无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂及其制备方法与流程

本发明涉及一种无卤复配型阻燃剂，尤其是涉及无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵进行复配得到的复配型阻燃剂及其制备方法，该阻燃剂主要用于高分子材料的阻燃。

背景技术

大多数高分子材料都是易燃的，添加阻燃剂对高分子材料进行阻燃处理，可以阻止高分子材料燃烧或者延缓火势的蔓延。目前我国使用的阻燃剂主要以有机卤系阻燃剂为主，尽管它与有机高分子材料相容性好、阻燃效果好、添加用量很少，对材料的机械性能影响较小等特点，但有机卤系阻燃剂存在着在燃烧过程中的发烟量较大、且释放出有毒性、腐蚀性卤化氢气体的缺点。

与有机阻燃剂不同，无卤无机阻燃剂具有无卤、低烟、低毒、无腐蚀性气体等优点，但目前广泛使用的无卤无机阻燃剂均存在着使用添加量大、与高分子基材亲和力差、对高分子材料的加工工艺性和机械性能影响较大等缺点。因此，开发新型高效的无卤无机高分子阻燃材料已经成为发展重点。

中国发明专利申请cn103304846a公开了一种聚磷酸铵与氢氧化铝纳米复合物及其制备方法；其方法是在t1温度下，将五氧化二磷、磷酸氢二铵和尿素，或五氧化二磷与磷酸氢二铵，或五氧化二磷与磷酸二氢铵，或磷酸氢二铵与尿素，或磷酸二氢铵与尿素，或磷酸与尿素加入反应釜，对反应釜进行后加热；当在t1至350℃下时加入氢氧化铝，t1的温度为室温至250℃；当升温至150‐300℃时，开始向体系中通入氨气，氨压维持在常压至0.5兆帕，当反应温度升温至250‐350℃时，保持温度不变，继续通入氨气30‐200min；最后降温到200℃以下，得到聚磷酸铵与氢氧化铝的纳米复合物；在反应过程中，对体系进行搅拌、粉碎或研磨。但该技术加入的氢氧化铝不是纳米级的粉体，只是最后对得到的聚磷酸铵与氢氧化铝的复合物进行搅拌、粉碎或研磨，得到的不是纳米级物料。

中国发明专利申请cn101348721公开了一种聚磷酸铵与蒙脱土纳米复合物及其制备方法：该纳米复合物制备方法是在常规制备聚磷酸铵过程的初期加入蒙脱土，升温至150℃‐300℃时，通入氨气，升温至300‐350℃时保温，继续氨化30‐200分钟，得到聚磷酸铵和其与蒙脱土的纳米复合物。但是该技术在常规制备聚磷酸铵的反应过程初期加入蒙脱土，并未对蒙脱土进行纳米分散处理，没有解决粉体的团聚问题，该技术达不到纳米级复合物。

中国发明专利申请cn106832414a公开了一种纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵的制备方法：包括以下步骤：1)在捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵，搅拌均匀后升温通氨，在180‐320℃下反应0.5‐‐5h后加入纳米二氧化硅，继续通氨于180‐320℃下反应0.5‐‐5h，得到纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵粗产物；2)将纳米二氧化硅改性多聚磷酸按粗产物加入捏合机，在搅拌条件下喷洒烷基硅氧烷，于80‐180℃下反应0.5‐3h，即得纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵，纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵为白色粉末。该技术在制备聚磷酸铵的反应过程加入二氧化硅粉体，并未对二氧化硅团聚的粉体进行纳米化分散处理，从发明中实施例的表1中看到，得到的二氧化硅改性多聚磷酸铵的粒径为17μm(即17000nm)，该技术得不到纳米级复合物。

上述的现有技术使用的无机阻燃剂颗粒一般在微米级以上，阻燃填充量大，阻燃效率不高，所引起的加工工艺及产品性能的问题都比较严重。另外其加工方法或制备方法无法对无机纳米材料在阻燃剂中形成真正分散的效果。众所周知，纳米材料的团聚现象是无机纳米分散状况中的一个最棘手的问题，要使纳米材料粒径达到100nm以下且不出现团聚现象，上述现有技术没有对无机纳米材料进行纳米分散的措施，无机纳米材料如果是固态粉体状态，会由于材料分子之间的相互吸引到导致团聚现象严重。就目前纳米材料的分散技术而言，即使对固态粉体进行表面处理，也很难实现固态纳米材料不发生团聚现象，最终纳米材料会因团聚而丧失纳米特性。

