CN102585293B - 一种阻燃剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻燃剂及其制备方法，该方法包括：在100-180℃下，使磷酸和季戊四醇进行第一接触反应0.5-5小时，向该第一接触反应得到的产物中加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺，并在100-180℃下进行第二接触反应0.5-4小时。本发明还公开了所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。采用根据本发明的方法制备的阻燃剂制得的生物质基阻燃聚氨酯泡沫具有优良的阻燃性能。

Description

一种阻燃剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种阻燃剂的制备方法，由该方法制备的阻燃剂，以及该阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

背景技术

随着人们对环境危机和资源危机的认识不断深刻，木质素、淀粉等天然高分子新材料的开发日益受到重视。木质素与淀粉属于天然高分子化合物，是储量巨大而且可再生的有机资源，广泛存在于植物体内。聚氨酯由于其价格低廉、性能优越，已成为现代高分子工业发展最快的品种之一。由于木质素、淀粉具有羟基等多种官能团，经过开发后可以替代石油基化学品(如石油基多元醇)，成为有机化合物的重要来源，用于合成聚氨酯等高分子材料。

CN1543478A中公开了利用木质素制备聚氨酯的方法，该方法包括使以溶解状态含有木质素磺酸或其部分中和盐的多醇溶液与多异氰酸酯发生缩聚反应，其中，该木质素磺酸或其部分中和盐的含有量在总聚氨酯中占1-40％。然而，该方法中未加入阻燃剂，使得由此方法制备的聚氨酯的阻燃性能较差。现有技术中虽然已经公开了一些在制备聚氨酯过程可以作为阻燃剂加入的添加剂，例如，含卤素的阻燃剂和含磷的阻燃剂，所述含卤素的阻燃剂有五溴二苯醚和二溴苯基缩水甘油醚，所述含磷的阻燃剂主要有以聚磷酸铵为基(如Exolit AP)、以有机磷化合物为基(如Exolit OP)或以红磷为基(如Exolit RP)等的含磷阻燃剂，但是，采用含卤素的阻燃剂制备的聚氨酯在燃烧时毒性较大，采用含磷的阻燃剂制备的聚氨酯的反应活性较低，不能与聚氨酯发生聚合反应，从而导致由此制备的聚氨酯的阻燃性能较差。

发明内容

本发明的第一个目的是为了克服现有的阻燃剂的上述缺陷，提供一种新的阻燃剂，使用该阻燃剂制备聚氨酯泡沫可以获得具有较好的阻燃性能的生物质基聚氨酯泡沫。

本发明的第二个目的是提供由所述方法制备的阻燃剂。

本发明的第三个目的是提供所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

本发明提供了一种阻燃剂的制备方法，其中，该方法包括：在100-180℃下，使磷酸和季戊四醇进行第一接触反应0.5-5小时，向该第一接触反应得到的产物中加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺，并在100-180℃下进行第二接触反应0.5-4小时。

本发明还提供了由上述方法制备的阻燃剂。

本发明还提供了所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

根据本发明提供的所述方法制备的阻燃剂适合用于制备生物质基阻燃聚氨酯泡沫，该阻燃剂能够与聚氨酯发生聚合反应，且不含卤素，使得采用该阻燃剂制备的生物质基阻燃聚氨酯泡沫具有稳定的阻燃性能，并且在燃烧时毒性较低。而且，由所述方法制备的阻燃剂适合用于制备生物质基阻燃聚氨酯泡沫。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种阻燃剂的制备方法，该方法包括：在100-180℃下，使磷酸和季戊四醇进行第一接触反应0.5-5小时，向该第一接触反应得到的产物中加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺，并在100-180℃下进行第二接触反应0.5-4小时。

根据本发明提供的所述阻燃剂的制备方法，通过所述第一接触反应使季戊四醇与磷酸发生缩合，之后通过所述第二接触反应，以提高阻燃剂的反应活性，使得最终获得的阻燃剂具有稳定的阻燃性能。然而，如果将磷酸、季戊四醇、聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺直接混合并进行反应，则季戊四醇与磷酸缩合不充分，影响阻燃剂的反应活性，从而使得最终获得的阻燃剂的阻燃稳定性较差。

根据本发明提供的所述方法，所述第一接触反应的条件包括：反应温度为100-180℃，反应时间为0.5-5小时。当反应温度低于100℃或者反应时间小于0.5小时时，季戊四醇与磷酸不能充分反应，从而会对最终制备的阻燃剂的阻燃性能产生不利的影响；而当反应温度该与180℃或者反应时间大于5小时时，季戊四醇与磷酸之间可能会发生不希望出现的副反应。在优选情况下，所述第一接触反应的条件包括：反应温度为120-160℃，反应时间为1-2小时。

