[发明专利]一种含多种阴离子插层Ca基三元水滑石抑烟膨胀型阻燃剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含多种阴离子插层Ca基三元水滑石抑烟膨胀型阻燃剂及其制备方法。该膨胀型阻燃剂由70～99wt％膨胀阻燃剂和30～1wt％含有不同无机、有机阴离子插层的Ca基三元水滑石组成。本发明利用Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺等阳离子对水滑石进行阳离子替换改性，用碳酸根、硼酸根、十二烷基硫酸根等阴离子对水滑石进行层间插层改性以扩大层间距，提高水滑石阻燃剂的阻燃性能，并将其与膨胀阻燃剂复配形成协同阻燃体系，有效提高复配阻燃剂的阻燃性能，同时还协同保证了加入阻燃剂后的高分子材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及可应用于高分子材料的水滑石合成改性，以及改性水滑石与膨胀阻燃剂复配形成协同阻燃体系，属于有机合成和阻燃材料技术领域。尤其公开了一种含有不同无机、有机阴离子插层Ca基三元水滑石抑烟添加剂的膨胀型阻燃剂及其制备方法。

背景技术

目前，高分子材料在阻燃行业运用的过程中，主要采用添加型方法，很少采用反应型方法，因此添加剂在阻燃材料中的使用更加广泛，甚至决定了阻燃材料性能的好坏。到目前为止，阻燃聚合物材料研究的重点依然是对添加剂的研究问题，好的添加剂犹如化学反应的酶，能够加快化学反应速率。由于高分子材料遇到明火点燃之后，会发生剧烈的氧化反应，在燃烧的过程中，会释放很多的羟基，由于羟基非常活泼，且和其他的物质很容易结合，结合之后出现的产物是水和其他的有机物。而其他的有机物和氧气进一步的结合会发生进一步的分解反应，又会形成新的有机物，在这种循环反应中，燃烧会一直持续，以上就是高分子阻燃剂阻燃过程。

随着材料应用领域的不断拓展，对其阻燃技术的研究将越来越得到人们的关注。由于膨胀型阻燃剂具有优良的阻燃性能，且在燃烧时不会产生二次污染，未来将在塑料阻燃领域得到越来越广泛的应用。今后应该通过聚合物分子设计，并结合表面改性、超细化、微胶囊化等技术，拓展膨胀型阻燃剂原料来源，进一步提高它与塑料复合材料的阻燃性能。此外，还应该积极研究开发膨胀型阻燃剂与其他助剂的协效阻燃或者复配阻燃性能，以降低生产成本，扩大应用领域。

膨胀阻燃剂(IFR)主要由三个部分组成，分别是酸源(如聚磷酸铵，简称APP等)、炭源(如PER等)和气源(如三聚氰胺等)，是目前最为热门的阻燃体系之一，具有无卤、高效、低毒等优点，应用领域十分广泛。无卤膨胀阻燃剂的缺点之一是添加量比较大，传统IFR体系的添加量都在30％以上。对于高分子材料来说，高添加量就意味着力学性能的损失，另外材料的流动性、光泽等一系列性能也会受到影响。添加IFR协效剂，提高IFR的阻燃效率，降低其添加量，是解决上述问题的一个很有效措施。

为降低膨胀阻燃剂添加量对聚合物造成的影响，选择添加具有特殊结构的(多孔结构、层状结构等等)的协效剂，再与膨胀阻燃剂进行复配，进一步提高阻燃效率。水滑石(LDHs，又称层状双金属氢氧化物)是无机阻燃剂的一种，同时兼具有氢氧化铝和氢氧化镁类似的结构和组成，自身还具有特殊的层状结构、层间离子的可交换性、记忆效应以及热稳定性等特点。LDHs作为阻燃剂添加到高分子材料中，受热后会分解释放出大量水和二氧化碳，并吸收大量热，导致材料的热分解和燃烧速率降低，能有效提高材料的阻燃性、热稳定性以及抑烟性能。合成水滑石由于组成特殊，从组成上可知，兼具氢氧化镁和氢氧化铝阻燃的优点。合成水滑石阻燃主要通过气相阻燃和凝聚相阻燃两种方式。气相阻燃是燃烧时，水滑石在降解初期先释放层间的结合水和CO₂，起到稀释氧气和降低聚合物表面温度的作用；随着温度的升高，合成水滑石板层金属氢氧化物发生脱水反应，吸收热量并释放水分，进一步起到阻燃作用。凝聚相阻燃是合成水滑石板层的金属氢氧化物在燃烧降解过程中，与聚合物发生特殊的催化反应，在复合材料表面形成致密的碳层，隔绝外部的热量和氧气渗透到聚合物的内部，同时减缓聚合物在热降解时的质量损失速率。合成水滑石受热分解后，其内部形成高分散的大比表面积固体碱，对燃烧产生的酸性气体具有较好的吸附作用，从而起到抑烟作用。

作为无机添加阻燃剂，LDHs存在添加量大、与材料相容性差、阻燃效率差等问题；同时，LDHs中镁的化学性质活泼，非常容易氧化、燃烧，这严重地阻碍了LDHs的大规模应用。