[发明专利]一种纳米复合膨胀型阻燃剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及阻燃剂领域，具体涉及一种含有聚磷酸铵、纳米晶态纤维素和纳米二氧化硅的纳米复合膨胀型阻燃剂及其制备方法。

背景技术

膨胀型无卤阻燃剂具有阻燃、低毒、低烟、无腐蚀气体释放等优点，是最具发展前景的无卤阻燃剂，成为近年来国内外研究的热点。聚磷酸铵是一种含磷含氮的高效无卤低毒的阻燃剂，同时也作为膨胀型阻燃剂的主要成分，常用来提高材料的阻燃性能。高温下，聚磷酸铵迅速分解成氨气和聚磷酸，聚磷酸是强脱水剂，可使基体材料炭化形成炭层，隔绝材料与氧气的接触，在固相起阻止燃烧的作用；氨气可以稀释气相中的氧气浓度，从而起到阻止燃烧的作用。单独使用聚磷酸铵时存在着添加量相对较大、在潮湿的坏境下易于水解并向表面迁移而流失，导致阻燃效率的降低，同时，在材料的制备过程中，聚磷酸铵易团聚，与材料的相容性差，导致材料加工性能和力学性能的明显下降。

纳米晶态纤维素，是一种直径为2～20nm、长度为100～500nm的刚性棒状纤维素。与普通非纳米纤维素相比，纳米晶态纤维素具备高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度的特性，同时具有多级孔道结构、手性液晶排列、其表面含有多个可反应的羟基，易于接枝硅氧基、氨基、吸附电子等，因此在材料合成上展示出了优异的模板效应。公开发明专利CN 105034108A采用纳米晶态纤维素模板制备高分散性聚磷酸铵胶体。与单独采用聚磷酸铵相比，改性后聚磷酸铵分散性提高，但是，无法解决胶体吸湿性强、热稳定性下降和阻燃效率下降的问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种纳米复合膨胀型阻燃剂，具体提供一种利用纳米晶态纤维素制备高分散性纳米复合膨胀型阻燃剂的方法。

本发明的技术解决方案：一种纳米复合膨胀型阻燃剂，所述纳米复合膨胀型阻燃剂由纳米晶态纤维素、聚磷酸铵和纳米二氧化硅复合而成，按照纳米晶态纤维素∶聚磷酸铵∶纳米二氧化硅＝(2.7～3.6)∶(40～80)∶(4～24)，具体制备方法如下：

(1)按质量比2.7～3.6∶400称取纳米晶态纤维素、蒸馏水，在300～500bar高压均质6～10次，得到分散均匀的纳米晶态纤维素胶体；

(2)按质量比聚磷酸铵∶NaCl＝40～80∶12称取聚磷酸铵、NaCl，缓慢加入到步骤(1)制得的纳米晶态纤维素胶体中，充分搅拌，在70～90℃反应1～2h，得到纳米晶态纤维素-聚磷酸铵复合胶体，并使形成的胶体中纳米晶态纤维素∶聚磷酸铵的质量比为(2.7～3.6)∶(40～80)；

(3)按质量比60～80∶20∶0.25称取正硅酸乙酯、乙醇和HCl，将正硅酸乙酯、乙醇和HCl加入到步骤(2)制得的纳米晶态纤维素-聚磷酸铵复合胶体中，在60～70℃下水浴加热2h，用氨水调节pH值至6～7，水浴加热2h，形成纳米晶态纤维素-聚磷酸铵-纳米二氧化硅的纳米复合膨胀型阻燃剂胶体，并使形成的胶体中纳米晶态纤维素∶聚磷酸铵∶纳米二氧化硅的质量比为(2.7～3.6)∶(40～80)∶(4～24)。

本发明的优点：该方法利用纳米晶态纤维素的高分散性、高反应活性，通过定向组装技术将聚磷酸铵和纳米二氧化硅依次组装，制成纳米晶态纤维素-聚磷酸铵-纳米二氧化硅复合胶体，将聚磷酸铵置于分子结构的芯层，锁住聚磷酸铵，形成定向、均一、稳定的网络体系，提高了聚磷酸铵与纳米晶态纤维素、纳米二氧化硅的界面结合力，同时，利用纳米晶态纤维素的高分散性，促进纳米复合膨胀型阻燃剂在材料中的分散，及其与材料的界面结合强度，提高了材料的阻燃性能。纳米复合膨胀型阻燃剂合成高效、简便、绿色环保，可用于工业化批量生产。性能测试表明：以纳米复合膨胀型阻燃剂对木塑复合材料进行处理后，木塑复合材料的氧指数为25.2～30.4％，平均热释放速率为89.3～102.6kW/m²。

具体实施方式1

实施例1，在400mL蒸馏水中加入2.7g纳米晶态纤维素，搅拌均匀，在500bar高压均质6次，得到分散均匀的纳米晶态纤维素胶体；将分散好的纳米晶态纤维素胶体转移至反应釜中，再加入40g聚磷酸铵、12g NaCl，充分搅拌，在70～90℃反应1～2h，得到纳米晶态纤维素-聚磷酸铵复合胶体；然后加入80g正硅酸乙酯、20g乙醇和0.25gHCl，在60～70℃下水浴加热2h，用氨水调节pH值至6～7，水浴加热2h，形成纳米晶态纤维素-聚磷酸铵-纳米二氧化硅的纳米复合膨胀型阻燃剂胶体。以纳米复合膨胀型阻燃剂对木塑复合材料进行处理后，性能测试表明：木塑复合材料的氧指数为25.2％，平均热释放速率为102.6kW/m²。