一种纳米材料改性酚醛树脂及其制备方法

摘要

本发明提出一种纳米材料改性酚醛树脂及其制备方法，包括纳米材料、酚醛树脂和增稠剂，所述的纳米材料为层状双氢氧化物，层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％；其中所述的层状双氢氧化物由碳酸根插层的层状双氢氧化物与3‑羟基苯基氧磷基丙酸通过离子交换反应得到，两者的质量比为1：2～3；所述的碳酸根插层的层状双氢氧化物由硝酸镁、硝酸铝和尿素通过合成反应制备得到，各组份质量比为2～3：1：1.5～3。本发明采用较少量的层状双氢氧化物即可显著提升酚醛树脂复合材料的氧指数等多项阻燃性能指标；本发明的改性酚醛树脂具有高氧指数、高度阻燃、工艺易控制及易加工等优点，可以用于制备阻燃涂料以及复合材料。

权利要求

1.一种纳米材料改性酚醛树脂，其特征在于：包括纳米材料、酚醛树脂和增稠剂，所述的纳米材料为层状双氢氧化物，层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％；其中所述的层状双氢氧化物，由碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸通过离子交换反应得到，两者的质量比为1：2～3；

所述的碳酸根插层的层状双氢氧化物由硝酸镁、硝酸铝和尿素通过合成反应制备得到，各组份质量比为2～3：1：1.5～3。

2.根据权利要求1所述的一种纳米材料改性酚醛树脂，其特征在于：所述的碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸质量比为1：3，硝酸镁、硝酸铝和尿素的质量比为3：1：1.5。

3.根据权利要求1所述的一种纳米材料改性酚醛树脂，其特征在于：所述的层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的10％。

4.一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

第一步，制备层状双氢氧化物，

A1.1、将硝酸镁、硝酸铝、尿素按比例混合并溶解在去离子水中后，加热条件下进行合成反应，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物，所述的硝酸镁、硝酸铝和尿素质量比例为2～

3：1：1.5～3；

A1.2、将步骤A1.1得到碳酸根插层的层状双氢氧化物分散到去离子水中，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物水分散体系；

A1.3、在步骤A1.2得到的碳酸根插层的层状双氢氧化物水分散体系中加入一定量的3-羟基苯基氧磷基丙酸，并加入稀硝酸调节pH至4～5，随后通入氮气室温下震荡反应，得到层状双氢氧化物，所述的3-羟基苯基氧磷基丙酸添加量与碳酸根插层的层状双氢氧化物的质量比为2～3：1；

第二步，称取一定量的酚醛树脂，随后在其中加入一定量的第一步制备得到的层状双氢氧化物，球磨混合均匀，得到层状双氢氧化物/酚醛树脂混合物，所述层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％；

第三步，在第二步得到的层状双氢氧化物/酚醛树脂中加入适量增稠剂，搅拌均匀，得到改性酚醛树脂。

5.根据权利要求4所述的一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，其特征在于：所述步骤A1.3中震荡反应24～48小时。

6.根据权利要求4所述的一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，其特征在于：所述步骤A1.1中合成反应的反应温度为90～100℃，反应时间为8～12小时。

7.根据权利要求4所述的一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，其特征在于：所述步骤A1.3中碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸质量比最佳比例为1：3，所述步骤A1.1中硝酸镁、硝酸铝和尿素的最佳质量比为3：1：1.5。

8.根据权利要求4所述的一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，其特征在于：所述第二步中层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的10％。

说明书

一种纳米材料改性酚醛树脂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纳米材料改性酚醛树脂及其制备方法，属于阻燃材料技术领域。

背景技术

[0002] 为了飞机减重和提高装饰件的工艺性能，在现代民用飞机的舱内装饰中使用了大量的复合材料。复合材料在飞机上的大量使用，增加了飞机的火灾风险性，尤其在飞机碰撞后所产生的火势蔓延到复合材料时，这些复合材料将迅速燃烧.产生的人量热量、烟气、毒气和固体颗粒都会对机上人员造成极人的伤害。

