发明内容
本发明着眼于解决现有不饱和聚酯树脂阻燃技术领域存在的问题,以提供具有透明、高效无卤阻燃的不饱和聚酯及其制备方法。
本发明目的通过如下技术方案实现:
一种透明反应型磷硼硅阻燃不饱和聚酯,以质量份数计,由含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物58.5~69.85份、交联单体30~40份、对苯二酚0.05~0.5份、引发剂0.1~1份组成,所述含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物的结构通式为:
R1、R2为甲基或苯基;y、m、n为1~10的整数,x、z为1~6的整数;
所述的交联单体为苯乙烯、乙烯基甲苯、α-甲基苯乙烯和邻苯二甲酸二烯丙酯中的一种或多种;
所述的引发剂为过氧化二异丙苯、乙基-3,3-二(过氧化叔丁基)丁酸酯、过苯甲酸叔丁酯、1,1-二(叔丁基过氧)环己烷、1,1-二(叔丁基过氧)-3,3,5-三甲基环己烷或1-叔丁基偶氮-1-氰基环己烷。
一种透明反应型磷硅硼阻燃不饱和聚酯的制备方法:在含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物降温至100~120℃时,加入交联单体,进一步降温至35~50℃后再加入对苯二酚、引发剂,即得透明反应型磷硅硼阻燃不饱和聚酯;所述的含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为58.5~69.85质量份、交联单体为30~40质量份、对苯二酚为0.05~0.5质量份、引发剂为0.1~1质量份。
为进一步实现本发明目的,所述含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物通过如下步骤制备:
(1)在连接有HCl吸收装置的容器中加入有机硅醇单体,搅拌下,滴加苯基磷酰二氯,滴完后升温至30~60℃反应4~6小时,再升温到100~150℃反应2~3小时,得到含磷硅单体;所述的有机硅醇单体分子式为:
其中R
1、R
2为甲基或苯基,t为1~10的整数;
(2)取步骤(1)得到的含磷硅单体以及二元醇、酸类单体于反应器中,N2气保护下搅拌,加热,升温至150~160℃,恒温反应2~3小时,进一步升温至180~210℃,反应至体系酸值不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;含磷硅单体和二元醇都为醇类单体,以摩尔百分比计,含磷硅单体占醇类单体的12~25%;醇类单体总摩尔数为酸类单体总摩尔数的1~1.5倍;所述的酸类单体由三类单体组成,第一类为硼酸,第二类为不饱和二元酸或酸酐,第三类为饱和二元酸或酸酐;以摩尔百分数计,酸类单体中不饱和二元酸或酸酐占50~70%,饱和二元酸或酸酐占10~30%,硼酸占15~25%。
所述步骤(1)所述的含磷硅单体的结构通式为:
其中R1、R2为甲基或苯基,m、n为1~10的整数。
步骤(2)所述的二元醇为乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、一缩二丙二醇、新戊二醇和1,4-丁二醇的一种或多种。
所述不饱和二元酸酐为马来酸酐和/或富马酸酐,不饱和二元酸为马来酸和/或反丁烯二酸;饱和二元酸酐为邻苯二甲酸酐或间苯二甲酸酐,饱和二元酸为间苯二甲酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、己二酸、丙二酸和戊二酸中的一种或多种。
与已有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)该透明反应型磷硅硼阻燃不饱和聚酯阻燃性强,固化产物极限氧指数可从19%提高到30%,并且3.2mm样条垂直燃烧通过UL94V-0级。
(2)该透明反应型磷硅硼阻燃不饱和聚酯三种阻燃元素磷、硅、硼直接引入到不饱和聚酯分子链上,固化产物热态粘结强度好。
(3)该透明反应型磷硅硼阻燃不饱和聚酯分子结构中引入了硅、硼等无机元素,固化产物抗氧化性增强,耐热性提高。
具体实施方式
以下结合具体实施例来对本发明作进一步说明,但本发明所要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
实施例1
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入2mol二甲基硅烷二醇,搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在30℃反应4小时,升温到100~120℃加热2小时,得到含磷硅单体,记为含磷硅单体(I);
取0.3mol上述合成的含磷硅单体(I)、0.9mol丙二醇、0.5mol马来酸酐、0.3mol邻苯二甲酸酐、0.2mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,加热,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至180~200℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至100℃,加入苯乙烯;继续冷却至35℃,加入对苯二酚阻聚剂和过氧化二异丙苯引发剂;各物质质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为58.5份、苯乙烯为40份、对苯二酚为0.5份、加入过氧化二异丙苯为1份。
