一种有机磷杂化α-ZrP阻燃材料及其制备方法_2

文档序号:9722063阅读:来源:国知局
备方法,步骤2)中,加入小分子胺反应的时间为0.6?1.8h,反应时间短,胺类插层不完全,过长造成能源浪费;所述小分子胺为甲胺、乙胺或正丙胺。
[0020]如上所述的一种有机磷杂化a-ZrP阻燃材料的制备方法,所述硅烷偶联剂的分子结构通式为YRSiX3,其中R为烷基,所述硅烷偶联剂的基本特征是在同一分子中含有两种不同性质的反应性基团X和Y,其中X为水解性基团,Y为能与聚合物反应的有机官能团;娃烷偶联剂的滴加量与a-ZrP的质量比为0.5:1?2.0:1;滴加速率为0.1?1.5ml/min ;所述继续反应的时间为3?8h。
[0021]如上所述的一种有机磷杂化a-ZrP阻燃材料的制备方法,所述X为烷氧基;所述Y为氨基或异氰酸酯基。
[0022]如上所述的一种有机磷杂化a-ZrP阻燃材料的制备方法,步骤4)中,所述有机磷为磷酸、亚磷酸、次膦酸、苯基次膦酸、苯基磷酸、2-( 二苯基膦酰基)-1,4-苯二酚、二苯基膦酸、苯氧基膦酰二氯、甲基膦酸、甲基膦酰二氯、2-羧乙基苯基次膦酸或羟甲基苯基次膦酸,所述有机磷与硅烷偶联剂的摩尔比为0.2:1?2:1,所述反应的时间为2?8h。
[0023]如上所述的一种有机磷杂化a-ZrP阻燃材料的制备方法,步骤5)中,固相产物与溶剂分离采用旋转蒸发仪;所述洗涤是先在浓度为90?98 %的丙酮与水的混合溶液浸泡24?36h,后用大量丙酮溶液清洗3?5次直至产物中无残留的反应原料;所述烘干为置于真空烘箱中,60?80°C,真空度0.05?0.1MPa条件下烘干24?36h。
[0024]如上所述的一种有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的制备方法,步骤6)中,所述处理是指将改性的α-ZrP在250?320°C条件下烘焙3?lOmin。
[0025]如上所述的一种有机磷杂化a-ZrP阻燃材料的制备方法,所述有机磷杂化a-ZrP外观为白色粉末;所述有机磷杂化α-ZrP为层状化合物,层间距为1.60?2.50nm;所述有机磷杂化α-ZrP由α-ZrP、硅烷偶联剂和有机磷组成,硅烷偶联剂插在α-ZrP层间,有机磷在a-ZrP的片层与层间,硅烷偶联剂在a-ZrP上的接枝率为6?18%,有机磷含量为1?15% ;所述有机磷杂化a-ZrP起始分解温度为340?450°C;所述有机磷杂化a-ZrP能够均匀分散在非极性有机溶剂正己烷中,所述有机磷杂化a-ZrP能起到很好的阻燃作用。
[0026]有益效果
[0027]本发明与现有技术相比具有下列优点:
[0028]1、耐热温度较高,热稳定性能好:以a-ZrP为载体,小分子胺为预撑剂,硅烷偶联剂为改性剂,有机磷为二次改性剂和协效阻燃剂制备的有机磷杂化a-ZrP具有比季铵盐类改性剂制备的改性a-ZrP更高的耐热温度,其起始分解温度为340?450°C,克服了目前季铵盐类改性剂制备的改性a-ZrP耐热温度低于300°C的缺点,有利于将其添加在大多数通过熔融加工的高分子材料中。季铵盐类改性剂与a-ZrP以离子键结合,而硅烷偶联剂能够与a-ZrP以共价键结合,有机磷能够与硅烷偶联剂以共价键结合,研究发现,共价键的热稳定性普遍高于离子键。
[0029]2、接枝率较高:该方法制备的高热稳定性有机磷杂化a-ZrP具有比其他方法制备的高热稳定性有机改性a-ZrP较高的接枝率,其接枝率为6?18%,克服了目前高热稳定性有机改性a-ZrP结合的有机物质较少,与有机物质相容性差的问题,有利于将其均匀分散在大多数疏水性有机高分子材料中。其他制备高热稳定性有机改性a-ZrP方法就是直接利用环氧化合物等含有活性基团的改性剂,不经过小分子胺预插层和热处理步骤,只与a-ZrP外表面的Ρ-0Η发生共价反应,不能插层进入层间,因此接枝在其表面的有机物质比较少,本发明中改性剂可以进入层内部,所以相对于其他方法,接枝率大幅提高。
[0030]3、层间距较大:该方法制备的高热稳定性有机磷杂化a-ZrP具有比其他方法制备的高热稳定性有机改性a-ZrP更高的层间距,原理同上,其层间距为1.60?2.50nm,克服了目前制备高热稳定性有机改性a-ZrP用改性剂难以插层进入a-ZrP,层间距仍为原来的
0.76nm的问题,有利于高分子链段插层进入有机改性α-ZrP层内,实现有机磷杂化α-ZrP在疏水性高分子材料中的均匀分散。
[0031]4、协效阻燃作用:该方法制备的高热稳定性有机磷杂化α-ZrP具有结构功能一体化的优势。相比其他阻燃材料,有机磷与无机纳米粒子分为两种组分同时加入起到协效阻燃作用,本发明制备的有机磷杂化α-ZrP阻燃材料,只需一种组分,组分之间通过化学键合的作用,一步完成分散、协效阻燃,可以一步实现阻燃、分散。
【附图说明】
