[发明专利]一种基于碳微球的复合阻燃剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合阻燃剂及其制备方法，属于无机阻燃剂制备技术领域。

背景技术

聚合物基复合材料具有许多优异的性能，例如强度高、耐磨性好、不易发生形变等；且聚合物基复合材料价格优廉，因此被广泛应用于建筑材料、交通运输、航空航天、生物医药等领域。然而，由于聚合物引起的火灾频频发生，因此对其阻燃性的研究成为了当下的研究热点。

聚合物常用阻燃剂的种类很多，主要分为有机阻燃剂和无机阻燃剂。有机阻燃剂燃烧分解产物毒性大、对环境污染严重；无机阻燃剂包括卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、氮系阻燃剂等，这些阻燃剂燃烧时会产生具有腐蚀性和毒性的气体，其使用同样受到了限制。随着环保和卫生法规的完善，一些发达国家已经开始禁止使用卤磷及重金属阻燃剂。

现在阻燃剂正向着无卤化、阻燃超细化、抑烟化等趋势发展。纳米阻燃剂越来越受到人们的关注。研究者已经将碳系材料中的碳纳米管、石墨作为添加物，与聚酯高分子材料共同作用，以提高其阻燃性、电学、热学及力学性能。

碳微球作为碳纳米材料的一个分支，由于其良好的化学稳定性、热稳定性、吸附性能，优良的导电和导热性，以及较强的抗腐蚀氧化能力等，被广泛用于锂离子电极负极材料、高强度碳材料、催化剂载体、气体吸附剂、纳米器件及功能纤维制备的添加剂等诸多领域。但目前主要是针对其电学性能应用研究较多，而对其阻燃性的研究还处于空白状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳微球的复合阻燃剂，通过在碳微球表面接枝苯胺制成无机复合阻燃剂，以提高碳微球在聚合物中的阻燃性，及碳微球与聚合物材料的相容性。

本发明的另一目的是提供一种用于制备该复合阻燃剂的方法。

申请人研究发现，将碳微球经酸化处理后得到酸化碳微球，并在酸化碳微球表面接枝苯胺基有机层后，可以得到一种性能优异的无机复合阻燃剂，由此导致了本发明目的的实现。

进而，本发明提供了上述复合阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

a)．将碳微球均匀分散于过量的硝酸溶液中，于40～80℃搅拌反应20～60min，分离固形物，洗涤、干燥得到酸化碳微球；

b)．将酸化碳微球均匀分散于N,N-二甲基甲酰胺中，在催化剂N,N-二环己基碳二亚胺存在下，加热至15～55℃滴加苯胺溶液，搅拌反应8～24h，得到基于碳微球的复合阻燃剂。

可以采用任何一种常规的化学或物理分散手段，如添加分散剂、机械搅拌、超声波分散等，将所述碳微球或酸化碳微球均匀地分散在所述的分散介质中。优选地，本发明是采用超声波分散的手段，以频率40～60kHz、功率30～100W的超声波，分别将碳微球和酸化碳微球分散在各自的分散介质中。

上述制备方法中，所使用的硝酸溶液的浓度对于获得酸化碳微球并无直接的影响。但一般地，优选使用浓度为3～15.5mol/L的硝酸溶液。

苯胺溶液的浓度对于能否制备出阻燃剂同样也并无直接的影响。根据反应原料的化学计量比，只要满足酸化碳微球与苯胺的物质的量比为1:1～5即可。但一般地，优选使用的苯胺溶液浓度为0.2～1mol/L，优选的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

上述制备方法中，催化剂N,N-二环己基碳二亚胺的使用量为酸化碳微球质量的20～40%。

本发明将上述制备得到的产物先以N,N-二甲基甲酰胺进行洗涤，再以去离子水洗涤干净，干燥后得到本发明复合阻燃剂。

本发明得到的复合阻燃剂为黑色粉末状物质，粒径400～700nm，具有良好的热稳定性和力学性能，作为阻燃剂添加到聚合物中使用，可以有效提高聚合物基体材料的阻燃性能。将其加入到聚对苯二甲酸乙二醇酯基体材料中制成阻燃聚合物，极限氧指数可以达到35%，达到了阻燃标准对阻燃材料的要求。

本发明的复合阻燃剂还可以对聚合物基体材料起到增强增韧的作用，提高阻燃聚合物的抗拉强度和冲击强度。

本发明的复合阻燃剂制备工艺简单，产物纯度高。

本发明制备得到的基于碳微球的复合阻燃剂可以应用于工业建筑材料、交通工具制造材料、电子电器材料、纺织纤维等各个领域，应用范围广泛。

附图说明

图1为未改性原始碳微球的扫描电镜(SEM)形貌图。

图2为酸化碳微球的扫描电镜(SEM)形貌图。

图3为复合阻燃剂的扫描电镜(SEM)形貌图。

图4为复合阻燃剂的EDS能谱图。

图5为原始碳微球、酸化碳微球、复合阻燃剂的红外光谱谱图。