[发明专利]一种电化学制备的功能化石墨烯阻燃剂及其应用

说明书

本发明公开了一种电化学制备的功能化石墨烯阻燃剂及其应用,属于阻燃复合材料技术领域。本发明以二乙烯三胺五甲叉磷酸钠的水溶液为电解质，以石墨片为阳极、铜棒为阴极，电解得到二乙烯三胺五甲叉磷酸钠修饰的低缺陷、少层的石墨烯，与铁源混合，得到功能化石墨烯阻燃剂。利用将本发明制备得到的功能化石墨烯阻燃剂与聚丙烯腈共混，得到石墨烯/聚丙烯腈纳米复合材料，显著提高聚丙烯腈材料的阻燃性能和热稳定性，且对材料的力学性能没有损坏影响，在汽车内饰、服装面料、篷布、窗帘和地毯等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于阻燃复合材料技术领域,具体涉及一种电化学制备的功能化石墨烯阻燃剂及其应用。

背景技术

聚丙烯腈材料外形上蓬松卷曲，弹性比较好，保暖性比羊毛要好；耐晒性能优良，耐酸，耐氧化剂；广泛应用于汽车内饰、服装面料、篷布、窗帘、地毯等领域。但是聚丙烯腈材料的极限氧指数仅为17％,属易燃纤维,并且在燃烧过程中会释放出毒性较大的氰化物等,此缺点在一定程度上限制了其应用。

近些年来，研究高耐热性的石墨烯和石墨烯衍生物阻燃聚合物材料，提升材料的防火性能，成为研究的热点。石墨烯作为一种重要的二维碳材料，由于具有高稳定、强阻隔、大表面吸附等特性可有效减少材料燃烧过程的传热和传质。当添加有石墨烯基的聚合物阻燃材料遇到高温或者明火，一方面，因石墨烯片层结构是紧密且连续的，它能够阻止氧气进入材料的深处。另外，石墨烯优异的导热性，能够使材料的局部过高的热量可以被迅速传导到材料的其余部分，使得热量得以良好的分散，从而火势不易传播扩散。另一方面石墨烯具有极高的比表面积能够吸附在燃烧过程中产生的有机挥发物，并阻止其在燃烧过程中的释放和扩散。因此，这种独特的二维碳原子片层结构可以作为一种良好的阻燃剂来改善聚合物材料的阻燃性能。

目前功能化石墨烯阻燃剂的制备方法主要有：(1)阻燃剂非共价修饰氧化石墨烯。如:专利CN201510689007.3，公开了氧化钼纳米负载石墨烯阻燃材料的制备方法，将氧化石墨烯与钼酸胺按一定的质量比混合先进行球磨，然后在氮气保护下从100℃升温到150℃并保温一段时间，最终得到氧化钼纳米负载石墨烯阻燃材料，然而该方法所用的氧化石墨烯是通过改进的Hummer法制备的，所得的石墨烯缺陷比较多，不能完全还原且反应过程中用到很多的强酸，强氧化剂和还原剂不符合绿色生产的要求。(2)阻燃剂共价改性氧化石墨烯。如:专利CN201810290541.0，公开了将阻燃剂DOPO接枝到氧化石墨烯，然后将所得的阻燃剂改性的石墨烯和聚乳酸通过熔融共混后模压成型，得到功能化石墨烯阻燃剂增强的聚乳酸复合材料。该复合材料呈现出良好的阻燃性能和热稳定性。可是该方法制备的功能化石墨烯阻燃剂，一方面所用的氧化石墨烯是采用改进的Hummer法制备的，所得的石墨烯缺陷比较多，不能完全还原且反应过程中用到很多的强酸，强氧化剂和还原剂；另一方面是在有机溶剂的体系里对氧化石墨烯进行共价改性这两个方面都不符合绿色生产的要求。此外，目前石墨烯的引入虽然一定程度上回提高材料的阻燃性能，但是不同材料基底不同，力学性能的影响因素各异，如何使的阻燃性能与力学性能兼得是需要重点突破的技术壁垒。因此，开发一种方法简单、低缺陷、无污染、不破坏复合材料的力学性能的阻燃剂功能化石墨烯是有迫切市场需求的。

发明内容

本发明通过电化学法在阻燃剂水溶液中阳极电解剥离石墨纸制备低缺陷、少层的的阻燃剂功能化石墨烯，方法简单环保易操作；然后将功能化石墨烯阻燃剂与聚丙烯腈采用溶液共混法制备聚丙烯腈/石墨烯纳米复合材料，探究复合材料的热稳定性、热释放性能和力学性能。

本发明的首要目的在于提供一种功能化石墨烯阻燃剂的制备方法，所述方法包括：

(1)利用二乙烯三胺五甲叉磷酸钠的水溶液作为电解质，石墨片为阳极，金属棒为阴极，电解即得二乙烯三胺五甲叉磷酸钠修饰的石墨烯；

(2)将步骤(1)中得到的二乙烯三胺五甲叉磷酸钠修饰的石墨烯与铁源混合，即得功能化石墨烯阻燃剂。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中电解的电压为5-15V。