[发明专利]纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于阻燃材料领域，具体涉及一种纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着高分子聚合物在现代生活中越来越广泛的应用，聚合物阻燃技术飞速发展，经历了从卤系阻燃到无卤阻燃的发展过程，阻燃体系不断的丰富和完善，其中磷系阻燃剂大都具有低烟、无毒、低卤、无卤等优点，符合阻燃剂的发展方向，具有很好的发展前景，成为目前阻燃研究的热点。

膨胀阻燃体系是一个以C、N、P为核心成分的阻燃体系，主要由酸源、炭源、气源三部分组成。酸源又称脱水剂或炭化促进剂，一般是无机酸或燃烧中能原位生成酸的化合物，如磷酸、硼酸、硫酸和磷酸酯等；炭源也叫成炭剂，它是形成泡沫炭化层的基础，主要是一些含碳量高的多羟基化合物，如淀粉、蔗糖、糊精、季戊四醇、乙二醇、酚醛树脂等；气源也叫发泡源，是含氮化合物，如尿素、三聚氰胺、聚酰胺等。其中酸源在燃烧时产生酸，作为脱水剂与炭源反应生成炭层，气源释放气体使炭层膨胀，从而阻隔热量传递和隔绝氧气，实现阻燃的目的。聚磷酸铵(APP)做为一种重要的阻燃剂，常在膨胀型阻燃体系中作为酸源使用。然而由于其自身结构的原因，APP与基体的相容性差，在共混过程中容易出现团聚等问题，对材料的力学性能影响较大。在作为膨胀型阻燃剂时，由于大部分基材的成炭能力较弱，这就是造成膨胀型阻燃剂炭源不足，炭源不足削弱了膨胀型阻燃剂的阻燃性能，因此碳源不足成为膨胀型阻燃剂的急需改善的缺点。

发明内容

针对于膨胀型阻燃剂炭源不足的情况，本发明的首要目的在于提供一种纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂。

本发明的另一目的在于提供上述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂的制备方法。该制备方法采用微胶囊化及表面吸附等物理化学手段，先包覆一层三聚氰胺甲醛树脂作为气源，后将具有大长径比及富羟基结构的纳米纤维素附着在阻燃剂外壳，根据膨胀型阻燃剂原理，富羟基结构的纳米纤维素可提供炭源。同时，由于纳米纤维素具有大长径比及与基材良好的相容性，附着在阻燃剂表面的纳米纤维素可改变基材与阻燃剂的界面作用，提高其相容性。

本发明的再一目的在于提供上述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂，该阻燃剂集酸源、气源和炭源于一体，内核为酸源聚磷酸铵，内核的表面包覆着一层三聚氰胺甲醛树脂作为气源，三聚氰胺甲醛树脂外层吸附着一层纳米纤维素作为炭源。

所述的纳米纤维素是通过酸解微晶纤维素所得，其在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)。

上述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂的制备方法，包括下述步骤：

(1)在室温条件将5～15g三聚氰胺和8～30mL质量分数为37％的甲醛溶液加入至50mL水中，调节pH值为8～9，搅拌升温至70～90℃后，保持搅拌条件保温反应40～90min，反应完成后得乳浊液体，冷却至室温；将冷却后的乳浊液体加入60g聚磷酸铵(APP)中，加入80～200mL乙醇溶液并搅拌，调节pH值为3～4，缓慢加热至60～90℃，此温度下保温1～3小时，然后搅拌降温、抽滤、洗涤、干燥，最后得白色粉末；

(2)取7～23g的微晶纤维素溶解于质量分数为64％的浓硫酸中，在45℃中搅拌反应110分钟，然后加入300～900mL去离子水稀释，反复稀释离心2～3次，得白色悬浮液，制备的白色悬浮液即为纳米纤维素；取12～20g步骤(1)制备的白色粉末加入至悬浮液中，搅拌，超声分散20～60min，然后抽滤、干燥，最后得白色粉末即为所述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂。

步骤(1)中所述的水优先选去离子水。

步骤(1)中所述的三聚氰胺和甲醛溶液中的甲醛的摩尔比为3:1。

步骤(1)中所述的pH值优选通过加入碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、甲酸、乙酸、盐酸、硫酸和氨基磺酸中的至少一种进行调节。

步骤(2)中所述的微晶纤维素与质量分数为64％的浓硫酸质量比为1:8.75。

步骤(2)中所述的白色悬浮液为具有纳米尺寸的纤维素溶液。

上述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂在制备阻燃材料中的应用。

上述纳米纤维素表面改性核壳结构阻燃剂可应用于制备聚烯烃、聚氨酯、橡胶、聚碳酸酯、聚丙烯等聚合物阻燃材料，还可用于纸张、木材、织物等的阻燃。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：