刘国胜，吴娜，郝建薇等在论文改性聚磷酸铵/海泡石协同膨胀阻燃聚丙烯应用研究；(阻燃材料与技术，2008年第6期)介绍添加纳米材料后使高分子纳米材料的力学性能和阻燃性能显著改善，高模量、较强的阻隔作用、较高热稳定性、较好的力学性能等显著特征。但该文所介绍的是通过使用球磨机将阻燃剂、海泡石、其他助剂按比例混合研磨，得到的粉料，从这种通过球磨机进行研磨粉末的技术是一种普通常用的矿石粉体研磨技术，对粉体经研磨后是达不到粉体的纳米状态，尤其是粉体研磨后粉体会迅速重新团聚，失去纳米材料性能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服无机纳米材料在无卤无机阻燃剂中的团聚现象，提供一种纳米材料分散性良好、工艺简单、制备成本低的无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配阻燃剂复合物及其制备方法，本发明所制备的无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂与高分子材料基材的相容性好，且添加使用量少。

本发明主要措施在于：1)通过将纳米材料制备为水性溶液，尤其是采用分散剂和隔离剂对纳米颗粒进行包覆隔离，有效克服了纳米颗粒的团聚问题；2)本发明将水性溶液进行干燥处理，使去离子水蒸发，而隔离剂等有效成分依然包覆在纳米材料颗粒上，这使制备出的纳米阻燃剂能长期保持纳米尺寸和相应的纳米材料性能。3)本发明利用水溶液的方式将纳米高聚合度聚磷酸铵与无机纳米阻燃剂进行在纳米层次复配，改善无机阻燃剂和高分子材料基体之间的相容性，并达到减小阻燃剂用量和提高阻燃性能的目的。

传统无机阻燃剂一般可分为三种机理，即隔离层机理、吸热机理和稀释机理。本发明所提出的无机纳米阻燃剂与高聚合度聚磷酸铵协同阻燃机理在于无机纳米粒子不仅有着以上传统阻燃剂的各项阻燃机理，同时由于纳米粒子独特的尺寸以及表面活性。

本发明的技术方案实现方式如下：

无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂的制备方法，包括步骤如下：

1)a组分高聚合度聚磷酸铵纳米分散液的制备：将去离子水和水性分散剂进行高速混合，再加入高聚合度聚磷酸铵继续高速混合2‐4小时，再通过高压射流碰撞分散设备对混合物进行强烈破碎分散2‐4小时，射流碰撞压力为100‐200pma，将团聚的高聚合度聚磷酸铵粉末进行解聚并分散为纳米悬浮液；以质量份数计，该步骤原料用量为：20‐30份高聚合度聚磷酸铵、60‐70份去离子水、5‐15份水性分散剂；

2)b组分无机阻燃剂纳米分散液的制备：去离子水、水性偶联剂与水性分散剂进行高速混合，再加入无机阻燃剂继续混合2‐4小时，再通过高压射流碰撞分散设备强烈破碎分散2‐4小时，射流碰撞压力为100‐200pma，将团聚的无机阻燃剂粉末进行解聚并分散为纳米悬浮液；以质量份数计，该步骤原料用量为：20‐30份无机阻燃剂、60‐70份去离子水、5‐15份水性分散剂和1‐5份水性偶联剂；

3)将a组分、b组分和隔离分散剂按质量比1：0.5‐1.5：0.5‐1.5在乳化机上进行乳化，制得悬浮纳米分散乳液，控制粒径90％通过率为80‐110nm；

4)将配制好的悬浮纳米分散乳液干燥，得无机纳米与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂；

所述的隔离分散剂为聚乙烯醇、eva(乙烯－乙酸乙烯(醋酸乙烯)酯共聚物)、增塑剂或水性硅油；

步骤2)所述的水性偶联剂都为水溶性硅烷偶联剂、水溶性钛酸酯偶联剂或水溶性铝酸酯偶联剂；

步骤1)和步骤2)所述的水性分散剂为分散剂disperbyk‐180、分散剂byk‐154、分散剂disperbyk‐193、涂易乐ds‐171、涂易乐ds‐191、涂易乐ds‐194、分散剂sn‐5040、分散剂tego740w、分散剂efka‐4530或分散剂efka6230。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的高聚合度聚磷酸铵为聚合度n＞1000的带支链的app结晶相ⅱ聚磷酸铵(appⅱ)。

