CN110511434B - 一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法及其应用 - Google Patents

一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法及其应用,包括如下步骤:(1)将埃洛石纳米管和硝酸银均匀分散于有机混合溶剂中;(2)向上述分散液中缓慢加入十八烯酸和油胺后,进行超声分散;(3)将步骤(2)所得的物料磁力搅拌,然后加入抗坏血酸,继续磁力搅拌反应;(4)用上述有机混合溶剂洗涤以除去自由的纳米银颗粒,真空干燥至恒重,得到载银埃洛石纳米管;(5)将上述载银埃洛石纳米管超声分散于乙腈中,再依次加入双端胺化合物和三乙胺进行搅拌;(6)向其中缓慢加入六氯环三磷腈的乙腈溶液,搅拌进行缩合聚合反应;(7)用无水乙醇洗涤,然后真空干燥至恒重,即得。

Description

一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法 及其应用
技术领域
本发明属于阻燃材料技术领域,具体涉及一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法及其应用。
背景技术
埃洛石作为一种天然的低价粘土纳米管,由双层1∶1型铝硅酸盐组成的高岭石片层卷曲而成,内层为铝氧八面体,外层为硅氧四面体,内外层晶格错位卷曲,且层间存在结晶水。其分子式为Al2Si2O5(OH)4·nH2O(n=0或2),一般管外径40~100nm,长度约为0.2~3um。此外,具备多孔性质的埃洛石纳米管也作为一种阻燃剂,被应用于聚氨酯、尼龙6、环氧树脂等高分子材料,起到抗滴落、抑烟、促进成炭作用。同时,由于埃洛石纳米管有较长的长径比,单根纳米管的弹性模量可达140GPa,因此在制备高性能聚合物纳米复合材料的同时能有效提高聚合物材料的力学等协效性能。
聚磷腈是一类以P、N原子单双键共轭交替为主链的有机-无机高分子,有2个有机侧基、有机金属或无机侧基与主链上每个磷原子相连。由磷腈化合物组成的多环状聚磷腈高聚物,具有极高的热稳定性,是重要的耐高温、阻燃高分子材料。
由于大多数聚合物材料的耐火性能很差,严重影响了其在诸多领域的广泛使用。为了能提高聚合物材料的阻燃性能的同时,而不影响其机械性能。因此,设计一种既能提高聚合物材料的机械性能的同时又能起到良好阻燃作用的功能性阻燃剂十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提供一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供上述含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的应用。
本发明的技术方案如下:
一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将埃洛石纳米管和硝酸银均匀分散于由甲苯、乙醇和甲醇中的任意两种组成的有机混合溶剂中,得到分散液;
(2)向上述分散液中缓慢加入十八烯酸和油胺后,进行超声分散;
(3)将步骤(2)所得的物料于50-60℃磁力搅拌,然后加入抗坏血酸,继续磁力搅拌反应30-40min;
(4)用上述有机混合溶剂洗涤步骤(3)所得的物料以除去自由的纳米银颗粒,然后于40-70℃真空干燥至恒重,得到载银埃洛石纳米管;
(5)将上述载银埃洛石纳米管超声分散于乙腈中,再依次加入双端胺化合物和三乙胺进行搅拌;该双端胺化合物为4,4’-二氨基二苯砜或4,4一二氨基二苯基甲烷;
(6)向步骤(5)所得的物料中缓慢加入六氯环三磷腈的乙腈溶液,于40-80℃下搅拌进行缩合聚合反应6-24h;
(7)用无水乙醇洗涤步骤(6)所得的物料,然后于40-80℃真空干燥至恒重,即得所述含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料。
在本发明的一个优选实施方案中,所述埃洛石纳米管的分子式为Al2Si2O5(OH)4·2H2O,直径为30-70 nanometers,长度1-3 microns。
在本发明的一个优选实施方案中,所述有机混合溶剂中两种溶剂的体积比为0.8-1.2∶0.8-1.2。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(1)中,埃洛石纳米管和硝酸银的质量比为1-2∶2-4。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(2)中,十八烯酸和油胺的体积比为2-5∶2-5。
在本发明的一个优选实施方案中,埃洛石纳米管、硝酸银、十八烯酸和油胺的比例为0.01-0.02g∶0.02-0.04g∶0.2-0.5mL∶0.2-0.5mL。
上述制备方法所制备的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料在制备阻燃聚合物材料中的应用。
在本发明的一个优选实施方案中,所述阻燃聚合物材料中的聚合物为E51型双酚A环氧树脂或聚乳酸。
上述制备方法所制备的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料在提高阻燃聚合物材料的机械性能中的应用。
在本发明的一个优选实施方案中,所述阻燃聚合物材料中的聚合物为E51型双酚A环氧树脂或聚乳酸。
本发明的有益效果是:
1、本发明含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的原料低价易得,合成制备简易。