根据本发明提供的所述方法，所述第二接触反应的条件包括：反应温度为100-180℃，反应时间为0.5-4小时。该反应温度高于180℃则容易发生不希望出现的副反应，而该反应温度低于100℃则反应不能充分发生。在优选情况下，所述第二接触反应的条件包括：120-160℃，反应时间为0.5-2小时。

根据本发明提供的所述方法，所述第一接触反应的条件与所述第二接触反应的条件可以相同或不同，优选二者相同。

根据本发明提供的所述方法，相对于100重量份的季戊四醇，所述磷酸的加入量可以为75-125重量份，优选为80-110重量份；所述聚醚多元醇的加入量可以为125-225重量份，优选为150-210重量份；所述聚磷酸铵的加入量可以为125-200重量份，优选为140-185重量份；所述三聚氰胺的加入量可以为100-200重量份，优选为120-180重量份。

在本发明中，所述聚醚多元醇可以为市售的各种常规的聚醚多元醇，其重均分子量优选为200-5000，更优选为400-1000，例如可以为聚醚多元醇4110和/或聚醚多元醇403。

在本发明中，所述聚磷酸铵的聚合度可以为50-2000，优选为100-1500。

根据本发明的第二个方面，本发明还提供了由上述方法制备的阻燃剂。

根据本发明的第三个方面，本发明还提供了所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

在本发明中，采用本发明提供的所述方法制备的阻燃剂制备生物质基阻燃聚氨酯泡沫的方法可以包括：将木质素改性物、所述阻燃剂、聚醚多元醇、胺类催化剂和发泡剂均匀混合，然后按异氰酸酯指数为1-1.4加入异氰酸酯进行接触反应，并对该接触反应得到的产物进行固化。

在该方法中，所述接触反应的反应条件可以包括：反应温度为15-30℃，优选为15-20℃；反应时间为0.5-5min，优选为1-2min。所述固化的条件可以包括：固化的温度为60-120℃，优选为60-80℃；固化的时间为2-24小时，优选为2-10小时。所述固化可以采用常规的固化方法实施，例如烘箱干燥固化。

所述木质素改性物、阻燃剂、聚醚多元醇、胺类催化剂和发泡剂的加入量各自都可以在较大的范围内变动。优选情况下，相对于100重量份的所述木质素改性物，所述阻燃剂的加入量为20-100重量份，所述聚醚多元醇的加入量为50-300重量份，所述胺类催化剂的加入量为1-10重量份，所述发泡剂的加入量为10-100重量份。当所述木质素、阻燃剂、聚醚多元醇、胺类催化剂和发泡剂均在上述数值范围内加入时，最终制备的生物质基阻燃聚氨酯泡沫具有较好的机械性能和阻燃性能。进一步优选情况下，相对于100重量份的所述木质素改性物，所述阻燃剂的加入量为30-70重量份，所述聚醚多元醇的加入量为100-200重量份，所述胺类催化剂的加入量为1.5-8重量份，所述发泡剂的加入量为20-50重量份。所述聚醚多元醇可以为市售的各种常规的聚醚多元醇，其重均分子量优选为200-5000，更优选为400-1000，例如可以为聚醚多元醇4110和/或聚醚多元醇403。

在本发明中，所述木质素改性物可以为采用各种常规的方法获得的木质素改性物，例如，该方法可以包括：在酸性催化剂的存在下，将秸秆木质素与多元醇进行接触反应。然而，为了进一步提高最终制备的生物质基阻燃聚氨酯泡沫的机械性能和阻燃性能，所述木质素改性物的制备方法优选包括：在100-135℃下，使秸秆木质素、多元醇和酸性催化剂进行第一接触反应1-4小时，然后加入淀粉进行第二接触反应。所述第二接触反应的条件可以包括：反应温度为60-100℃，优选为80-90℃；反应时间为0.5-1小时，优选为0.5-0.8小时。相对于100重量份的秸秆木质素，所述多元醇的加入量可以为90-200重量份，优选为120-160重量份；所述酸性催化剂的加入量可以为0.1-3重量份，优选为0.5-2重量份；淀粉的加入量可以为60-200重量份，优选为100-150重量份。

所述秸秆木质素可以源自各种常规植物的秸秆，例如可以源自禾本科植物的秸秆，优选源自小麦秸秆和/或玉米秸秆。所述秸秆木质素的颗粒尺寸没有特别的限定，优选情况下，所述秸秆木质素的颗粒尺寸为10-200目。

