新的视角和设计思路。
技术实现思路
基于以上现有技术存在的缺陷，本专利技术目的在于提出一种可膨胀氮化碳。本专利技术可膨胀氮化碳的结构式为：其中，n为1、2或3。本专利技术合成的可膨胀氮化碳，经过高温膨化处理后的体积变为原来的100倍；本专利技术合成的可膨胀氮化碳具有优异的膨胀性能，极大的比较面积，可以进一步制为高性能阻燃材料，光催化材料，吸波材料、相变储能材料和污染物吸附材料，大大拓展了g-C3N4的应用范围。本专利技术第二目的是提出以上可膨胀氮化碳的制备方法。本专利技术方法包括以下步骤：1）在磁力搅拌条件下，将石墨结构的氮化碳（g-C3N4）溶解于浓硫酸中，制得氮化碳-浓硫酸溶液；2）将氮化碳-浓硫酸溶液冷却至8～10℃，取得析出的可膨胀氮化碳晶体；3）将可膨胀氮化碳晶体进行减压抽滤，采用无水乙醇洗涤沉淀后再真空干燥，得到可膨胀氮化碳。本专利技术首次通过液相插层的方法，制备了可膨胀氮化碳。步骤3）中，采用无水乙醇洗涤去除残留在可膨胀氮化碳晶体表面的多余硫酸溶液。进一步地，本专利技术所述步骤1）中浓硫酸与石墨相氮化碳的混合比为10mL∶3g。该用量比可确保石墨相氮化碳能完全溶解于浓硫酸中，使浓硫酸充分与石墨相氮化碳进行充分混合，形成饱和溶液，当温度降低的时候，会有白色晶体析出。若氮化碳的含量很多的话，可能会导致部分石墨相氮化碳不能溶于浓硫酸中，若石墨相氮化碳含量很少的话，则石墨相氮化碳溶解于浓硫酸后不能形成饱和溶液，降低温度的时候不会有白色晶体析出。所述步骤1）中所述溶解是在石墨结构的氮化碳（g-C3N4）和浓硫酸的混合温度为60～80℃的条件下进行。在这个温度下，石墨相氮化碳逐渐溶解于浓硫酸中，直至全部溶解，溶液成澄清淡黄色。所述步骤2）中冷却速率为2～4℃/h。随着温度的缓慢降低，溶液开始析出白色可膨胀氮化碳晶体。设置此冷却速度的目的是使石墨相氮化碳晶体能够稳定均匀地生长出来，若冷却速度大于该值，无法析出白色晶体。若冷却速度太慢，会产生较小颗粒很大的晶体。所述步骤3）中所述真空干燥的温度条件为40～60℃、真空度为66.6～68.6kPa、时间为2～4h。设置该温度和真空度条件的目的是除去晶体表面的无水乙醇及少量水分，让晶体保持干燥。若温度太低，晶体不易烘干，若温度太高会使氮化谈的晶体结构发生变化。真空干燥2-4小时，在这个时间段里可以将样品完全干燥，取出待用。本专利技术的第三个目的是提出以上可膨胀氮化碳的膨化方法。将可膨胀氮化碳置于石英容器中，置于550～600℃的马弗炉中加热20～40s，取出后，经冷却，得膨胀氮化碳。本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术制备的可膨本文档来自技高网...

【技术保护点】
可膨胀氮化碳，其结构式为：其中，n为1、2或3。

【技术特征摘要】
1.可膨胀氮化碳，其结构式为：其中，n为1、2或3。2.如权利要求1所述可膨胀氮化碳的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）在磁力搅拌条件下，将石墨结构的氮化碳（g-C3N4）溶解于浓硫酸中，制得氮化碳-浓硫酸溶液；2）将氮化碳-浓硫酸溶液冷却至8～10℃，取得析出的可膨胀氮化碳晶体；3）将可膨胀氮化碳晶体进行减压抽滤，采用无水乙醇洗涤沉淀后再真空干燥，得到可膨胀氮化碳。3.根据权利要求2所述可膨胀氮化碳的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中浓硫酸与石墨相氮化碳的混合比为10mL∶3g。4.根据权利要求2所述可膨胀氮化碳的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赪胤，滕镇远，吕红映，王罗娜，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32