实施例2
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入2mol
搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在40℃反应6小时,升温到120~140℃加热3小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(II);
取0.13mol上述合成的含磷硅单体(II)、0.3mol乙二醇、0.6mol丙二醇、0.55mol马来酸酐、0.15mol马来酸、0.14mol间苯二甲酸酐、0.16mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,加热,升温至150~160℃,恒温反应2小时,进一步升温至190~210℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至120℃,加入苯乙烯;继续冷却至50℃,加入对苯二酚阻聚剂和过氧化二异丙苯引发剂;各物质质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为67.2份、苯乙烯为32份、对苯二酚为0.5份、过氧化二异丙苯为0.3份。
实施例3
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入2mol
搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在60℃反应5小时,升温到140~150℃加热2小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(III);
取0.15mol上述合成的含磷硅单体(III)、0.5mol新戊二醇、0.6mol丙二醇、0.4mol马来酸酐、0.2mol富马酸酐、0.2mol间苯二甲酸、0.2mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至185~205℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至110℃,加入乙烯基甲苯;继续冷却至40℃,加入对苯二酚阻聚剂和乙基-3,3-二(过氧化叔丁基)丁酸酯引发剂;各物质质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为69.85份、乙烯基甲苯为30份、对苯二酚为0.05份、乙基-3,3-二(过氧化叔丁基)丁酸酯为0.1份。
实施例4
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入1mol二甲基硅烷二醇,搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在45℃反应4小时,升温到120~130℃加热2.5小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(IV);
取0.18mol上述合成的含磷硅单体(IV)、0.42mol 1,4-丁二醇、0.6mol富马酸酐、0.25mol邻苯二甲酸、0.15mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至180~200℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至105℃,加入α-甲基苯乙烯;继续冷却至50℃,加入对苯二酚阻聚剂和1,1-二(叔丁基过氧)-3,3,5-三甲基环己烷引发剂;质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为64.4份、α-甲基苯乙烯为35份、对苯二酚为0.1份、1,1-二(叔丁基过氧)-3,3,5-三甲基环己烷为0.5份。
实施例5
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入2mol
搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在35℃反应5小时,升温到100~120℃加热3小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(V);
取上述合成的0.3mol含磷硅单体(V)、0.65mol一缩二乙二醇、0.55mol丙二醇、0.55mol富马酸、0.2mol己二酸、0.25mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至180~200℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至120℃,加入苯乙烯和α-甲基苯乙烯;继续冷却至45℃,加入对苯二酚阻聚剂和1,1-二(叔丁基过氧)环己烷引发剂;质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为64份、苯乙烯为30份、α-甲基苯乙烯5份、对苯二酚为0.2份、1,1-二(叔丁基过氧)环己烷为0.8份。