优选地，所述的无机阻燃剂为氢氧化铝阻燃剂(ath)、氢氧化镁阻燃剂(mdh)、红磷阻燃剂、硼酸锌、氧化锑、钼化合物、层状硅酸盐和无水碳酸镁中的一种或多种。

优选地，步骤1)和步骤2)所述高速混合的转速为1000‐3000转/分。

优选地，所述的干燥温度为40‐120℃，干燥的时间为5‐20h。

优选地，所述的高压射流碰撞分散设备型号为mn‐200k，最高处理压力为200mpa。

优选地，所述的增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯，邻苯二甲酸二异辛酯，环氧大豆油，乙酰柠檬酸三丁酯(atbc)。

优选地，所述的水性硅油为水性硅油ts‐8311、聚醚改性硅氧烷si‐204或氨基硅油c910。

一种无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂，由上述的制备方法制得，该无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配后，复配型阻燃剂包含的粒径90％通过率(d90)在80‐110nm，不溶于水；具有高效阻燃，环境友好，添加量少，机械性能影响小等优良特点。最突出的特征是燃烧时的生烟量极低，不产生氯化氢。

相对于现有技术，本发明具有如下特点：

1)本发明特点是采用水溶液分散的方法，利用高压射流碰撞分散设备分别对聚磷酸铵和无机阻燃剂进行纳米化处理，得到复合纳米分散阻燃剂。

2)本发明利用无机纳米微粒所具有的量子尺寸效应、高比表面积效应等来增强阻燃剂与高分子材料之间的界面作用，改善无机阻燃剂和高分子材料基体之间的相容性，并达到减小阻燃剂用量和提高阻燃性能的目的。纳米粉体的高能、超细和高活性对其粉体应用性能有很大的影响。随着无机纳米阻燃剂颗粒粒径的减小和阻燃剂添加量的减少，无机阻燃剂对高分子材料性能的影响明显减小；且无机纳米颗粒作为阻燃剂填充物经充分均匀分散后，不但使得阻燃剂的用量减少，而且对高分子材料的抗冲击性能和阻燃性能也有所改善。纳米材料的均匀分散增强了无机阻燃剂与高分子材料基体界面之间的相互作用，使无机阻燃剂可以更均匀的分散在高分子材料基体中，起到以刚性纳米粒子对高分子材料进行增塑增强的作用，所以最终的高分子材料制品的机械性能会得到较大程度的提高。

3)本发明利用纳米高聚合度聚磷酸铵与无机纳米阻燃剂进行复配，制备一种纳米阻燃剂复合物，具有分散性好的特点，经纳米粒经分析仪测量，粒子分散粒径分布大部分在100nm以下。

4)本发明阻燃剂具有无卤、无毒、低烟等优点，阻燃效率高，阻燃剂添加量少的特点；本发明阻燃剂的添加量5‐10％，而一般方法的阻燃剂添加量为20‐40％；且发明的阻燃级别可达ul‐94v‐0级，极限氧指数可达38％以上，且与高分子材料基材亲和力好；

4)本发明阻燃剂制备工艺简单，操作方便可靠，安全环保，制造成本低。

附图说明

图1是实施例1所制备的悬浮状纳米分散乳液粒径测试分布图。

图2是实施例2所制备的悬浮状纳米分散乳液粒径测试分布图。

图3是实施例3所制备的悬浮状纳米分散乳液粒径测试分布图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

本发明涉及的高聚合度ⅱ型聚磷酸铵app101，聚合度大于1000，为无机直链大分子聚合物，该产品p、n含量高，热稳定和化学稳定性好，产品接近中性，水溶性和吸湿性小，无毒，在应用过程中与基材、助剂配合性好，不挥发、不产生腐蚀性气体，安全可靠。其性能指标如下：

实施例1

一种无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)高聚合度聚磷酸铵纳米分散液简称a组分，以质量份数计，原料配方组成为：

