一种氧化石墨烯接枝改性三聚氰胺焦磷酸盐阻燃剂的方法

摘要

本发明属于材料技术领域，涉及一种氧化石墨烯接枝改性三聚氰胺焦磷酸盐阻燃剂的制备方法，包括以下具体步骤：将三聚氰胺与无水焦磷酸钠加入到蒸馏水中，充分搅拌使体系分散均匀；向上述体系中加入经超声分散好的氧化石墨烯胶体溶液，并以滴加起催化、稳定剂的质子酸稀溶液，调节反应体系pH值，升温、搅拌反应，反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤、产物干燥，即可得到氧化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂。本发明提供的上述制备方法高效，易操作，对环境友好，且制备的无卤膨胀型阻燃剂粒径小、热稳定性高，不仅可以用于聚烯烃的无卤体系中，同时也适用于聚酰胺、聚酯、橡胶及膨胀性防火涂料中。

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种氧化石墨烯接枝改性三聚氰胺焦磷酸盐阻燃剂的方 法。

背景技术

传统的卤系阻燃剂，其阻燃效率高因而被大量用于阻燃材料的生产，但卤系阻燃产品在 燃烧时产生大量的烟雾和有毒的腐蚀性气体，妨碍人员疏散，造成严重的二次灾害。目前， 膨胀型阻燃剂（IFR）以其无卤、低烟、低毒等优点而深受人们的重视。三聚氰胺(MEL)及其 盐类（氰尿酸盐、磷酸盐、焦磷酸盐、聚磷酸盐、硼酸盐、邻苯二甲酸盐、草酸盐等）是一 类氮系及氮-磷系阻燃剂，是构成无卤膨胀型阻燃剂(IFR)的重要组分(含气源及酸盐)，且几乎 所有现用的IFR，都含有氮和（或）磷作为阻燃活性组分。由于MA及其盐类具有一系列与生 态环境相容的特点，对人类健康的危害很小，所以在环保要求日益严格的今天，备受阻燃领 域的瞩目与青睐，其应用正日益增多，且应用前景看好。

但传统的合成方法制备的三聚氰胺焦磷酸盐（MPP）阻燃剂不仅粒子尺寸比较大，而且 添加大、易团聚严重恶化聚合物基阻燃材料的机械性能，同时也存在对环境造成较大污染、 不够环保。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的提供一种无卤膨胀型氧化石墨烯改性三聚氰 胺焦磷酸盐的制备方法，该方法具有高效、易操作、对环境友好，具良好的经济效益等优点。 同时采用该方法制备出的阻燃剂粒径小，添加到聚合物基体中分散性好，并且对阻燃材料的 机械性能影响小，甚至对一些性能还有增强作用，不仅可以用于聚烯烃的无卤阻燃体系，也 非常适合于聚酰胺、聚酯等工程塑料中。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种氧化石墨烯接枝改性三聚氰胺焦磷酸盐阻燃剂的制备方法，该方法采用水相合成法， 包括以下步骤：

（1）将三聚氰胺与无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇）加入到蒸馏水中，充分搅拌使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体溶液，并 以滴加起催化、稳定剂作用的质子酸稀溶液，调节反应体系pH值，升温、搅拌反应；

（3）反应完全后，将反应产物进行抽滤、洗涤、产物干燥，即得到氧化石墨烯改性三聚 氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂。

所述步骤（1）中的三聚氰胺与无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇）的摩尔比为2：（1~1.5）。

所述步骤（1）中的搅拌速率为400-500r/min，搅拌是时间为15-30min。

所述步骤（2）中的氧化石墨烯（GO）胶体溶液超声分散方式具体为：将固含量为 0.025-0.05g/mL的氧化石墨烯胶体预先在水温25-35℃，80-100HZ条件超声4-6小时。