2、本发明中作为壳层的聚磷腈聚合物,在燃烧时有机膦氮系可充分起到捕捉自由基,抑制燃烧并促进成炭和稀释气体的作用。同时,含结晶水的多孔粘土埃洛石纳米管在燃烧时不仅能起到稀释可燃气体的作用,其多孔特性还能锁住部分小分子有机挥发气体,起到减少烟雾的作用,且埃洛石纳米管在与聚合物复合时能通过形成物理障碍减少质量与能量传递,从而达到阻燃增效的作用。
3、本发明中金属离子通过还原引入多孔HNT的管内,有效避免在燃烧高温下金属离子在管外的团聚,在部分锁住烟雾的同时能起到有效催化还原有毒气体,从而达到净化烟雾释放的作用。
4、本发明制备的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料除能有效提高聚合物的力学性能外,还可以通过减少物质能量的传递和促进催化成炭并且净化有毒气体如CO气体,从而达到凝聚相与气相阻燃相互渗透的双层功效,由此在高分子材料的阻燃及增强等方面有着良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的TEM图。
图2为本发明实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的红外谱图(FT-IR)。
图3为本发明实施例2得到的纯环氧树脂和5wt%含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料/环氧树脂的热红联用分析中CO吸收对比图谱。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)载银埃洛石纳米管的制备:在埃洛石纳米管腔中掺入金属Ag,具体为:①在反应容器中加入0.015g-0.03g埃洛石纳米管与0.025g-0.05g硝酸银,将其分散于V(乙醇)∶V(甲苯)=1∶1的有机混合溶剂中;②向分散液中缓慢加入0.4mL-0.8mL十八烯酸和0.4mL-0.8mL油胺后进行超声分散大约10-15min;③将待反应的分散液置于50-60℃条件下进行600rpm磁力搅拌,随后加入抗坏血酸,继续搅拌反应30-40min;④将反应后的产物用上述有机溶剂分别进行多次离心洗涤以除去管状外自由的纳米银颗粒,然后将洗涤后的产物进行40-70℃真空干燥至恒重,得到褐色固体,即为载银的埃洛石纳米管;
(2)含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管:将聚磷腈聚合物进行包覆步骤(1)得到的载银埃洛石纳米管,具体为:⑤将0.1g-0.2g载银的埃洛石纳米管置于50mL-100mL分析纯的乙腈溶剂中,,在超声功率为90w的超声机中进行超声分散30min,向溶液中依次加入0.03mol-0.06mol双端胺物质和2mL-6mL三乙胺进行搅拌;⑥向上述溶液中缓慢滴入溶解有六氯环三磷腈的乙腈溶液(0.01g/mL-0.03g/mL),在40-80℃下搅拌进行缩合聚合反应6-24h;⑦将上述反应产物用无水乙醇进行多次离心洗涤,在40-80℃的条件下进行真空干燥至恒重得灰褐色固体,即如图1和图2所示的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料。
实施例2
纯环氧树脂及利用实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料改性的环氧树脂制备及阻燃测试步骤如下。
(1)纯环氧树脂的制备
称取20g环氧树脂E-51,升温至80℃,加入5g固化剂4,4’-二氨基二苯甲烷搅拌均匀并且抽真空脱除气泡后倒入已预热好后的模具中,按照如下温度和时间依次进行程序升温:120℃/3h,140℃/4h,180℃/5h。
(2)利用实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合次啊聊对环氧树脂的改性制备
称取20g环氧树脂E51,升温至80℃,称取0.2g含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管,使用丙酮溶剂进行超声分散30min,然后缓慢加入环氧树脂中,在真空下脱除溶剂丙酮,加入5g固化剂4,4’-二氨基二苯甲烷,搅拌均匀后倒入模具,进行梯度升温固化120℃/3h,140℃/4h,180℃/5h,最后得含聚磷腈报读的掺银埃洛石纳米管改性的环氧树脂,其中阻燃剂含量为1wt%(对应表1中EP-1wt%)。依据此方法,分别添加0.6g、1g、1.4g含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管到20g环氧树脂中进行制备改性环氧树脂,其中反应型阻燃剂含量分别为3wt%、5wt%、7wt%(分别对应表1中的EP-3wt%、EP-5wt%、EP-7wt%)。
将所得样品按照GB/T2406.2-2009方法测试其氧指数
将本发明实施例2的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管改性的环氧树脂的极限氧指数(LOI)测试结果整理于表1。
根据三点弯曲测得实施例2的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管改性的环氧树脂的弯曲模量和弯曲强度见表1。
将纯环氧树脂和5wt%含聚磷腈聚合物改性掺银埃洛石纳米管/环氧树脂的进行热重-红外联用分析得CO吸收对比图谱,如图3所示。
实施例3
纯的聚乳酸及利用实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管/聚乳酸制备及阻燃测试步骤如下。
(1)纯的聚乳酸制备
将100g PLA置于80℃鼓风干燥箱中干燥6h,在温度175℃、转速100r/min的条件下密炼10min,密炼后的样品在185℃下采用平板硫化机进行模压成3.2mm厚板材并切割成标准样条备用。