实施例6
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入1mol1mol二苯二羟硅烷,搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在60℃反应5小时,升温到140~150℃加热2小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(VI);
取0.25mol上述合成的含磷硅单体(VI)、0.4mol一缩二丙二醇、0.6mol丙二醇、0.55mol马来酸酐、0.2mol丙二酸、0.25mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至190~210℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至110℃,加入邻苯二甲酸二烯丙酯;继续冷却至40℃,加入对苯二酚阻聚剂和过苯甲酸叔丁酯引发剂;质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为61份、苯乙烯为28份、邻苯二甲酸二烯丙酯为10份、对苯二酚为0.3份、过苯甲酸叔丁酯为0.7份。
实施例7
在连接有HCl吸收装置的2000ml四颈烧瓶中加入1mol二甲基硅烷二醇、1mol二苯二羟硅烷,搅拌下,滴加1mol苯基磷酰二氯,滴完后在40℃反应6小时,升温到130~140℃加热3小时,得到无色含磷硅单体,记为含磷硅单体(VII);
取0.2mol上述合成的含磷硅单体(VII)、、0.4mol一缩二丙二醇、0.4mol丙二醇、0.35mol马来酸酐、0.2mol反丁烯二酸、戊二酸0.2mol、0.25mol硼酸置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,升温至150~160℃,恒温2小时,进一步升温至180~200℃,反应至体系酸值基本不变,停止加热,得到含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物;冷却至110℃,加入苯乙烯和邻苯二甲酸二烯丙酯;继续冷却至40℃,加入对苯二酚阻聚剂和1-叔丁基偶氮-1-氰基环己烷引发剂;质量用量为:含磷硼硅元素的不饱和聚酯预聚物为59.1份、苯乙烯为20份、邻苯二甲酸二烯丙酯为20份、对苯二酚为0.4份、1-叔丁基偶氮-1-氰基环己烷为0.5份。
实施例1~7中各含磷硅单体的结构式如下:
参比例1
将摩尔比为2∶1∶2∶2的马来酸酐、邻苯二甲酸酐、丙二醇、乙二醇在180~200℃反应至酸值基本不变,停止加热,得到不饱和聚酯预聚物;冷却至110℃,加入苯乙烯;继续冷却至40℃,加入对苯二酚阻聚剂和过氧化二异丙苯引发剂;各物质质量用量为:不饱和聚酯预聚物为58.5份、苯乙烯为40份、对苯二酚为0.5份、加入过氧化二异丙苯为1份。
参比例2
按中国专利“一种反应型透明无卤阻燃不饱和聚酯及其制备方法,专利申请号200810218735.6”中实施例2的方法制备阻燃不饱和聚酯:
取苯基膦酸二(间苯二酚)酯40g(0.13mol)、间苯二甲酸酐20.7g(0.14mol)、马来酸12g(0.10mol)、丙二醇18.6g(0.237mol)和乙二醇8.7g(0.14mol)置于250ml四颈烧瓶中,N2气保护下搅拌,用电热套加热,缓慢升温至150℃,恒温1h,然后以10℃/min的速度缓慢升温,控制蒸馏出口温度低于100℃。反应至不饱和聚酯酸值基本不变时停止加热,结束反应后冷却至110℃,按不饱和聚酯预聚物与苯乙烯质量比为6∶4加入苯乙烯,继续冷却至40℃,加入两者总质量的1%和0.01%的对苯二酚和过氧化二异丙苯。
将上述实施例1~7和参比例1制备的未阻燃不饱和聚酯以及参比例2制备的阻燃不饱和树脂分别倒入标准尺寸试样模具内,在120℃下固化1h,130℃下固化2h,140℃下固化1h,所有实施例合成的反应型阻燃不饱和聚酯产品外观透明,与参比例1中合成的不饱和聚酯在外观上几乎无差别。脱模得各固化产物测试标准样条。按GB/T 2406-93标准测试极限氧指数;按照UL94标准测试阻燃等级;在150℃加热5小时,按GB11028-1999测粘结强度;取固化样在空气氛中进行热重分析,升温速度10℃/min,以5%热分解温度(T5%)表示热氧稳定性。各测试分析结果列如表1。
从表1中可以看出,固化后阻燃不饱和聚酯的极限氧指数均超过现有技术水平即参比例2的27%,且均能通过UL94垂直燃烧V-0级(3.2mm),这说明进一步引入硅硼元素后的不饱和聚酯,阻燃性能更好。在热氧稳定性方面,未阻燃不饱和聚酯T5%为275℃,加入苯基膦酸二(间苯二酚)酯阻燃的不饱和聚酯(即参比例2)T5%为249℃,热稳定性降低,而采用本发明技术方案以磷硅硼阻燃的不饱和聚酯T5%在280℃以上,T5%均高于未阻燃不饱和聚酯,热氧稳定性提高。在热态粘结强度方面,未阻燃不饱和聚酯为175N,加入苯基膦酸二(间苯二酚)酯阻燃的不饱和聚酯为161N,而各实施例均明显高于未阻燃不饱和聚酯的175N。
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