一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，在可膨胀石墨表面包覆一层或多层金属氢氧化物纳米颗粒。同时，本发明专利技术还公开了一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂的制备方法。本发明专利技术所得到的阻燃剂与传统可膨胀石墨相比，其膨胀倍率有了进一步的提高；金属氢氧化物纳米颗粒层作为壳，一方面可以阻止可膨胀石墨在膨胀过程中的气体释放，从而提高膨胀倍率，另一方面能够提高阻燃剂与聚氨酯材料的相容性，增加阻燃剂与基体之间的相互作用，解决可膨胀石墨阻燃剂与聚氨酯材料相容性差的难题。

【技术实现步骤摘要】
一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂及制备方法
本专利技术涉及可膨胀石墨无卤阻燃剂
，尤其涉及一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂及其制备方法。
技术介绍
聚氨酯机械性能优异，加工性能好，加工方式多样，且分子设计自由度大，广泛地应用于各个领域。随着现代科学技术的快速发展以及人类生活水平的不断进步，人类生产生活中对聚氨酯材料的需求也越来越大。由于聚氨酯材料含有可燃的碳氨链段、密度低、比表面积大，容易燃烧，对人身安全构成了很大威胁，限制了其进一步的发展。可膨胀石墨具有价格低廉、资源丰富、阻燃效率高等优点而广泛应用于聚合物的阻燃，特别是聚氨酯的阻燃。可膨胀石墨在较低的温度下能够迅速的膨胀形成炭层，在阻燃聚合物基体表面作为有效的隔离层阻碍热量的传递和燃烧物质与氧气的物质交换，起到良好的阻燃作用。可膨胀石墨的阻燃效率依赖于其可膨胀倍率：即可膨胀石墨的膨胀倍率越高，其阻燃效率越高。然而，由于插层在可膨胀石墨中间的氧化性酸量是有限的，其膨胀倍率也受到限制。为了获得高膨胀倍率的可膨胀石墨，采用有机物包覆可膨胀石墨的方法引起了广泛研究。韩金鹏(JMaterChemA.2013；1:2169-82)将一种含有磷和氮元素的阻燃剂通过化学键合到可膨胀石墨表面，制备了一种复合膨胀型阻燃剂。将这种阻燃剂应用于氰酸树脂，阻燃剂的添加量仅为5wt％，与纯基体相比，复合材料的总热释放峰值和总热释放量分别为纯基体的32.3％和23.1％，火安全指数和极限氧指数也分别提高了2倍和1.4倍，虽然将有机无机阻燃剂成功结合在一起，但其制备较为复杂且缺乏可膨胀石墨膨胀性能的研究。叶玲(PolymDegraStab.2009；94:971-9)等通过乳液聚合制备了聚甲基丙烯酸甲酯包覆可膨胀石墨，然后水解出羧酸基团，其膨胀倍率由40mlg-1提高到70mlg-1，添加10wt％的这种阻燃剂到硬质聚氨酯泡沫塑料中，与同样添加量的未包覆可膨胀石墨聚氨酯泡沫的氧指数相比，氧指数由23.5％提高到26.5％，且提高了阻燃剂有聚氨酯基体的相容性，然而其制备较为繁琐且只研究了小粒径的可膨胀石墨，虽然包覆后其膨胀倍率有了很大的提高，但其膨胀倍率仍较低。阳明书(JApplPolymSci.2014；131,DOI:10.1002/app.39936)等发现当可膨胀石墨添加24wt％，氢氧化铝添加量为60wt％时，聚异氰脲酸酯-聚氨酯泡沫的氧指数达到了92.8％，具有较好的协同阻燃效果。然而，可膨胀石墨与金属氢氧化物虽然具有协同阻燃效果，但是可膨胀石墨自身的膨胀倍率并没有提高，而且可膨胀石墨与聚氨酯基体相容性较差的问题没有得到解决。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂及其制备方法，开发简单易制备、生产无污染、膨胀倍率高、与聚氨酯材料相容性好的可膨胀石墨。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，在可膨胀石墨表面包覆一层或多层金属氢氧化物纳米颗粒。本专利技术在可膨胀石墨表面包覆一层或多层金属氢氧化物纳米颗粒，其所包覆的可膨胀石墨的可膨胀倍率显著提高，同时氢氧化物与可膨胀石墨具有协同阻燃的效应，其阻燃效率大大提高；同时优化了可膨胀石墨与聚氨酯基体的相容性；本专利技术将纳米金属氢氧化物包覆在可膨胀石墨表面，一方面利用两者的协同作用，另一方面利用表面包覆来提高可膨胀石墨的膨胀倍率及其在基体中的阻燃效果，同时改善可膨胀石墨与聚氨酯基体的相容性。进一步的，所述金属氢氧化物纳米颗粒的重量为所述可膨胀石墨重量的0.1％～80％。本专利技术提高包覆层的密实度，包覆可膨胀石墨的可膨胀倍率得到进一步提高，提高其在基体中的阻燃效率。进一步的，所述金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨高效复合阻燃剂的膨胀倍率为150mlg-1～456mlg-1；所述可膨胀石墨的粒径为1μm～1000μm，膨胀倍率为20mlg-1～500mlg-1。进一步的，所述金属氢氧化物为氢氧化铝，氢氧化镁，氢氧化锌，氢氧化铁，氢氧化亚铁，氢氧化铜，氢氧化钴，氢氧化铍中的一种或多种。一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：步骤1.将金属盐与可膨胀石墨同时加入到三口瓶中，加水溶解金属盐，并搅拌金属盐至完全溶解，得到第一溶液；步骤2.加入碱溶液调节第一溶液的pH值，升温，熟化，冷却至室温，得到第一冷却后物质；步骤3.对所述第一冷却后物质进行洗涤、过滤、干燥，即得一次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨阻燃剂。进一步的，当需要多次金属氢氧化物纳米颗粒包覆的可膨胀石墨阻燃剂时，还包括以下步骤：步骤4.将金属盐加入到三口瓶中，加入水将金属盐完全溶解，得到第二溶液；步骤5.加入碱溶液调节所述第二溶液的pH值，升温，加入一次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨阻燃剂，熟化，冷却至室温，得到第二冷却后物质；步骤6.