[發明專利]一種核殼型碳微球及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201310022985.3
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103102509A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 牛梅;戴晉明;王欣;侯文生;王淑花;薛寶霞;張瑩
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C08K9/10
• 分類號: C08K9/10;C08K3/04;C08L67/02;C09C1/44;C09C3/08
• 代理公司: 太原華弈知識產權代理事務所 14108
• 代理人: 李毅

技術領域

本發明屬于碳微球表面功能化修飾技術領域，涉及一種通過表面修飾得到的具有核殼結構的碳微球，以及該核殼型碳微球的制備方法和應用。

背景技術

近年來，世界各地火災事件頻頻發生，造成了巨大的人身傷害和財產損失，引起了人們的廣泛關注，阻燃技術因此成為了研究熱點。現在阻燃劑有向著無鹵化、阻燃超細化、抑煙化等發展的趨勢，納米阻燃劑越來越受到人們的關注。

采用物理或化學方法，將固體阻燃劑分散成為1～100nm大小微粒的方法，稱為納米阻燃技術。物理方法有蒸發冷凝法、機械破碎法；化學方法有氣相反應法、液相法。研究者已經將碳系材料中的碳納米管、石墨作為添加物，與聚酯高分子材料共同作用，以提高其阻燃性、電學、熱學及力學性能。

碳微球作為碳納米材料的一個分支，因其獨特的結構和優越的性能如化學穩定性、熱穩定性、優良的導電和導熱性等，近十年來受到廣泛的關注。這種新型的球狀碳材料在許多領域有著潛在的應用前景。例如，它們可以被用作潤滑材料、催化劑的載體、二次鋰離子電池的陽極材料、制備超高比表面活性碳、以及高效液相色譜柱填料等。但是，由于其比表面積較大，表面能較高，易發生團聚，且與聚合物基體界面結合力較弱，相容性較差，限制了碳微球在聚合物基復合材料中的應用。因此，很有必要在保持碳微球內部結構變化不大的前提下，通過物理化學方法對其表面進行功能化修飾。

為了克服碳微球的應用缺陷，現在多對碳微球的表面進行修飾，以改善碳微球的表面性能，解決分散性和相容性問題。常用的修飾方法包括通過物理、化學或電化學法對其表面進行氧化或接枝偶聯劑，例如，楊永珍等人在碳微球表面包覆MnO₂層得到MnO₂/CMSs復合材料，劉偉峰等人采用光引發聚合方法在碳微球表面接枝聚甲基丙烯酸，以期提高聚合物基體的導電性能、流變性能；汪長春等人以碳微球為核，利用其表面修飾的銀納米粒子作為種子，進一步還原制備了以碳微球為核、以金為殼的納米殼球體，并研究了碳微球的光學、熱學性能。然而，酸處理碳微球只是使其表面官能團含量增多，并未明顯改善其分散性；在碳微球表面接枝偶聯劑雖然可以使碳微球表面支化程度增大，但并不能很好地提高其與基體界面的相容性。目前，尚無對碳微球的阻燃性能進行研究的報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種以碳微球為核的核殼型碳微球，以明顯改善碳微球與聚合物基體材料的相容性，并由此改善聚合物基體材料的阻燃性能。

本發明的另一目的是提供一種上述核殼型碳微球的制備方法和應用。

本發明提供的核殼型碳微球包括碳微球核部分和包覆在所述碳微球表面的對苯二甲酸乙二酯有機薄膜殼部分，且所述碳微球核部分與對苯二甲酸乙二酯有機薄膜殼部分的質量比為1～5:1。

本發明核殼型碳微球是利用葡萄糖水熱合成法制備碳微球，繼而采用原位聚合法，使對苯二甲酸與乙二醇酯化反應包覆在碳微球表面，得到核殼結構的碳微球，其具體制備方法包括以下步驟：

a).將葡萄糖配制成水溶液，封裝于水熱釜中，于30～300℃，2～9MPa下攪拌反應，水熱合成法制備碳微球；

b).將對苯二甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺中，加入過量的乙二醇配制成混合溶液；

c).將碳微球分散于上述混合溶液中，在催化劑三氧化二銻存在和氮氣保護下，加熱至25～140℃，滴加乳化劑OP-10，攪拌反應得到核殼型碳微球。

其中，水熱合成法制備碳微球工序中，所使用的葡萄糖水溶液的濃度對于獲得碳微球并無直接的影響。但一般地，優選使用濃度為0.1～0.5mol/L的葡萄糖溶液。

一般地，優選使用的對苯二甲酸與乙二醇的物質的量比為1:5～15，對苯二甲酸與碳微球的質量比為1:1～5。

上述制備方法中，催化劑三氧化二銻的使用量為對苯二甲酸質量的10～30%，OP-10的使用量為混合溶液質量的1～5%。

本發明將上述制備方法得到的產物先以無水乙醇進行洗滌，再以去離子水洗滌干凈，干燥后得到本發明的核殼型碳微球。

本發明得到的核殼型碳微球為黑色球狀粉末物質，粒徑500～650nm，包覆層厚度15～30nm，化學物理性能穩定，不易團聚。

本發明制備得到的核殼型碳微球具有良好的阻燃性能，可以作為阻燃劑，添加在聚合物基體材料中應用。