[0003] 为了进一步提高飞机的安全性，防止机碰撞后所产生的火势从外部向飞机内部蔓延，最有效的方法是在设计飞机时采用具有良好阻燃和防火性能的材料，舱内阻燃复合材料是现代民用坛机的关键材料之一。日前正朝着高效阻燃、低烟、低毒、低成木和高工艺性能的方向快速发展。酚醛复合材料除了具有其它材料不可比拟的高效阻燃、低发烟和低毒雾性能外，其热机械性能也优于聚酯、环氧等复合材料。近年来，酚醛树脂复合材料己跻身于高性能复合材料行列，作为一种具有高性价比的阻燃材料，在欧美受到了极大重视，已经广泛用于先进客机的地板、天花板、隔墙、行李舱、货舱内衬等部位，对提高客机的安全性能和减轻客机重量以实现低运行成本起着至关重要的作用。不过单纯的酚醛树脂虽然UL94阻燃等级勉强可以达到V0级，但其氧指数偏低，阻燃性能已不能满足更加严苛环境的要求，因此开发新型高效阻燃体系迫在眉睫。

[0004] 层状双氢氧化物作为一类具有层间阴离子可交换性质的无机层状材料，近些年来受到人们的广泛关注，尤其是镁铝层状双氢氧化物无毒无害，且天生优异的阻燃性能，使其广泛应用于阻燃添加剂和填充料上。层状双氢氧化物作为一种纳米填料，其厚度一般为十几纳米，直径一般在几十纳米至几十微米不等。作为阻燃填料，更高的径厚比说明具有更高的气体阻隔程度，也就意味着更高的阻燃能力。目前层状双氢氧化物应用在阻燃填料上一般选用简易的共沉淀法，片径为纳米级，阻隔能力有限。另外层状双氢氧化物的层间离子有机化处理通常采用碳酸根—硝酸根—有机阴离子的两步交换反应，流程繁琐且产率较低，严重限制了层状双氢氧化物在阻燃剂等功能化填料领域的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种制备简单、产能高且具有更高阻燃性能的纳米材料改性酚醛树脂及其制备方法。

[0006] 本发明的技术解决方案：一种纳米材料改性酚醛树脂，包括纳米材料、酚醛树脂和增稠剂，所述的纳米材料为层状双氢氧化物，层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％；其中所述的层状双氢氧化物由碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸通过离子交换反应得到，两者的质量比为1：2～3；

[0007] 所述的碳酸根插层的层状双氢氧化物由硝酸镁、硝酸铝和尿素通过合成反应制备得到，各组份质量比为2～3：1：1.5～3。

[0008] 本发明并非使用传统的共沉淀法，而是使用尿素法首先制备大片径的碳酸根插层的层状双氢氧化物。尿素作为一种氨的释放剂，在高温下会缓慢分解生产二氧化碳和氨，逐步提高反应体系的pH值，使得反应体系温和稳定，所得到的碳酸根插层的层状双氢氧化物生长均匀，多为完善的六边形晶体结构，直径多在2～10μm之间，远高于共沉淀法的100nm。更大的片径说明有更高的气体阻隔性能，也就意味着更高的阻燃性能。通过控制尿素的量，可以调整碳酸根插层的层状双氢氧化物的片径。尿素含量越多，片径越小。尿素作为氨的缓释剂，与常规方法中常用的氨水或者氢氧化钠相比，碱释放缓慢稳定，因此晶体结晶度高，晶粒尺寸大。如果尿素量过低，无法生成层状双氢氧化物，过高会生成氢氧化铝沉淀。

[0009] 尿素法虽然能制备大片径的层状双氢氧化物，但是只能制备碳酸根的层状双氢氧化物。碳酸根插层的层状双氢氧化物，为进一步提高其阻燃性能，本发明通过酸-盐一步交换反应，克服现有技术中碳酸根—硝酸根—有机阴离子两步交换反应过程繁琐产率低的缺点，将层间的碳酸根离子直接一步交换为3-羟基苯基氧磷基丙酸根离子，同时把层状双氢氧化物的气体阻隔性能与3-羟基苯基氧磷基丙酸的高效阻燃性能结合起来，实现纳米填料阻燃效果的飞跃。碳酸根本身没有阻燃效果，仅依靠层状双氢氧化物本身结构阻燃，将碳酸根交换为3-羟基苯基氧磷基丙酸根离子，可以将3-羟基苯基氧磷基丙酸根阻燃效果与层状双氢氧化物阻燃效果叠加，实现阻燃性能的飞跃。