所述步骤（2）中的氧化石墨烯具有典型的准二维片层结构，其结构上含有丰富的羟基、 环氧基、羧基或羰基含氧基团，经过超声分散后，成单层或多层结构。

所述步骤（2）中的氧化石墨烯胶体的固含量为0.025-0.05g/mL。

所述步骤（2）中氧化石墨烯的含量为三聚氰胺和无水焦磷酸钠质量和的5-30%。

所述步骤（2）中的质子酸稀溶液选自盐酸、硅钨酸、硝酸或硫酸中的一种或一种以上， 其浓度为0.1-1mol/L。

所述步骤（2）中的质子酸稀溶液的滴加速率为2-5ml/min。

所述步骤（2）中调节反应体系的pH值在3-6之间。

所述步骤（2）中升温至80-100℃，搅拌反应时间为2-4小时，搅拌速率为360-420rad/min。

所述步骤（3）中产物于90-100℃干燥36-48h。

所述步骤（3）中所制得阻燃剂的结构类似“核壳”结构，其中三聚氰胺焦磷酸盐构成该阻 燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨烯为其“核壳”结构的 “壳”。

本发明与现有技术相比，本发明的优点和取得的有益结果为：

（1）氧化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐因其分子中含有磷和氮，具有膨胀阻燃剂的酸源 和气源，以及氧化石墨烯受热直接会自组装形成致密碳层，在阻燃体系中作为，几者共同协 效作用更有效的发挥其阻燃作用；

（2）该无卤膨胀阻燃剂因氧化石墨烯的引入，使其阻燃剂粒子更细，如图1可知，在聚 合物集体中分散性更好，不仅具有高效的阻燃效果，同时对复合阻燃材料的机械性能影响会 更小；

（3）同时采用该方法制备出的阻燃剂粒径小，添加到聚合物基体中分散性好，并且对阻 燃材料的机械性能影响小，甚至对一些性能还有增强作用，不仅可以用于聚烯烃的无卤阻燃 体系，也非常适合于聚酰胺、聚酯等工程塑料中。

附图说明

图1为本发明实施例中的MPP-GO（三聚氰胺焦磷酸盐-氧化石墨烯）的TEM图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步说明本发明。

本发明的实施例中所用的所有原料均是市售产品，在此不特意指出其厂家、型号等。

以下实施例中，氧化石墨烯具有典型的准二维片层结构，其结构上含有丰富的羟基、环 氧基、羧基或羰基含氧基团，经过超声分散后，成单层或多层结构。

以下实施例中，氧化石墨烯（GO）胶体溶液超声分散方式具体为：将固含量为 0.025-0.05g/mL的氧化石墨烯胶体预先在水温25-35℃，80-100HZ条件超声4-6小时，备用。

以下实施例中，转化率为产物经过反复提纯干燥后的最终产物与最初原料投放量的质量 百分数比值。

实施例1

（1）预先将50.40g三聚氰胺与26.59g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1，加入 到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入154mL经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体溶 液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦磷 酸钠质量和的5%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为1mol/L，滴加速率为 2ml/min，调节反应体系pH值为4，升温至85℃，搅拌反应时间为2小时，搅拌速率为360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为95.7%。

实施例2

（1）预先将50.40g三聚氰胺与26.59g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1，加入 到350ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为500r/min，搅拌是时间为15min，使体系分散均匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入308ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体溶 液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦磷 酸钠质量和的10%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.5mol/L，滴加速率为 2ml/min，调节反应体系pH值为6，升温至90℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为97.1%。

实施例3

（1）预先将50.40g三聚氰胺与26.59g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1，加入 到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入462ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体溶 液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.05g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦磷酸 钠质量和的30%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.5mol/L，滴加速率为 2ml/min，调节反应体系pH值为4，升温至85℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为98.2%。

实施例4

（1）预先将50.40g三聚氰胺与27.92g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.05，加 入到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入156.6mL经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦 磷酸钠质量和的5%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.1mol/L，滴加速率 为5ml/min，调节反应体系pH值为4，升温至80℃，搅拌反应时间为2小时，搅拌速率为 420rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为97.3%。

实施例5

（1）预先将50.40g三聚氰胺与27.92g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.05，加 入到350ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入313.3ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦 磷酸钠质量和的10%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.5mol/L，滴加速率 为2ml/min，调节反应体系pH值为3，升温至90℃，搅拌反应时间为3小时，搅拌速率为 400rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于100℃干燥36h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为98.3%。

实施例6

（1）预先将50.40g三聚氰胺与27.92g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.05，加 入到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入469.9ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.05g/mL，氧化石墨烯-GO的含量为三聚氰胺和无水焦 磷酸钠质量和的30%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.5mol/L，滴加速率 为2ml/min，调节反应体系pH值为4，升温至95℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为 420rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为98.8%。

