[发明专利]一种碳包覆磷酸锆复合粉体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于阻燃剂改性领域，具体涉及一种碳包覆磷酸锆复合粉体及其制备方法和应用。

背景技术

磷酸锆类材料是一种新型的功能材料，不仅有离子交换功能，也有类似沸石和分子筛之类的择形吸收和催化功能，同时具备较高的热稳定性和较好的耐化学试剂性能。因此，该类材料可广泛用于离子交换、吸附、催化、电化学、医药、化工、环保等领域。磷酸锆类晶体具有多种不同外貌形状，其中α-ZrP是目前应用最广泛的一种阳离子层状无机物，具有类似天然蒙脱土的片层结构，表观呈近六边形结构；还有γ-ZrP，和立方体ZrP等一系列磷酸锆类晶体。

在高分子材料改性领域，磷酸锆常作为阻燃助剂加入到聚合物基体中，但是，磷酸锆其表面和片层内部结构都含有大量的羟基，会在高温条件下脱水，片层结构断裂，致使其作为阻燃剂的物理阻隔作用失效，并且磷酸锆本身羟基位点为Lewis酸性位点，具有一定的固体催化效应，当高温脱去后，其活性位点也将消失，也就不能对聚合物基体的降解产物进行催化碳化，不利于其发挥阻燃的效果，因此，磷酸锆并不适合在较高加工温度的聚合物中使用，从而限制了其应用范围，为了扩大其应用范围，对磷酸锆表面进行改性成为了研究的热点。

碳源主要是含碳链结构的物质，主要是淀粉、蔗糖、甘油、葡萄糖、聚苯乙烯、多羟基醛、多羟基酮等一系列齐聚物或者高聚物，这些物质中均含有许多极性基团，且具备化学活性，而磷酸锆晶体表面具有大量羟基基团，因此，结合磷酸锆和碳源各自的结构和性能特点，将二者以一定的方式复合制备成复合粉体，将有助于赋予粉体新的功能，扩大其应用领域范围。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种碳包覆磷酸锆复合粉体，该复合粉体不仅具有优异的阻燃性能，且具有较高的热稳定性。

本发明的另一目的在于提供上述碳包覆磷酸锆复合粉体的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳包覆磷酸锆复合粉体，所述复合粉体是由磷酸锆内核和包覆所述磷酸锆内核的碳外壳组成，所述磷酸锆内核为粒径为1.5 μm以下的粉体，所述碳外壳的质量占磷酸锆质量的5%~20%。

所述复合粉体的粒径为1 μm~8 μm，当粒径小于1 μm，包覆在磷酸锆表面的碳比较少，起不到包覆的效果，导致内部磷酸锆粉末裸露；当粒径大于8 μm时，由于表面的包覆碳层过厚，导致表层吸附碳会在加工过程中脱落，可能成为应力集中点成为缺陷，导致复合材料力学性能的下降，并且本身阻燃剂本身粒径过大，也会影响阻燃复合材料的力学性能。

本发明上述一种碳包覆磷酸锆复合粉体的制备方法，包括如下步骤：

（1）将磷酸锆粉体和有机碳源分散在有机溶剂中，加热并机械搅拌，反应完全后，加入分散剂进行分散；

（2）将分散好的溶液加入研磨机中进行研磨，研磨完之后干燥处理，并在混杂一定氧气体积分数的惰性气体中烧结，研磨粉碎，再离心处理并鼓风干燥，即得碳包覆磷酸锆复合粉体。

在上述制备过程中，磷酸锆粉体可通过市场购买的方式获得，也可以通过本领域常规方法如回流法、氟配法、水热法三种方法制备得到，具体的制备方法可参考中国发明专利CN201310475545.3和中国发明专利CN201410617886.4中的方法。

步骤（1）中所述有机碳源为葡萄糖、聚苯乙烯、蔗糖、聚乙烯醇缩丁醛、酚醛树脂、淀粉或环氧树脂中的一种或几种，用量为磷酸锆粉体质量的5%~20%。

步骤（1）中所述有机溶剂为去离子水、氯仿、二氧六环、甲苯、二甲苯、丙酮、甲醛、甲醇、乙醇、二氯甲烷、N’N-二甲基乙酰胺、四氢呋喃或N’N-二甲基甲酰胺中的一种或者几种；

所述分散剂为明胶、六聚偏磷酸钠、三聚磷酸钠、十二烷基磺酸钠、OP乳化剂或全氟辛酸中的一种或几种，所述分散的时间为0.5 h~1.5 h。

步骤（1）中所述加热的温度为80 ℃~200 ℃，搅拌时间为0.5 h~3 h，搅拌速率为100 rpm~350 rpm。

步骤（2）中所述研磨的时间为1 h~3 h，研磨后的粉体粒径控制在1 μm~5 μm。

步骤（2）中所述混杂一定氧气体积分数的惰性气体中的氧气体积分数为0%~20%，优选为1%~10%，且惰性气体为氮气、氩气、氦气或二氧化碳中的一种或几种，升温速率为5~25 ℃/min，烧结温度为300 ℃~700 ℃，烧结时间为30 min~3 h。