高聚合度ⅱ型聚磷酸铵app10120份

去离子水70份

水性分散剂disperbyk‐1805份

制备时，首先把去离子水与水性分散剂进行高速混合，再加入高聚合度聚磷酸铵继续混合2小时，高速混合时的转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备(型号为mn‐200k)对该混合物进行分散3小时，射流碰撞压力取100pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(2)无机阻燃剂纳米分散液简称b组分，以质量份数计，原料配方组成为：

制备时，首先把去离子水与水性分散剂和水性偶联剂进行高速混合，再加入无机阻燃剂继续混合2小时，高速混合转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备(型号为mn‐200k)对该混合物进行破碎分散3小时，射流碰撞压力取150pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(3)将制得的a组分、b组分和聚乙烯醇(隔离分散剂)按质量比1：1：1混合，放入乳化机中进行乳化处理，制得悬浮状纳米分散乳液，其粒径90％通过率(d90)达到105nm，如图1所示。粒径测试是使用激光粒径仪测量(horibalaserscatteringparticlesizedistributionanalyzer)，从图1的粒径分布图看出，粒径分布大部分落在100nm以下，d90为0.105μm(即105nm)。

(4)将制得的悬浮纳米分散乳液置入干燥机中，在100℃条件下干燥5h，制得无机纳米材料(氢氧化铝)与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂。

实施例2

一种无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)以质量份数计，按照如下原料配方制备高聚合度聚磷酸铵纳米分散液(a组分)：

高聚合度ⅱ型聚磷酸铵app10125份

去离子水65份

水性分散剂涂易乐ds‐1715份

制备时，首先把去离子水与水性分散剂进行高速混合，再加入高聚合度聚磷酸铵继续混合2小时，高速混合时的转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备(型号为mn‐200k)对该混合物进行分散3.5小时，射流碰撞压力取160pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(2)以质量份数计，按照如下原料配方制备无机阻燃剂纳米分散液(b组分)：

制备时，首先把去离子水与水性分散剂和水性偶联剂进行高速混合，再加入无机阻燃剂继续混合2小时，高速混合转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备(型号为mn‐200k)对该混合物进行破碎分散4小时，射流碰撞压力取150pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(3)将制得的组分a组分、b组分和eva(隔离分散剂)按质量比1：1：1混合，放入乳化机中进行乳化处理，制得悬浮状纳米分散乳液，其粒径90％通过率(d90)达到98nm。如图2所示。粒径测试是使用激光粒径仪测量(horibalaserscatteringparticlesizedistributionanalyzer)，从图2的粒径分布图看出，粒径分布大部分落在100nm以下，d90为0.98μm(即98nm)。

(4)将制得的悬浮纳米分散乳液置入干燥机中，在100℃条件下干燥5h，制得无机纳米材料(氢氧化镁)与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂。

实施例3

一种无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂的制备方法，包括步骤如下：

(1)以质量份数计，按照如下原料配方制备高聚合度聚磷酸铵纳米分散液(a组分)：

高聚合度ⅱ型聚磷酸铵app10130份

去离子水55份

水性分散剂(分散剂efka‐4530)7份

制备时，首先把去离子水与水性分散剂进行高速混合，再加入高聚合度聚磷酸铵继续混合2小时，高速混合时的转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备，型号为mn‐200k，对该混合物进行分散2小时，射流碰撞压力取150pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(2)以质量份数计，按照如下原料配方制备无机阻燃剂纳米分散液(b组分)：

制备时，首先把去离子水与水性分散剂和水性偶联剂进行高速混合，再加入无机阻燃剂继续混合3小时，高速混合转速为1500转/分；再通过高压射流碰撞分散设备，型号为mn‐200k，对该混合物进行破碎分散3小时，射流碰撞压力取180pma，使该混合物分散为纳米悬浮液。

(3)将制得的a组分、b组分和乙酰柠檬酸三丁酯(隔离分散剂)按质量比1：1：1混合，放入乳化机中进行乳化处理，制得悬浮状纳米分散乳液，其粒径90％通过率(d90)达到108nm。如图3所示。粒径测试是使用激光粒径仪测量(horibalaserscatteringparticlesizedistributionanalyzer)，从图3的粒径分布图看出，粒径分布大部分落在100nm以下，d90为0.108μm(即108nm)。

(4)将制得的悬浮纳米分散乳液置入干燥机中，在100℃条件下干燥5h，制得无机纳米材料(硼酸锌)与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂。

