[发明专利]氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料化学领域，具体涉及一种氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂及其制备方法和应用。

背景技术

聚合物材料由于具有优异的综合性能而被广泛应用于机械、电子、建筑等领域，但同时其易燃的特性也给人们的生命财产带来了威胁，而阻燃剂则可有效降低材料的可燃性，防止火势的快速蔓延，降低聚合物的燃烧速度，因此，发展阻燃剂阻燃聚合物成为一种趋势。目前阻燃剂主要分为有机卤系、有机磷系和无机阻燃剂三大类。卤系阻燃剂阻燃效率高，用量少，对材料性能影响小且价格适中，但其在热裂解及燃烧过程中会产生大量有毒有腐蚀性的气体和烟尘，进而给居民及救护人员造成巨大的伤害。无机阻燃剂(如氢氧化铝)具有阻燃效率高、低烟、低毒、低腐蚀且价格低廉的特点，但由于其添加量较大(近50％的添加量才有效)，往往会导致材料的机械性能受到严重影响。有机P-N系阻燃剂则以其低毒、无卤等优点受到人们的青睐，而早期开发应用的有机P类阻燃剂多为磷酸酯类，此类产品多为液态，耐热性差，挥发性大，严重影响了其应用。综上所述，开发无卤、低毒、低烟、高性能的环保型阻燃剂是目前发展阻燃剂的主要方向。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂，该阻燃剂阻燃效率高、热稳定性好、环境友好、制备方法工艺简单；本发明同时还提供了上述阻燃剂的制备方法及应用。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

1、通式I-III所示的氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂：

式中，n≥0，n为整数，a₁代表氧化石墨烯片层平面结构，a₂代表有机膦酸锆片层平面结构。

优选的，所述通式I中n＝0或1。

2、氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：按有机膦酸与ZrOCl₂·8H₂O的重量比为1:1～1:1.4的比例，向质量分数为3.5～9％的有机膦酸溶液中加入ZrOCl₂·8H₂O，70～100℃下反应24～36h，获得中间体，将中间体用乙醇重结晶两次，并在50～70℃条件下真空干燥4～8h，然后加入质量分数为0.07～0.2％的氧化石墨烯水溶液和质量分数为10～30％的盐酸，再在80～100℃下反应3～5h，将所得产物过滤，蒸馏水洗涤3次，50～70℃下真空干燥即得。

优选的，所述有机膦酸的制备方法包括如下步骤：采用水作为反应溶剂，乙烯利作为起始原料，碘化钾为催化剂，冰水浴加入多胺化合物和质量分数为0.05～0.2％的NaOH溶液，15～20℃下反应100～120h，将产物蒸发结晶，并用乙醇重结晶，最后30～50℃下真空干燥4～9h即得；所述乙烯利(质量)：碘化钾(质量)：多胺(物质的量)＝1:0.05:0.03～1:0.13:0.1。

优选的，所述有机膦酸的制备包括如下步骤：按伯胺(物质的量)：盐酸(体积)：亚磷酸(物质的量)：甲醛(体积)＝1：0.125：1：0.15～1：0.7：8：0.7的比例先加入伯胺、质量分数为28％～35％的盐酸和亚磷酸，搅拌并加热至110～130℃，然后滴加质量分数为10～30％的甲醛水溶液，滴加完毕后，110～130℃回流反应1～2小时，冷却析出固体，过滤，水洗，50～70℃下真空干燥即得。

3、氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂在聚合物阻燃中的应用。

优选的，所述聚合物为聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂或聚乙烯醇。

本发明的有益效果在于：本发明采用碳、氮、磷多元素协同阻燃途径，增强了阻燃剂分子的可设计性，突破了单一阻燃剂的合成思路，所制备的氧化石墨烯有机膦酸锆异质耦合阻燃剂兼备有机、无机材料物理化学性能，综合了有机膦酸锆和氧化石墨烯最优异的阻燃特性，具体为：a)独特的纳米片层结构使其在塑料中分散性好，可增强塑料的界面作用力，从而显著提高塑料的力学性能；b)有机膦酸锆-氧化石墨烯在燃烧时不产生有毒气体，克服了卤系阻燃剂的缺点，同时防止熔滴的产生；c)阻燃剂在燃烧中产生大量的碳层和气体，有效地隔绝了空气和捕捉自由基，从而延缓聚丙烯燃烧；d)产品为固态且稳定性能较好，容易添加到塑料中进行加工，并且能够提高塑料的热稳定性能；e)集成产气、产碳、无机粒子阻燃元于分子整体中，能有效地产生耦合阻燃功能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：