[发明专利]一种核壳型碳微球及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于碳微球表面功能化修饰技术领域，涉及一种通过表面修饰得到的具有核壳结构的碳微球，以及该核壳型碳微球的制备方法和应用。

背景技术

近年来，世界各地火灾事件频频发生，造成了巨大的人身伤害和财产损失，引起了人们的广泛关注，阻燃技术因此成为了研究热点。现在阻燃剂有向着无卤化、阻燃超细化、抑烟化等发展的趋势，纳米阻燃剂越来越受到人们的关注。

采用物理或化学方法，将固体阻燃剂分散成为1～100nm大小微粒的方法，称为纳米阻燃技术。物理方法有蒸发冷凝法、机械破碎法；化学方法有气相反应法、液相法。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，因其独特的结构和优越的性能如化学稳定性、热稳定性、优良的导电和导热性等，近十年来受到广泛的关注。这种新型的球状碳材料在许多领域有着潜在的应用前景。例如，它们可以被用作润滑材料、催化剂的载体、二次锂离子电池的阳极材料、制备超高比表面活性碳、以及高效液相色谱柱填料等。但是，由于其比表面积较大，表面能较高，易发生团聚，且与聚合物基体界面结合力较弱，相容性较差，限制了碳微球在聚合物基复合材料中的应用。因此，很有必要在保持碳微球内部结构变化不大的前提下，通过物理化学方法对其表面进行功能化修饰。

为了克服碳微球的应用缺陷，现在多对碳微球的表面进行修饰，以改善碳微球的表面性能，解决分散性和相容性问题。常用的修饰方法包括通过物理、化学或电化学法对其表面进行氧化或接枝偶联剂，例如，杨永珍等人在碳微球表面包覆MnO₂层得到MnO₂/CMSs复合材料，刘伟峰等人采用光引发聚合方法在碳微球表面接枝聚甲基丙烯酸，以期提高聚合物基体的导电性能、流变性能；汪长春等人以碳微球为核，利用其表面修饰的银纳米粒子作为种子，进一步还原制备了以碳微球为核、以金为壳的纳米壳球体，并研究了碳微球的光学、热学性能。然而，酸处理碳微球只是使其表面官能团含量增多，并未明显改善其分散性；在碳微球表面接枝偶联剂虽然可以使碳微球表面支化程度增大，但并不能很好地提高其与基体界面的相容性。目前，尚无对碳微球的阻燃性能进行研究的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种以碳微球为核的核壳型碳微球，以明显改善碳微球与聚合物基体材料的相容性，并由此改善聚合物基体材料的阻燃性能。

本发明的另一目的是提供一种上述核壳型碳微球的制备方法和应用。

本发明提供的核壳型碳微球包括碳微球核部分和包覆在所述碳微球表面的对苯二甲酸乙二酯有机薄膜壳部分，且所述碳微球核部分与对苯二甲酸乙二酯有机薄膜壳部分的质量比为1～5:1。

本发明核壳型碳微球是利用葡萄糖水热合成法制备碳微球，继而采用原位聚合法，使对苯二甲酸与乙二醇酯化反应包覆在碳微球表面，得到核壳结构的碳微球，其具体制备方法包括以下步骤：

a).将葡萄糖配制成水溶液，封装于水热釜中，于30～300℃，2～9MPa下搅拌反应，水热合成法制备碳微球；

b).将对苯二甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，加入过量的乙二醇配制成混合溶液；

c).将碳微球分散于上述混合溶液中，在催化剂三氧化二锑存在和氮气保护下，加热至25～140℃，滴加乳化剂OP-10，搅拌反应得到核壳型碳微球。

其中，水热合成法制备碳微球工序中，所使用的葡萄糖水溶液的浓度对于获得碳微球并无直接的影响。但一般地，优选使用浓度为0.1～0.5mol/L的葡萄糖溶液。

一般地，优选使用的对苯二甲酸与乙二醇的物质的量比为1:5～15，对苯二甲酸与碳微球的质量比为1:1～5。

上述制备方法中，催化剂三氧化二锑的使用量为对苯二甲酸质量的10～30%，OP-10的使用量为混合溶液质量的1～5%。

本发明将上述制备方法得到的产物先以无水乙醇进行洗涤，再以去离子水洗涤干净，干燥后得到本发明的核壳型碳微球。

本发明得到的核壳型碳微球为黑色球状粉末物质，粒径500～650nm，包覆层厚度15～30nm，化学物理性能稳定，不易团聚。

本发明制备得到的核壳型碳微球具有良好的阻燃性能，可以作为阻燃剂，添加在聚合物基体材料中应用。