对所述第二冷却后物质洗涤、过滤、干燥，得到二次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨；步骤7.重复步骤4到步骤6，得到多次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨。进一步的，当需要多次金属氢氧化物纳米颗粒包覆的可膨胀石墨阻燃剂时，还包括以下步骤：步骤4’.将金属盐加入到三口瓶中，加入水将金属盐完全溶解，得到第三溶液；步骤5’.加入碱溶液调节所述第三溶液的pH值，达到第一设定pH值时开始升温，加入一次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨阻燃剂，待溶液混合均匀后，再补加碱溶液到第二设定pH值，熟化，冷却至室温，得到第三冷却后物质；步骤6’.对所述第三冷却后物质洗涤、过滤、干燥，得到二次金属氢氧化物纳米粒子包覆的可膨胀石墨；步骤7’.重复步骤4’到步骤6’，得到多次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨。进一步的，所述步骤1中，在200rad/min～800rad/min条件下对金属盐进行搅拌；所述步骤2中，所述第一溶液的pH值为大于金属盐完全沉淀时的最低pH，升温至50℃～90℃，在40℃～95℃温度范围熟化1h～24h，熟化时的搅拌速率为100rad/min～500rad/min；所述碱溶液为为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钠，碳酸氢钾，氨水中的一种。进一步的，所述步骤5中，所述第二溶液的pH值为大于金属盐完全沉淀时的最低pH，升温到50℃～90℃，在40℃～95℃温度范围熟化1h～24h，熟化时的搅拌速率为100rad/min～500rad/min；所述碱溶液为为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钠，碳酸氢钾，氨水中的一种。进一步的，所述步骤5’中，所述第一设定pH值大于最低为金属盐刚沉淀时的pH，升温到50℃～90℃，所述第二pH值为大于最低为金属盐完全沉淀时的pH；在40℃～95℃温度范围熟化1h～24h，熟化时的搅拌速率为100rad/min～500rad/min；所述碱溶液为为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钠，碳酸氢钾，氨水中的一种。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提供了一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂及其制备方法，具有制备简单、阻燃效率高、与聚氨酯材料相容性好的优点；同时，本专利技术在制备过程中所用的溶剂为水，反应温度较低，制备较简单，且未涉及有机溶剂的使用，属环保、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，其特征在于，在可膨胀石墨表面包覆一层或多层金属氢氧化物纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，其特征在于，在可膨胀石墨表面包覆一层或多层金属氢氧化物纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，其特征在于，所述金属氢氧化物纳米颗粒的重量为所述可膨胀石墨重量的0.1％～80％。3.根据权利要求1所述的一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，其特征在于，所述金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨高效复合阻燃剂的膨胀倍率为150mlg-1～456mlg-1；所述可膨胀石墨的粒径为1μm～1000μm，膨胀倍率为20mlg-1～500mlg-1。4.根据权利要求1所述的一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂，其特征在于，所述金属氢氧化物为氢氧化铝，氢氧化镁，氢氧化锌，氢氧化铁，氢氧化亚铁，氢氧化铜，氢氧化钴，氢氧化铍中的一种或多种。5.一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.将金属盐与可膨胀石墨同时加入到三口瓶中，加水溶解金属盐，并搅拌金属盐至完全溶解，得到第一溶液；步骤2.加入碱溶液调节第一溶液的pH值，升温，熟化，冷却至室温，得到第一冷却后物质；步骤3.对所述第一冷却后物质进行洗涤、过滤、干燥，即得一次金属氢氧化物纳米颗粒层包覆的可膨胀石墨阻燃剂。6.根据权利要求5所述的一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，在200rad/min～800rad/min条件下对金属盐进行搅拌；所述步骤2中，所述第一溶液的pH值为大于金属盐完全沉淀时的最低pH，升温至50℃～90℃，在40℃～95℃温度范围熟化1h～24h，熟化时的搅拌速率为100rad/min～500rad/min；所述碱溶液为氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钠，碳酸氢钾，氨水中的一种。7.根据权利要求5所述的一种表面包覆纳米颗粒的可膨胀石墨阻燃剂的制备方法，其特征在于，当需要多次金属氢氧化物纳米颗粒包覆的可膨胀石墨阻燃剂时，还包括以下步骤：步骤4.将金属盐加入到三口瓶中，加入水将金属盐完...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳明书，王银涛，王峰，张世民，丁艳芬，高冲，刘鹏，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11