对比例

对比例为中国发明专利申请cn106832414a的实施例1；该申请公开的一种纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵原料配方如下:

中国发明专利申请cn106832414a实施例1中：纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵的制备方法为：

1)在捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵，搅拌均匀后升温通氨，以每100公斤反应物计，通氨量为1m³/h，在180℃下反应5h后加入为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量0.02％、粒径为5nm的纳米二氧化硅，继续通氨于180℃下反应5h，以每100公斤反应物计，通氨量为0.1m³/h，得到白色固体粉末即为纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵粗产物；

2)将纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵粗产物加入捏合机，在转速为60转/分钟的搅拌条件下喷洒为纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵粗产物质量0.5％的γ‐氨丙基三乙氧基硅烷，于80℃下反应0.5h，即得纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵。从中可以看出，制备方法没有叙述对二氧化硅的纳米化处理，其发明专利中的制备方法是得不到纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵。

本发明实施例1‐3制备的阻燃剂与对比例制备的阻燃剂性能对比如表1所示，所采用的基材为聚丙烯；基材按质量比例5％，8％，10％加入本发明实施例1‐3制备的无机纳米材料与高聚合度聚磷酸铵复配型阻燃剂，测试其阻燃性能。表1中燃烧等级、极限氧指数、拉伸强度、冲击强度的测试方法与依据：

氧指数:gb2406.2‐2008；

垂直燃烧:gb2408‐2008；

拉伸强度:gb1040‐2006；

简支梁缺口冲击强度：gb1843‐2008。

由表1可明显看出，对比例的复合阻燃剂的粒径在17μm，加入20％的复合阻燃剂才能达到阻燃效果，氧指数为32％。本发明的实施例中，利用无机纳米阻燃剂与高聚合度聚磷酸铵协同阻燃效应，兼顾无机纳米阻燃剂和高聚合度聚磷酸铵两者的特点，制备复配型阻燃剂的粒径在100nm左右，平均粒径大幅降低，阻燃剂在高分子基体材料中的添加量明显减少，高分子材料阻燃性能的燃烧等级达到ul‐94v‐0，极限氧指数38％以上。机械强度(拉伸强度和冲击强度)均有提高。

表1实施例与对比例的性能比较

现有技术无卤无机阻燃剂与高分子材料基体之间的相容性差，且对高分子材料机械性能的负面影响较大，导致工程实际中难以广泛应用。而且目前广泛使用的无机阻燃剂，其颗粒粒径一般在微米级以上，无机阻燃剂在高分子材料中的填充量大、阻燃效率不高，且由其所引起的高分子材料的加工工艺及产品性能等问题都比较严重。本发明无机纳米阻燃剂是由颗粒粒径为100nm以下的超细阻燃粒子组成，只需要在高分子材料基体中添加极少量的这种无机纳米阻燃剂，即可显著降低高分子材料的阻燃性能，而且这种无机纳米阻燃剂的加入还可使高分子材料的机械性能提高。因此无机纳米技术在传统的高分子材料阻燃剂中的应用为阻燃技术开辟了一个新的领域。

本发明将无机纳米阻燃剂与高聚合度聚磷酸铵复合，利用无机纳米阻燃剂与高聚合度聚磷酸铵协同阻燃效应，兼顾无机纳米阻燃剂和高聚合度聚磷酸铵两者的特点，既能改善高分子材料的阻燃性能，又能使其机械性能得到大幅的提高。具体体现在如下几方面：

本发明利用无机纳米微粒本身所具有的量子尺寸效应、高比表面积效应等来增强界面作用，改善无机物和高分子材料基体的相容性，可达到减小阻燃剂用量并提高阻燃性能的目的。上述实施例和对比例证明无机纳米粉体的高能和高活性对其应用性能有很大的影响。

随着无机纳米材料粒径的减小和阻燃剂添加量的减少，本发明含有无机纳米材料的无卤阻燃剂对高分子材料性能从负面影响变为正面影响；因为无机材料的纳米分散化增强了阻燃剂与高分子材料基体界面的相互作用，使阻燃剂可以更均匀的分散在高分子材料基体中，如表1所示，这种无机纳米材料的刚性粒子可对高分子材料基体起着增塑增强的作用，使得高分子材料的机械性能和阻燃性能大幅提高。

上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明权利要求的保护范围之内。