(2)利用本发明实施例1得到的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管对聚乳酸的改性制备
将100g PLA、5g含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管置于80℃鼓风干燥箱中干燥6h,按照配比将两者进行物料混合后,在温度175℃、转速100r/min的条件下密炼10min,密炼后的样品在185℃下采用平板硫化机进行模压成3.2mm厚板材并切割成标准样条备用,即得阻燃聚乳酸,其中所述含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管的含量为5wt%。
根据GB/T 2406-2009测得纯聚乳酸、聚乳酸/含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管的极限氧指数分别为20.7%、31.0%。
对比例1
称取20g环氧树脂E51,升温至80℃,分别称取0.2g、0.6g、1g、1.4g未改性的埃洛石纳米管,使用溶剂丙酮并对其进行超声分散30min,然后缓慢加入环氧树脂中,在真空下脱除溶剂丙酮,加入5g固化剂4,4’-二氨基二苯甲烷,搅拌均匀后倒入模具,进行梯度升温固化120℃/3h,140℃/4h,180℃/5h,最后得到未改性的埃洛石纳米管/环氧树脂的复合材料,其中阻燃剂未改性埃洛石纳米管的含量分别为1wt%、3wt%、5wt%、7wt%(对应表2中EP-1HNT、EP-3HNT、EP-5HNT、EP-7HNT)。将对比例的样品也按照实施例3所述,参照GB/T2406.2-2009方法测试其氧指数,未改性的埃洛石纳米管/环氧树脂的复合材料的极限氧指数测试结果也整理于表2中。同时,将未改性的埃洛石纳米管/环氧树脂的复合材料的三点弯曲测试的弯曲模量也整理于表2中。
对比例2
将100g PLA、3g未改性埃洛石纳米管置于80℃鼓风干燥箱中干燥6h,按照配比将两者进行物料混合后,在温度175℃、转速100r/min的条件下密炼10min,密炼后的样品在185℃下采用平板硫化机进行模压成3.2mm厚板材并切割成标准样条备用,即得阻燃聚乳酸,其中未改性埃洛石纳米管的含量为3wt%。
根据GB/T 2406-2009测得聚乳酸/HNT的极限氧指数分别为25.4%
表1含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管/环氧树脂的极限氧指数(LOI)及弯曲强度表
Figure BDA0002186496050000061
表2未改性埃洛石纳米管/环氧树脂的极限氧指数(LOI)及弯曲强度表
Figure BDA0002186496050000062
Figure BDA0002186496050000071
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将埃洛石纳米管和硝酸银均匀分散于由甲苯、乙醇和甲醇中的任意两种组成的有机混合溶剂中,得到分散液;该埃洛石纳米管的分子式为Al2Si2O5(OH)4·2H2O,直径为30-70nanometers,长度1-3 microns;
(2)向上述分散液中缓慢加入十八烯酸和油胺后,进行超声分散;
(3)将步骤(2)所得的物料于50-60℃磁力搅拌,然后加入抗坏血酸,继续磁力搅拌反应30-40min;
(4)用上述有机混合溶剂洗涤步骤(3)所得的物料以除去自由的纳米银颗粒,然后于40-70℃真空干燥至恒重,得到载银埃洛石纳米管;
(5)将上述载银埃洛石纳米管超声分散于乙腈中,再依次加入双端胺化合物和三乙胺进行搅拌;该双端胺化合物为4,4’-二氨基二苯砜或4,4一二氨基二苯基甲烷;
(6)向步骤(5)所得的物料中缓慢加入六氯环三磷腈的乙腈溶液,于40-80℃下搅拌进行缩合聚合反应6-24 h;
(7)用无水乙醇洗涤步骤(6)所得的物料,然后于40-80℃真空干燥至恒重,即得所述含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述有机混合溶剂中两种溶剂的体积比为0.8-1.2:0.8-1.2。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中,埃洛石纳米管和硝酸银的质量比为1-2:2-4。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中,十八烯酸和油胺的体积比为2-5:2-5。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:埃洛石纳米管、硝酸银、十八烯酸和油胺的比例为0.01-0.02g:0.02-0.04g:0.2-0.5mL:0.2-0.5mL。
6.权利要求1至5中任一权利要求所述的制备方法所制备的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料在制备阻燃聚合物材料中的应用。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于:所述阻燃聚合物材料中的聚合物为E51型双酚A环氧树脂或聚乳酸。
8.权利要求1至5中任一权利要求所述的制备方法所制备的含聚磷腈包覆的掺银埃洛石纳米管复合材料在提高阻燃聚合物材料的机械性能中的应用。
9.如权利要求8所述的应用,其特征在于:所述阻燃聚合物材料中的聚合物为E51型双酚A环氧树脂或聚乳酸。
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