[发明专利]含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂的制备方法与应用

说明书

 

技术领域

本发明属于阻燃剂设计领域，具体涉及一种含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂的制备方法，以及该阻燃剂在环氧树脂、聚碳酸酯等聚合物基体中的应用。

背景技术

高分子材料由于其来源丰富、易于加工、品种多，性能优越、价格便宜，已广泛应用于航天航空、电子信息、家用电器、汽车工业等诸多领域。但是高分子材料大多是易燃材料，易酿成火灾，造成人类生命财产的严重损失。因此，高分子材料的阻燃是一个亟待解决的问题。9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）型阻燃剂是有机磷类杂环化合物。DOPO具有较高的热稳定性，抗氧化性和优良的耐水性，是良好的反应型和添加型阻燃剂，其主要用于聚酯纤维、聚氨酯泡沫塑料、热固型树酯及粘接剂的阻燃，由于其优异的阻燃性能，其衍生结构一直是阻燃剂研发的热点。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构,其中碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体，它的结构非常稳定，碳-碳键仅为1.42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外力于石墨烯表面时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持石墨烯结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。此外，石墨烯具有较高的杨氏模量(11000GPa)，断裂强度(125GPa)，理论比表面积(2630m2/g)，因此，石墨烯在航空、新能源、新材料、电力、电子领域具有较好的应用前景。在石墨烯的实际应用研究中，由于石墨烯较高的理论比表面积和层状结构，其作为阻燃材料应用于高分子材料中具有很好的应用前景。

聚合物纳米复合材料是通过将纳米级别的无机物质分散到聚合物基体中从而制得的。当无机物质在聚合物基体中达到纳米级别分散时，聚合物纳米复合材料的力学性能、热稳定性、阻燃性和气体阻隔性能都会得到明显的提高。大量研究发现，当石墨烯在较低添加量的情况下，聚合物/石墨烯纳米复合材料的性能得到较大的提高。但是由于石墨烯巨大的比表面积，且石墨烯片层之间存在氢键，使得石墨烯容易团聚。故在材料的制备过程中，石墨烯倾向于团聚，从而使得它很难达到在聚合物基体中纳米级别的分散。因此，将纳米尺寸的石墨烯均匀分散到聚合物基体中是制备石墨烯纳米复合材料的关键技术，也是制备具有优良性能纳米复合材料必须攻克的难题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂的制备方法，石墨烯能够在聚合物基体中得到很好的分散，并显著提高聚合物材料的阻燃性能。

本发明的另一目的是将通过上述方法制备得到的含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂应用到环氧树脂、聚碳酸酯等聚合物基体中。

为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：

（1）以石墨烯为反应基质，将其分散于有机溶剂中，在惰性气体保护下加入含异氰酸根的硅烷和催化剂Ⅰ，于30~100℃温度条件下搅拌反应1-24小时，对石墨烯进行改性；

其中，所述催化剂Ⅰ选自N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚、N,N,N’,N'-四甲基亚烷基二胺、三乙胺、N,N-二甲基苄胺、固胺、N-乙基吗啉、N-甲基吗啉、N,N’-二乙基哌嗪、三乙醇胺、DMEA、吡啶、N,N’-二甲基吡啶和二丁基锡二月桂酸酯中的一种；

（2）向经过步骤（1）改性的石墨烯溶液中加入含DOPO结构的硅烷，并滴加水和催化剂Ⅱ，室温条件下持续搅拌，进行溶胶凝胶反应，然后减压蒸馏除去有机溶剂，得到粉末状含DOPO和层离石墨烯的纳米复合阻燃剂；

其中，所述催化剂Ⅱ为氨水或盐酸或醋酸或硫酸或氢氟酸。

优选地，所述有机溶剂选自四氢呋喃或二氯甲烷或乙腈或氯仿或二氧六环。

优选地，所述惰性气体选自氮气、氦气和氩气中的一种能够或多种。

优选地，在步骤（1）中，加入的所述的石墨烯与加入的所述的含异氰酸根的硅烷的质量比为1:0.1~1:1。