从图1中可以看到经超声剥离后的具有片层结构的氧化石墨烯与三聚氰胺焦磷酸盐发生 反应，接枝、包覆到其表面形成类似球状的颗粒，其尺寸在200nm-0.1μm之间，且粒子与粒 子之间团聚现象不明显，分散性能好，这能有效的发挥其在聚合物中的阻燃效果。

实施例7

（1）预先将50.40g三聚氰胺与29.25g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.1，加 入到350ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入159.3ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦 磷酸钠质量和的5%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硝酸溶液，其浓度为0.5mol/L，滴加速率 为2ml/min，调节反应体系pH值为6，升温至85℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为 360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为98.0%。

实施例8

（1）预先将50.40g三聚氰胺与29.25g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.1，加 入到350ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入318.6ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦 磷酸钠质量和的10%，并以滴加起催化、稳定剂的稀盐酸溶液，其浓度为0.1mol/L，滴加速率 为5ml/min，调节反应体系pH值为3，升温至90℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为 360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为97.9%。

实施例9

（1）预先将50.40g三聚氰胺与29.25g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.1，加 入到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为400r/min，搅拌是时间为30min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入477.9ml经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体 溶液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.05g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦磷 酸钠质量和的30%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硫酸溶液，其浓度为1mol/L，滴加速率为 3ml/min，调节反应体系pH值为4，升温至95℃，搅拌反应时间为4小时，搅拌速率为420rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于90℃干燥48h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，，其中三聚 氰胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨 烯为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为98.2%。

实施例10

（1）预先将50.40g三聚氰胺与39.88g无水焦磷酸钠（Na₄P₂O₇），其摩尔比为2:1.5，加 入到500ml蒸馏水中，充分搅拌，搅拌速率为450r/min，搅拌是时间为20min，使体系分散均 匀；

（2）继而向步骤（1）的体系中，加入154mL经超声分散好的氧化石墨烯（GO）胶体溶 液，其氧化石墨烯胶体的固含量为0.025g/mL，氧化石墨烯GO的含量为三聚氰胺和无水焦磷 酸钠质量和的5%，并以滴加起催化、稳定剂的稀硅钨酸溶液，其浓度为1mol/L，滴加速率为 2ml/min，调节反应体系pH值为5，升温至100℃，搅拌反应时间为2小时，搅拌速率为 360rad/min；

（3）反应完全后，然后将反应产物进行抽滤、洗涤，产物于100℃干燥36h，即可得到氧 化石墨烯改性三聚氰胺焦磷酸盐无卤阻燃剂，该阻燃剂的结构类似“核壳”结构，其中三聚氰 胺焦磷酸盐构成该阻燃剂“核壳”结构的“核”，接枝到三聚氰胺焦磷酸盐上的氧化石墨烯 为其“核壳”结构的“壳”。产品的原料转化率为96.7%。

实施例11

将实施例6中制备的阻燃剂MPP-GO与协效剂季戊四醇（PER）复配，添加到尼龙6（PA 6） 中，其重量份比为20：2：78，另外，主抗氧剂为抗氧剂1010，辅抗氧剂为抗氧剂168，润滑 剂为乙撑双脂肪酸酰胺（EBS），分散剂为高分子量有机硅氧烷P121，挤出造粒后，按标准 注塑成标准样条，其配方及性能见下表1。

对比例1

将单纯的MPP与协效剂季戊四醇（PER）复配，添加到尼龙6（PA 6）中，其重量份比为 20：2：67，另外，主抗氧剂为抗氧剂1010，辅抗氧剂为抗氧剂168，润滑剂为乙撑双脂肪酸 酰胺（EBS），分散剂为高分子量有机硅氧烷P121，挤出造粒后，按标准注塑成标准样条， 其配方及性能见下表1。

表1阻燃材料配方及其相关性能

由表1可知，实施例6中制备的阻燃剂MPP-GO与协效剂季戊四醇（PER）复配，相比于单 纯的MPP与协效剂季戊四醇（PER）复配，无论是从机械性能还是阻燃性能上，都具有比较 大的优势的。可见采用该方法制备出的阻燃剂粒径小，添加到聚合物基体中分散性好，并且 对阻燃材料的机械性能影响小，甚至对一些性能还有增强作用，不仅可以用于聚烯烃的无卤 阻燃体系，也非常适合于聚酰胺、聚酯等工程塑料中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。