[0010] 本发明可以通过调整碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸质量比，来调整3-羟基苯基氧磷基丙酸根插层比例，3-羟基苯基氧磷基丙酸比例越高，其插层比例越高，当碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸的质量比为1：3时，插层比例已接近100％；若再进一步加入3-羟基苯基氧磷基丙酸，则会影响体系pH值，造成层状氢氧化物的溶解破坏。

[0011] 所述的碳酸根插层的层状双氢氧化物与3-羟基苯基氧磷基丙酸质量比最佳比例为1：3，硝酸镁、硝酸铝和尿素的最佳质量比为3：1：1.5。优选比例制备得到的层状双氢氧化物3-羟基苯基氧磷基丙酸插层率最高。

[0012] 硝酸镁、硝酸铝和尿素的合成反应超出上述比例，会导致层状双氢氧化物有杂质生成，在此比例内，硝酸镁越多，层间离子容量越大，3-羟基苯基氧磷基丙酸根离子交换效率越高，但由于阻燃性能是无机组分和有机离子协同作用的结果，因此只要在上述比例内变化对阻燃性能影响不大，工程中可以忽略不计。

[0013] 本发明采用的层状双氢氧化物通过特定的合成-交换反应制备得到，随着层状双氢氧化物加入量的增多，复合材料的整体阻燃性能有所提升，但当层状双氢氧化物含量达到树脂份数的10％，材料阻燃性能达到最佳，再增加层状双氢氧化物含量会使层状双氢氧化物量在酚醛树脂中的分散性难度增加，导致材料阻燃性能略有下降，当层状双氢氧化物含量达到树脂份数的20％以上时，由于层状双氢氧化物量的增多，其在酚醛树脂中的分散性难度增加，会造成大量缺陷，其性能改善效果会急剧下降；因此，层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％。

[0014] 本发明采用的酚醛树脂为无溶剂酚醛或者低溶剂含量酚醛，溶剂含量不应超过20％。具体种类无特别的限制，根据需要可为硼酚醛、钡酚醛或钼酚醛等。

[0015] 本发明采用的增稠剂为本领域常用的，可以是酚醛树脂常用的聚乙烯醇缩丁醛，要求其缩醛度大于40％，分子量大于50000。增稠剂加入量一般为树脂质量的0.5～1.5％，可根据实际生产适量调整。

[0016] 一种纳米材料改性酚醛树脂制备方法，通过以下步骤实现：

[0017] 第一步，制备层状双氢氧化物，

[0018] A1.1、将硝酸镁、硝酸铝、尿素按比例混合并溶解在去离子水中后，加热条件下进行合成反应，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物，所述的硝酸镁、硝酸铝和尿素质量比例为2～3：1：1.5～3；

[0019] 合成反应的工艺参数为本领域公知技术，一般反应温度为90～100℃，反应时间为8～12小时，本领域技术人员可以根据实际制备条件进行调整。

[0020] A1.2、将步骤A1.1得到碳酸根插层的层状双氢氧化物分散到去离子水中，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物水分散体系；

[0021] 用去离子水将第一步得到的碳酸根插层的层状双氢氧化物清洗干净，去除残留的盐后，将其均匀分散在去离子水中，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物水分散体系；

[0022] A1.3、在步骤A1.2得到的碳酸根插层的层状双氢氧化物水分散体系中加入一定量的3-羟基苯基氧磷基丙酸，并加入稀硝酸调节pH至4～5，随后通入氮气室温下震荡反应24～48小时，得到层状双氢氧化物，所述的3-羟基苯基氧磷基丙酸添加量与碳酸根插层的层状双氢氧化物的质量比为2～3：1。

