[发明专利]一种含碳材料的硅杂化复合阻燃剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种含碳材料的硅杂化复合阻燃剂及其制备方法和应用，属于阻燃剂技术领域。本发明将碳材料、改性硅烷、催化剂和有机溶剂混合进行表面改性反应，得到改性碳材料溶液；然后加入阻燃硅烷、溶胶催化剂和水混合进行溶胶凝胶反应，得到含碳材料的硅杂化复合阻燃剂。本发明得到的含碳材料的硅杂化复合阻燃剂在高分子材料中具有良好的分散性，能够大幅提升碳材料与高聚物基体的界面相互作用，进而提升阻燃剂的阻燃效率。本发明制备的含多壁碳纳米管、单壁碳纳米管以及C₆₀的硅杂化阻燃剂在环氧树脂中具有良好的分散性能，大幅度提高了环氧树脂的阻燃性能，测试阻燃性能达到了UL94标准的V0级别，氧指数可达30以上。

技术领域

本发明属于阻燃剂技术领域，具体涉及一种含碳材料的硅杂化复合阻燃剂及其制备方法和应用。

背景技术

高分子材料被广泛应用于我们生活的各个领域，塑料、橡胶、纤维、涂料和胶粘剂等高分子材料都在世界各地需求量很大。尽管高分子材料相对于传统材料有很多优势，但是这些高分子材料大多是易燃材料，易酿成火灾造成严重的生命财产损失。因此，高分子材料的阻燃性能至关重要。

阻燃型高分子材料也称耐燃性高分子材料，指遇火焰不燃烧，或者不易燃烧，离开火焰后很快熄灭的高分子材料。目前，在制备阻燃型高分子材料时加入的阻燃剂主要有无机盐、含卤化物和磷元素的有机化合物以及聚苯并咪唑类化合物三大类；其中无机盐起到的作用是吸收热量，阻碍火焰传播，含卤化物和磷元素的有机化合物主要作用是捕获燃烧反应需要的自由基，聚苯并咪唑类化合物能够在燃烧时发生碳化，形成碳化层，从而阻止火焰传播。

但是由于用量最为广泛的含卤化物和磷元素的有机化合物阻燃剂非常容易对环境造成污染，逐渐被含硅的有机无机杂化阻燃剂所取代，人们对此进行了大量的研究，例如，文献(《硅系阻燃剂阻燃PC及PC/ABS复合材料研究进展》，高烽等，工程塑料应用，2013第41卷第5期)中记载了多种新型硅系阻燃剂，通过共聚、接枝以及交联反应或者与磷氮类阻燃剂复配，对聚有机硅氧烷进行分子结构的修饰和改性，成为现有阻燃剂发展的趋势。

因为硅物质能与高分子材料中的高聚物基体作用，并且硅物质能在加热过程中向聚合物表面迁移，从而形成表面富含硅的坚固炭层，能够起到高效阻燃的目的；且连接有机相与无机相的化学键为-Si-C-键，所以-Si-C-键是连接有机相与无机相的桥梁，这就使得阻燃型高分子材料中的硅系阻燃剂的分散状况对高分子材料的阻燃性能至关重要。但是通常情况下碳纳米管等碳材料在高聚物中的分散效果较差，导致掺杂有碳材料的硅系阻燃剂在高分子材料中的分散效果也变得较差。因此，将碳材料与硅系阻燃剂有效复合具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含碳材料的硅杂化复合阻燃剂及其制备方法和应用，本发明提供的含碳材料的硅杂化复合阻燃剂在高分子材料中的分散性良好，能够令高分子材料的阻燃性能得到提高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳材料的硅杂化复合阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳材料、改性硅烷、催化剂和有机溶剂混合进行表面改性反应，得到改性碳材料溶液；

(2)将所述改性碳材料溶液与阻燃硅烷、溶胶催化剂和水混合进行溶胶凝胶反应，得到含碳材料的硅杂化复合阻燃剂。

优选的，所述步骤(1)中碳材料包括C₆₀、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种；所述碳材料、改性硅烷、阻燃硅烷和水的质量比为1∶0.1～1∶5～10∶2～10。

优选的，所述步骤(1)中改性硅烷包括3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、甲基-(3-异氰酸丙基)二甲基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷和3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷中的一种或几种。