所述多元醇可以为各种常规的多元醇，可以为大分子多元醇，也可以为小分子多元醇，只要一个分子中同时含有至少2个羟基即可。优选情况下，所述多元醇为乙二醇、聚乙二醇和甘油中的一种或多种，所述聚乙二醇的重均分子量可以为200-5000，优选为400-1000；更优选的情况下，所述多元醇为聚乙二醇和甘油的混合物。当所述多元醇为聚乙二醇和甘油的混合物时，聚乙二醇与甘油的混合重量比例优选为1-15∶1，更优选为1.5-10∶1。进一步优选情况下，相对于100重量份的秸秆木质素，所述聚乙二醇的加入量优选为80-150重量份，所述甘油的加入量优选为10-50重量份。

所述酸性催化剂可以为磷酸、盐酸、硫酸、甲酸、乙酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸、苯磺酸和苯甲酸中的一种或多种，最优选为硫酸。

所述淀粉可以为马铃薯淀粉、玉米淀粉、木薯淀粉和甘薯淀粉中的一种或多种。所述淀粉的颗粒尺寸优选为10-200目。

所述胺类催化剂可以为三乙烯二胺、三乙胺、三乙醇胺和二甲基环己胺中的一种或多种，最优选为三乙烯二胺。

所述发泡剂可以为各种常规的发泡剂，例如可以为一氟二氯乙烷、1，1，1，3，3-五氟丙烷、1，1，1，3，3-五氟丁烷、N，N-二亚硝基五次甲基四胺、偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酸二异丙酯、偶氮二甲酸二乙酯、偶氮二甲酸钡、4，4-二磺酰肼二苯醚、对甲苯磺酰肼、1，3-苯二磺酰肼、1，4-苯二磺酰肼、正丁烷、正戊烷、正己烷、正庚烷、石油醚、三氯氟甲烷、二氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟乙烷中的一种或多种。优选情况下，所述发泡剂为沸点较低的惰性烃类化合物，如一氟二氯乙烷、1，1，1，3，3-五氟丙烷和1，1，1，3，3-五氟丁烷中的一种或多种，最优选为一氟二氯乙烷。

所述异氰酸酯优选为具有两个以上异氰酸根的异氰酸酯(也即二异氰酸酯或多异氰酸酯)，所述具有两个以上异氰酸根的异氰酸酯例如可以为甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种。

为了提高最终制备的生物质基阻燃聚氨酯泡沫的机械性能和阻燃性能，所述生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备方法还可以加入泡沫稳定剂与所述木质素改性物、所述阻燃剂、聚醚多元醇、胺类催化剂和发泡剂混合。相对于100重量份的所述木质素改性物，所述泡沫稳定剂的加入量可以为1-10重量份，优选为1.5-8重量份。在本发明中，所述泡沫稳定剂优选为二甲基硅氧烷和/或硅油。

以下通过实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例用于说明本发明提供的所述阻燃剂及其制备方法。

将100重量份的季戊四醇和85重量份的磷酸混合，并在140℃下搅拌反应1小时，之后向反应产物中加入185重量份的聚醚多元醇(购自北京百灵清月聚氨酯厂的聚醚多元醇4110)、160重量份的聚磷酸铵(购自北京联创化工有限公司，聚合度为1500)和150重量份的三聚氰胺，并在140℃下搅拌反应0.5小时，从而制得阻燃剂。

对比例1

将100重量份的季戊四醇、85重量份的磷酸、185重量份的聚醚多元醇(购自北京百灵清月聚氨酯厂的聚醚多元醇4110)、160重量份的聚磷酸铵(购自北京联创化工有限公司，聚合度为1500)和150重量份的三聚氰胺直接混合，并在140℃下搅拌反应1.5小时，从而制得阻燃剂。

对比例2

根据实施例1的方法制备阻燃剂，所不同的是，季戊四醇和磷酸二者之间的反应在90℃下进行，从而制得阻燃剂。

对比例3

根据实施例1的方法制备阻燃剂，所不同的是，季戊四醇和磷酸二者之间反应在200℃下进行，从而制得阻燃剂。

对比例4

根据实施例1的方法制备阻燃剂，所不同的是，加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺之后的反应在90℃下进行，从而制得阻燃剂。

对比例5

根据实施例1的方法制备阻燃剂，所不同的是，加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺之后的反应在200℃下进行，从而制得阻燃剂。

实施例2

本实施例用于说明本发明提供的所述阻燃剂及其制备方法。

将100重量份的季戊四醇和80重量份的磷酸混合，并在130℃下搅拌反应1.5小时，之后向反应产物中加入210重量份的聚醚多元醇(购自北京百灵清月聚氨酯厂的聚醚多元醇403)、185重量份的聚磷酸铵(购自北京联创化工有限公司，聚合度为100)和120重量份的三聚氰胺，并在130℃下搅拌反应0.5小时，从而制得阻燃剂。