[0032]图1为实施例1制备有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的过程示意图,其中α-ZrP先经正丙胺(n-propylamine)预插层,再与3-氨基丙基-三乙氧基娃烧(APTES)发生接枝反应,有机磷(二苯基膦酸DPP0)再与APTES形成化学键作用,最后经过热处理(heat-treatment)即得有机磷杂化α-ZrP阻燃材料。
[0033]图2为本发明实施例1制备的有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的X射线衍射图(纵坐标为相对强度,横坐标为2Θ角),其中a-ZrP-PA-APTES-OP-HT为经过处理之后的丙胺(PA)预撑后与3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)发生接枝反应和二苯基磷酸与APRES发生反应形成二次插层接枝后的α-ZrP。
[0034]图3为本发明实施例1制备的有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的热失重曲线(纵坐标为质量,横坐标为温度),a-ZrP-PA-APTES为丙胺(PA)预撑后与3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)发生接枝反应的 α-ZrP,a-ZrP-PA-APTES_HT 为经过处理之后的 a-ZrP_PA_APTES,a-ZrP-PA-APTES-OP-HT为而苯基磷酸二次插层接枝并经过处理之后的a-ZrP-PA-APTES。
【具体实施方式】
[0035]下面结合【具体实施方式】,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0036]本发明的实施例中:
[0037]层间距的计算公式为:d= A/2sin0;A为X射线的波长,Θ为入射X射线与相应晶面的夹角。
[0038]改性所采用的α-ZrP的层间距为0.76nm(20 = 10.8。)。
[0039]接枝率的计算公式如下:
[0040]接枝率(%)=有机组分的质量/未改性α-ZrP的质量。
[0041 ]有机磷含量(% )=(总失重量-有机组分失重量)/未改性α-ZrP的质量。
[0042]实施例1
[0043]一种有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的制备方法,如图1所示,为制备有机改性α-ZrP的过程示意图,其中α-ZrP先经正丙胺(n-propylamine)预插层,在与3-氨基丙基-三乙氧基娃烷(APTES)发生接枝反应,然后二苯基膦与α-ZrP表面和层间的硅烷偶联剂的端基发生反应,最后经过热处理(heat-treatment)即得有机磷杂化α-ZrP阻燃材料,步骤为:
[0044]1)将α-ZrP在室温条件下,超声并机械搅拌,超声功率为50W,时间为20min ;机械搅拌的转速为200r/min,时间为20min分散于四氢呋喃溶液中,分散后α-ZrP的浓度为0.005g/ml ;
[0045]2)加入小分子正丙胺反应,正丙胺与α-ZrP的摩尔比为1:2.0,加入正丙胺反应的时间为0.6h;
[0046]3)滴加硅烷偶联剂3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)继续反应;APTES的滴加量与α-ZrP的质量比为0.5:1;滴加速率为0.lml/min;继续反应的时间为3h;
[0047]4)添加二苯基膦酸继续反应;二苯基膦酸的滴加量与APTES的摩尔比为1:1;升高温度至80°C,继续反应6h;
[0048]5)固相产物经分离、洗涤和烘干即可得到改性的α-ZrP有机磷杂化材料,固相产物与溶剂分离采用旋转蒸发仪;洗涤是先在浓度为90 %的丙酮与水的混合溶液浸泡24h,后用大量丙酮溶液清洗3次直至产物中无残留的反应原料;烘干为置于真空烘箱中,60°C,真空度0.05MPa条件下烘干24h;
[0049]6)有机磷杂化的α-ZrP在250°C条件下烘焙3min,即得到有机磷杂化α-ZrP阻燃材料,该有机磷杂化α-ZrP阻燃材料外观为白色粉末,并为层状化合物,如图2所示,该有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的层间距为1.74nm(20 = 5.06° );该有机磷杂化α-ZrP阻燃材料由a-ZrP、硅烷偶联剂3-氨基丙基-三乙氧基硅烷(APTES)和有机磷二苯基膦酸(DPPO)组成,APTES插在α-ZrP层间,DPP0与α-ZrP表面与层间的APTES的端基反应,如图3所示,APTES在α-ZrP上的接枝率为13.78%,有机磷含量约为10%,该有机磷杂化α-ZrP阻燃材料的起始分解
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