[0023] 层状双氢氧化物要经多次清洗，去除残留的盐、酸后烘干。

[0024] 第二步，按称取一定量的酚醛树脂，随后在其中加入一定量的第一步制备得到的层状双氢氧化物，球磨混合均匀，得到层状双氢氧化物/酚醛树脂混合物，所述层状双氢氧化物的添加量为酚醛树脂质量的5％～20％；

[0025] 第三步，在第二步得到的层状双氢氧化物/酚醛树脂中加入适量增稠剂，在室温或者增稠剂适用温度下搅拌均匀，得到改性酚醛树脂。

[0026] 本发明采用的层状双氢氧化物，直径在2～10μm之间，厚度不高于40nm，具有较高的片径和较高的3-羟基苯基氧磷基丙酸插层率，与酚醛树脂之间具有较强的相互作用，可以增加层状双氢氧化物与酚醛基体之间的相容性，对层状双氢氧化物的分散剥离有显著的增强作用。

[0027] 本发明与现有技术相比的有益效果：

[0028] (1)本发明通过特殊的合成-交换反应，制备阻燃型层状双氢氧化物，即3-羟基苯基氧磷基丙酸插层的镁铝层状双氢氧化物纳米填料，本发明可以使层状双氢氧化物的气体阻隔性能与3-羟基苯基氧磷基丙酸的高效阻燃性能结合起来，实现纳米填料阻燃效果的飞跃；

[0029] (2)本发明采用特殊方法制备的阻燃型层状双氢氧化物，直径在2～10μm，厚度不高于40nm，具有较高的片径和较高的3-羟基苯基氧磷基丙酸插层率，与酚醛树脂之间具有较强的相互作用，可以增加层状双氢氧化物与酚醛基体之间的相容性，对层状双氢氧化物的分散剥离有显著的增强作用；

[0030] (3)本发明采用较少量的层状双氢氧化物即可显著提升酚醛树脂复合材料的氧指数等多项阻燃性能指标；

[0031] (4)本发明的改性酚醛树脂具有高氧指数、高度阻燃、工艺易控制及易加工等优点，可以用于制备阻燃涂料以及复合材料。

具体实施方式

[0032] 下面结合具体实例对本发明进行详细说明。

[0033] 实施例1

[0034] 层状双氢氧化物制备

[0035] 将300g硝酸镁、100g硝酸铝、150g的尿素按比例混合并溶解在1L去离子水中后，加热至100℃反应12小时，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物，将层状双氢氧化物清洗干净，去除残留的盐，干燥后称取质量为m。然后将其以合适的浓度分散在去离子水中；在水分散液中加入3m质量的3-羟基苯基氧磷基丙酸，并加入稀硝酸调节pH至4～5，随后通入氮气室温震荡反应回流反应24～48小时。反应完成后过滤并多次清洗后烘干，得到层状双氢氧化物。

[0036] 实施例2-4

[0037] 层状双氢氧化物制备各组份的质量比见表1，其余与实施例1相同。

[0038] 表1

[0039]

[0040] 实施例1～4制备的层状双氢氧化物直径分布在2～10微米之间，与常规共沉淀法制备的层状双氢氧化物直径在100nm以内的尺寸相比，本发明制备的整体片径提升是气体阻隔性能提升关键。

[0041] 实施例5

[0042] 改性酚醛树脂的制备

[0043] 配比：无溶剂酚醛树脂1000g，实施例1制备的层状双氢氧化物100g，聚乙烯醇缩丁醛10g。

[0044] (1)按比例称无溶剂酚醛树脂1000g，层状双氢氧化物100g在小型球磨机中将上述组分混合均匀。

[0045] (2)在得到的层状双氢氧化物/酚醛树脂中加入10g聚乙烯醇缩丁醛，在50℃下搅拌均匀，得到改性酚醛树脂。

[0046] 将本实例制备的改性酚醛树脂进行真空脱泡处理后，按以下工艺固化：120℃/40min+160℃/4h，得到的改性酚醛树脂固化物的氧指数及UL94阻燃等级见表2所示。

