專利名稱：一種阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及阻燃高分子材料及其制備方法，具體涉及一種阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
1976年，F(xiàn)ujiwara等首次提出尼龍6/粘土納米復(fù)合材料具有阻燃性能，此后阻燃聚合物/納米復(fù)合材料的制備與研究日趨活躍。隨著納米技術(shù)和納米復(fù)合材料研究的深 入，聚合物納米復(fù)合材料的阻燃性能引起了廣泛的關(guān)注。作為一種新型的“綠色環(huán)?！弊枞疾牧?，與傳統(tǒng)填充聚合物相比，具有用量少、成本低、阻燃效能高、發(fā)煙量少等優(yōu)點，因此該類阻燃材料受到了人們廣泛重視。目前國內(nèi)外對于聚合物納米復(fù)合材料阻燃性能的研究較多，常用的納米顆粒主要有層狀硅酸鹽(如蒙脫土、粘土)、層狀氫氧化物、碳納米材料(如富勒烯、碳納米管)等。作為一種二維片層結(jié)構(gòu)碳納米材料，石墨烯具有阻隔作用使之在阻燃改性聚合物方面占有很大的優(yōu)勢。為了進(jìn)一步提高聚合物納米復(fù)合材料的阻燃性能，納米顆粒與膨脹型阻燃劑復(fù)配應(yīng)用于阻燃高分子材料的制備。例如納米顆粒與膨脹型阻燃劑(如聚磷酸銨、三聚氰胺等)共同改性聚丙烯、尼龍6、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂等，發(fā)現(xiàn)在聚合物納米復(fù)合材料中添加膨脹型阻燃劑在不降低阻燃級別的情況下，阻燃劑的用量(與純高聚物相比)明顯減少，可見膨脹型阻燃劑和納米顆粒具有協(xié)同阻燃作用。阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料為解決上述阻燃改性高分子材料存在的問題提供了一種新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的首要技術(shù)問題在于提供一種具有阻燃性的聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。發(fā)明所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，其組成中含有膨脹型阻燃劑、石墨烯和碳納米管。所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，其組成中膨脹型阻燃劑含有季戊四醇、聚磷酸、聚磷酸銨、聚磷酸三聚氰胺和三聚氰胺。本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題在于提供一種上述阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法。所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟(I)石墨烯、碳納米管和聚丙烯通過溶液混合方法制備含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料。(2)膨脹型阻燃劑、含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料以及聚丙烯通過熔融共混方法制備阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。
下面分別對上述步驟(I) 步驟(2)進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明步驟(I)所述的制備方法具體可按照如下進(jìn)行石墨烯、碳納米管和聚丙烯，在溶劑存在的條件下，在溶劑的回流溫度下攪拌4 8小時，蒸出溶劑后得含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料。所述的溶劑選自下述之一甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯。所述溶劑的體積用量以聚丙烯的質(zhì)量計推薦為20 100ml/g。所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料，石墨烯在聚丙烯母料中的重量百分含量為10 25，碳納米管在聚丙烯母料中的重量百分含量為10 25，聚合物基體在聚丙烯母料中的重量百分含量為50 80。本發(fā)明步驟(2)所述的制備方法具體可按照如下進(jìn)行所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料、膨脹型阻燃劑和聚丙烯先通過高速分散機(jī)預(yù)分散，再通過螺桿擠出機(jī)于180 230°C溫度下擠出造粒，得阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為O.1 5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為O.1 5，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5 30，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為60 94. 8。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在如下幾方面本發(fā)明所述的阻燃納米復(fù)合材料不含鹵素、阻燃效果好、適用范圍廣、符合環(huán)保要求；該阻燃納米復(fù)合材料的制備操作簡便，原料易得，易于工業(yè)化。該阻燃納米復(fù)合材料主要通過機(jī)械共混獲得，降低阻燃材料制備成本；本發(fā)明所述的阻燃納米復(fù)合材料采用非鹵體系，從而減少了材料燃燒過程中的“二次危害”;本發(fā)明所述的阻燃納米復(fù)合材料利用膨脹型阻燃劑、石墨烯與碳納米管三者協(xié)同阻燃作用，提高對高分子材料的阻燃效果，減少阻燃劑在高分子材料的使用量，降低阻燃材料的成本。
具體實施方式
以下以具體實施例來說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此 實施例1:含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備石墨粉末通過改進(jìn)的Hrnnmer方法制得氧化石墨烯，氧化石墨烯經(jīng)水合肼還原后制得石墨烯。在裝有機(jī)械攪拌、溫度計、回流冷凝管IOL反應(yīng)爸中,加入50g石墨烯、50g碳納米管和8L甲苯，攪拌均勻后超聲30分鐘，再加入400g聚丙烯，升溫回流溫度攪拌8小時，減壓蒸出甲苯得含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料
實施例2含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備操作同實施例1。溶劑選用鄰二甲苯，溶劑的體積用量以聚丙烯的質(zhì)量計推薦為50ml/g。石墨烯在聚丙烯母料中的重量百分含量為15，碳納米管在聚丙烯母料中的重量百分含量為20，聚合物基體在聚丙烯母料中的重量百分含量為65。
實施例3含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備操作同實施例1。溶劑選用間二甲苯，溶劑的體積用量以聚丙烯的質(zhì)量計推薦為70ml/g。石墨烯在聚丙烯母料中的重量百分含量為20，碳納米管在聚丙烯母料中的重量百分含量為20，聚合物基體在聚丙烯母料中的重量百分含量為40。
實施例4含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備操作同實施例1。溶劑選用對二甲苯，溶劑的體積用量以聚丙烯的質(zhì)量計推薦為100ml/g。石墨烯在聚丙烯母料中的重量百分含量為25，碳納米管在聚丙烯母料中的重量百分含量為25，聚合物基體在聚丙烯母料中的重量百分含量為50。
實施例5 :阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備操作同實施例1。20g含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料、15g季戍四醇、15g三聚氰胺、20g聚磷酸和930g聚丙烯先通過高速分散機(jī)預(yù)分散15分鐘，再通過螺桿擠出機(jī)于180 230°C溫度下擠出造粒，得阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。該材料的極限氧指數(shù)為23. 2。