实施例3

本实施例用于说明本发明提供的所述阻燃剂及其制备方法。

将100重量份的季戊四醇和110重量份的磷酸混合，并在150℃下搅拌反应1小时，之后向反应产物中加入150重量份的聚醚多元醇(购自北京百灵清月聚氨酯厂的聚醚多元醇4110)、140重量份的聚磷酸铵(购自北京联创化工有限公司，聚合度为1500)和180重量份的三聚氰胺，并在150℃下搅拌反应0.5小时，从而制得阻燃剂。

实施例4

本实施例用于说明本发明提供的所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

将100重量份的玉米秸秆(颗粒尺寸为80-120目)、110重量份的聚乙二醇(PEG400)、30重量份的甘油和1.5重量份的硫酸(98％的浓硫酸)混合，并在120℃下反应2小时。然后，向反应所得混合物中加入100重量份的马铃薯淀粉(颗粒尺寸为80-120目)，并在80℃下搅拌反应0.8小时，得到木质素改性物。

在搅拌下，将100重量份的所述木质素改性物、150重量份的聚醚多元醇(购自北京百灵清月聚氨酯厂的聚醚多元醇4110)、5重量份的三乙烯二胺溶液(购自北京百灵清月聚氨酯厂，牌号为A33)、7.5重量份的二甲基硅氧烷(购自北京百灵清月聚氨酯厂)、50重量份的一氟二氯乙烷(购自北京百灵清月聚氨酯厂)和60重量份的实施例1中制备的阻燃剂均匀混合，然后，向其中加入322重量份的二苯基甲烷二异氰酸酯(购自杭州格林化工贸易有限公司)，以将异氰酸酯指数调节为1.2，搅拌均匀后，使得到的混合物在20℃下搅拌反应1.5分钟，然后，在85℃的烘箱中固化12小时，得到生物质基阻燃聚氨酯泡沫A1。

实施例5-6

本实施例用于说明本发明提供的所述阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。

根据上述方法制备生物质基阻燃聚氨酯泡沫，所不同的是，分别使用实施例2-3中制备的阻燃剂代替实施例1中制备的阻燃剂，从而分别制得生物质基阻燃聚氨酯泡沫A2-A3。

对比例6-11

根据上述方法制备生物质基阻燃聚氨酯泡沫，所不同的是，分别使用对比例1-5中制备的阻燃剂以及聚磷酸铵基阻燃剂(购自广州丰天化工有限公司，ExolitAP)代替实施例1中制备的阻燃剂，从而分别制得生物质基阻燃聚氨酯泡沫D1-D6。

测试例

使用锥形量热仪根据ISO 5660：2002的方法检测生物质基阻燃聚氨酯泡沫A1-A3和生物质基阻燃聚氨酯泡沫D1-D6的阻燃性能，其测试结果如下表1所示：

表1

从上述表1中可以看出，采用根据本发明的方法制备的阻燃剂制得的生物质基阻燃聚氨酯泡沫具有优良的阻燃性能。而且，通过将实施例4与对比例6-11进行比较可以看出，由于生物质基阻燃聚氨酯泡沫D1-D6的制备过程中未使用根据本发明的方法制备的阻燃剂，从而导致最终获得的生物质基阻燃聚氨酯泡沫的阻燃性能较差。

以上具体实施方式仅用于描述本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种阻燃剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：在100-180℃下，使磷酸和季戊四醇进行第一接触反应0.5-5小时，向该第一接触反应得到的产物中加入聚醚多元醇、聚磷酸铵和三聚氰胺，并在100-180℃下进行第二接触反应0.5-4小时；

其中，相对于100重量份的季戊四醇，所述磷酸的加入量为75-125重量份，所述聚醚多元醇的加入量为125-225重量份，所述聚磷酸铵的加入量为125-200重量份，所述三聚氰胺的加入量为100-200重量份；

所述聚磷酸铵的聚合度为50-2000。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一接触反应的条件包括：反应温度为120-160℃，反应时间为1-2小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二接触反应的条件包括：反应温度为120-160℃，反应时间为0.5-2小时。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，相对于100重量份的季戊四醇，所述磷酸的加入量为80-110重量份，所述聚醚多元醇的加入量为150-210重量份，所述聚磷酸铵的加入量为140-185重量份，所述三聚氰胺的加入量为120-180重量份。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚醚多元醇的重均分子量为200-5000。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚醚多元醇的重均分子量为400-1000。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚磷酸铵的聚合度为100-1500。

8.一种阻燃剂，该阻燃剂由权利要求1-7中任意一项所述方法制得。

9.权利要求8所述的阻燃剂在生物质基阻燃聚氨酯泡沫的制备中的应用。