[0047] 实施例6～8

[0048] 将实施例1制备的层状双氢氧化物分别添加50g、150g、200g，其他同实施例5。得到的改性酚醛树脂经实施例5真空脱泡处理、固化工艺，分别得到改性酚醛树脂固化物的氧指数及UL94阻燃等级如表2所示。

[0049] 实施例9～11

[0050] 分别添加实施例2、3、4制备的层状双氢氧化物100g，其他同实施例5。得到的改性酚醛树脂经实施例5真空脱泡处理、固化工艺，分别得到改性酚醛树脂固化物的氧指数及UL94阻燃等级如表2所示。

[0051] 比较例1

[0052] 改性酚醛树脂制备

[0053] 1)层状双氢氧化物的制备

[0054] 将300g硝酸镁、100g硝酸铝、150g的尿素按比例混合并溶解在1L去离子水中后，加热至100℃反应12小时，得到碳酸根插层的层状双氢氧化物。

[0055] 2)改性酚醛树脂的制备

[0056] 配比：无溶剂酚醛树脂1000g，步骤1)制备的层状双氢氧化物70g，3-羟基苯基氧磷基丙酸35g，聚乙烯醇缩丁醛10g。

[0057] (1)按比例称无溶剂酚醛树脂1000g，层状双氢氧化物70g在小型球磨机中将上述组分混合均匀。

[0058] (2)将得到的层状双氢氧化物/酚醛树脂加入3-羟基苯基氧磷基丙酸35g，聚乙烯醇缩丁醛10g，在50℃下搅拌均匀，得到改性酚醛树脂。

[0059] 得到的改性酚醛树脂经实施例5真空脱泡处理、固化工艺，分别得到改性酚醛树脂固化物的氧指数及UL94阻燃等级如表2所示。

[0060] 比较例2

[0061] 酚醛树脂制备

[0062] 配比：无溶剂酚醛树脂1000g，聚乙烯醇缩丁醛10g。

[0063] 按比例称无溶剂酚醛树脂1000g，加入10g聚乙烯醇缩丁醛，在室温下搅拌均匀，得到普通酚醛树脂。

[0064] 得到的改性酚醛树脂经实施例5真空脱泡处理、固化工艺，分别得到改性酚醛树脂固化物的氧指数及UL94阻燃等级如表2所示。

[0065] 表2

[0066]  氧指数 UL94等级
实施例5 65.8 V0
实施例6 52.5 V0
实施例7 60.9 V0
实施例8 58.2 V0
实施例9 60.2 V0
实施例10 59.1 V0
实施例11 62.3 V0
对比例1 45.1 V0
对比例2 29.7 V1

[0067] 从表2中数据可以看出，与未采用层状双氢氧化物改性的酚醛树脂(比较例2)的性能相比，实施例5～11的各项性能均有较大幅度的提高和改善，这是因为酚醛树脂中添加了高阻燃的层状双氢氧化物，由于层状双氢氧化物与插层阻燃剂的协同作用，使层状双氢氧化物改性酚醛树脂的性能得到较大幅度的改善和提高。比较例1由于将普通层状双氢氧化物改性酚醛树脂与阻燃剂3-羟基苯基氧磷基丙酸简单混合，无法实现上述协同作用，因此阻燃性能与实施例5～11相比有一定差距。

[0068] 从实施例5～8的数据可以看出，随着层状双氢氧化物加入量的增多，改性的整体性能有所提升，但当层状双氢氧化物含量达到树脂份数的10％时，材料阻燃性能基本趋于稳定，若层状双氢氧化物含量达到树脂份数的10％以上时，由于层状双氢氧化物量的增多，其在酚醛树脂中的分散性难度增加，导致材料阻燃性能下降。

[0069] 从实施例5、9～11的数据可以看出，添加了最优比例制备得到的层状双氢氧化物(实施例5)，3-羟基苯基氧磷基丙酸插层率最高，改性酚醛树脂氧指数最高，阻燃性能最佳。

[0070] 本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。