實施例6阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為2，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為1，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為87，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為10，其中季戊四醇和聚磷酸三聚氰胺的質(zhì)量比為3/7。該材料的極限氧指數(shù)為25. 9 ο
實施例7阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為2，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為2，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為81，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為15，其中季戊四醇和聚磷酸銨的質(zhì)量比為5/5。該材料的極限氧指數(shù)為29.1。
實施例8阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為I，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為1，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為80，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為18，其中季戊四醇和聚磷酸三聚氰胺的質(zhì)量比為8/2。該材料的極限氧指數(shù)為30. 7。
實施例9阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為75，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為15，其中季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸的質(zhì)量比為3/3/4。該材料的極限氧指數(shù)為 34. 5。
實施例10阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為60，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為30，其中季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸的質(zhì)量比為4/3/3。該材料的極限氧指數(shù)為 39. 6。
實施例11阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為2. 5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為2. 5，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為60，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為20，其中季戊四醇和聚磷酸銨的質(zhì)量比為4/6。該材料的極限氧指數(shù)為35. 3。
實施例12阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備操作同實施例5。石墨烯在納 米復(fù)合材料中的重量百分含量為O. 5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為1. 5，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為80，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為18，其中季戊四醇和三聚氰胺的質(zhì)量比為3/7。該材料的極限氧指數(shù)為31. 4。
權(quán)利要求
1.一種具有阻燃性的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，其組成中含有膨脹型阻燃劑、石墨烯和碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，其組成中膨脹型阻燃劑含有季戊四醇、聚磷酸、聚磷酸銨、聚磷酸三聚氰胺和三聚氰胺。
3.如權(quán)利要求1所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟 (1)石墨烯、碳納米管和聚丙烯通過溶液混合方法制備含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料。
(2)膨脹型阻燃劑、含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料以及聚丙烯通過熔融共混方法制備阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。
4.如權(quán)利要求3所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟(I)所述的制備方法具體如下石墨烯、碳納米管和聚丙烯，在溶劑存在的條件下，在溶劑的回流溫度下攪拌4 8小時，蒸出溶劑后得含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料。
5.如權(quán)利要求4所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備方法，其特征在于所述的溶劑選自甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯；所述溶劑的體積用量以聚丙烯的質(zhì)量計推薦為20 100ml/g。
6.如權(quán)利要求4所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料的制備方法，其特征在于所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料，石墨烯在聚丙烯母料中的重量百分含量為10 25，碳納米管在聚丙烯母料中的重量百分含量為10 25，聚合物基體在聚丙烯母料中的重量百分含量為50 80。
7.如權(quán)利要求3所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟(2)所述的制備方法具體如下所述的含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料、膨脹型阻燃劑和聚丙烯先通過高速分散機(jī)預(yù)分散，再通過螺桿擠出機(jī)于180 230°C溫度下擠出造粒，得阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。
8.如權(quán)利要求7所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，石墨烯在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為0.1 5，碳納米管在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為0.1 5，膨脹型阻燃劑在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為5 30，聚合物基體在納米復(fù)合材料中的重量百分含量為60 94. 8。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料及其制備方法。所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料，其組成中含有膨脹型阻燃劑、石墨烯和碳納米管。它通過如下方法制備石墨烯、碳納米管和聚丙烯首先通過溶液混合方法得到含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料，然后膨脹型阻燃劑、含石墨烯和碳納米管聚丙烯母料以及聚丙烯通過熔融共混方法得到所述的阻燃聚丙烯/石墨烯/碳納米管納米復(fù)合材料。本發(fā)明利用膨脹型阻燃劑、石墨烯和碳納米管三者協(xié)同阻燃作用，提高了對高分子材料的阻燃效果，減少了阻燃劑在高分子材料的使用量，降低阻燃材料的成本。
文檔編號C08K13/04GK103012953SQ20121042936
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者黃國波, 楊健國, 梁華定, 葛昌華 申請人:臺州學(xué)院