CN103333192B - 一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物及其制备方法 - Google Patents
一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物及其制备方法，该化合物的结构如下式所示：
Description
技术领域
本发明涉及一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物及其制备方法，该化合物可用作聚氯乙烯、不饱和聚酯、聚氨酯和环氧树脂等材料的阻燃剂。
背景技术
随着高分子工业的发展，塑料、橡胶和纤维等高分子材料逐渐得到了广泛的应用，由于它们的易燃性常会引发火灾，给人们的生命财产安全带来严重的威胁，从而促进了阻燃科学技术与阻燃剂工业的快速发展。其中硅系阻燃具有抑烟、促进成碳的优异性能，得到人们的重视，但一般硅系阻燃剂价格高，其应用受到了限制。而光伏产业的发展需求大量的多晶硅，在多晶硅生产中会产生大量的四氯化硅副产物，四氯化硅的综合利用给硅系阻燃剂的生产提供了廉价的原料，又可解决多晶硅产业副产物的综合利用问题。目前市场上对新型高效、低毒、价廉的阻燃增塑剂的需求有很强的急迫性，为此对阻燃增塑剂特别是对多元素协同增效阻燃增塑剂的开发已成为热点研究课题。
本发明公开了以四氯化硅为原料制备硅、卤多元素协同阻燃增塑剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的方法。把硅、卤多种阻燃元素设计在同一分子结构中，相互产生协同阻燃增效作用，其中硅元素具有良好的成炭作用，能有效防止材料受热熔融滴落而产生的二次燃烧。阻燃剂分子结构中引入了两个芳溴结构，其中溴的含量较高，使阻燃效能更高，并且芳溴结构具有电子结构的多向性及与聚氯乙烯等结构的相似性，可增加该阻燃剂与聚氯乙烯等高分子材料的相容性。本发明为解决四氯化硅综合利用的难题开辟了一条有效途径，又开发了一种廉价优良的阻燃增塑剂新品种，具有很好的环境效益，还具有很好的社会经济效益，有十分广阔的开发前景。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物。其物理化学性能稳定，耐热性好，与高分子材料相容性好，而且具有增塑和成炭防滴落作用，可克服现有技术中的不足。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物，其特征在于，该化合物结构如下式所示：
其中R为2-氯-1-丙基、1-氯-2-丙基、3-氯-1-丙基、2-溴-1-丙基、1-溴-2-丙基或3-溴-1-丙基。
本发明的另一目的在于提出一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的制备方法，其原料廉价易得，工艺简单，易于规模化生产，技术方案如下：
如上所述三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的制备方法，其特征在于，该方法为：在搅拌下，在氮气保护下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加等摩尔的卤代丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入三倍摩尔的三溴苯酚，升温至70-100℃，保温反应6-9h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷。
如上所述的卤代丙醇为2-氯-1-丙醇、1-氯-2-丙醇、3-氯-1-丙醇、2-溴-1-丙醇、1-溴-2-丙醇或3-溴-1-丙醇。
如上所述的四氯化硅的有机溶液其有机溶剂为二氧六环、乙腈、二氯乙烷、四氯乙烷、四氯化碳或乙二醇二甲醚。
如上所述的液面下滴加环氧丙烷为环氧丙烷是缚酸剂。
发明人研究中发现固体三溴苯酚在四氯化硅的有机溶液中分散性差，反应活性低，提高反应温度又会增加四氯化硅的挥发量，因此选用了先让1mol的卤代丙醇与1mol的四氯化硅反应，生成硅酸单酯，再与3mol三溴苯酚反应，改善了三溴苯酚在有机溶液中的分散性，并可以在较高的温度下反应，克服了四氯化硅的挥发性。
本发明的三(三溴苯氧基)氯丙氧基硅烷为淡黄色固体，其熔点：172±6℃，闪点(开口杯)：216±5℃，分解温度：255±5℃；三(三溴苯氧基)溴丙氧基硅烷为淡黄色固体，其熔点：177±6℃，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：260±5℃。上述三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的产率为97.1％～98.9％，其适合作为聚氯乙烯、不饱和聚酯、聚氨酯和环氧树脂等材料的阻燃剂之用，该三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的合成工艺原理如下式所示：
SiCl4+HOR→RO-SiCl3+HCl
其中R为2-氯-1-丙基、1-氯-2-丙基、3-氯-1-丙基、2-溴-1-丙基、1-溴-2-丙基或3-溴-1-丙基。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①本发明三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物，其物理化学性能稳定，分解温度高，与高分子材料相容性好，能适应于工程塑料的高温加工。
②本发明化合物分子中含有硅、卤多种阻燃元素，多元素协同阻燃效能高，其中硅元素具有成炭作用，从而有效防止材料受热熔融滴落而产生的二次燃烧，并且化合物还具有一定的增塑作用，可减少增塑剂的添加量。
③本发明以多晶硅产业的副产物四氯化硅为原料合成三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷，为解决四氯化硅综合利用的难题提供了一条有效途径，又开辟了廉价优良的阻燃剂新品种。
④本发明制备方法先让四氯化硅与等摩尔的卤丙醇在不反应的低温下混合，再升温反应保证了生成硅酸单酯，然后再和三溴苯酚反应，克服了三溴苯酚活性低及不易分散的缺点，也克服了四氯化硅高温下反应易挥发的特点。
⑤本发明以环氧丙烷作缚酸剂操作简单，易于提纯分离
⑥本发明合成中的溶剂可直接回收利用，其原料价廉易得，生产成本低，设备投资少，易于规模化生产，具有很好的应用、开发前景。
附图说明
为了进一步说明产品的结构和性能特给出如下附图。
1、三(三溴苯氧基)-2-氯-1-丙氧基硅烷的核磁光谱图，详见说明书附图图1；
图1表明，δ1.251-1.448为-OCH2CHClCH3上甲基H峰；δ3.433-3.555为-OCH2CHClCH3上与氯相连的亚甲基H峰；δ4.252-4.467为-OCH2CHClCH3上与氧相连的亚甲基H峰；δ7.578-7.773为苯环上H峰；δ7.265为溶剂氘代氯仿交换的质子峰。
2、三(三溴苯氧基)-1-氯-2-丙氧基硅烷的核磁光谱图，详见说明书附图图2；
图2表明，δ1.453-1.615为-OCH(CH3)CH2Cl上甲基H峰；δ3.781-3.952为-OCH(CH3)CH2Cl上氯甲基H峰；δ3.998-4.065为-OCH(CH3)CH2Cl上与氧相连的次甲基H峰；δ7.578-7.773为苯环上H峰；δ7.265为溶剂氘代氯仿交换的质子峰。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml二氧六环和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加9.45g(0.1mol)2-氯-1-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至90℃，保温反应7h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，在冷凝管上口装上一个可极度伸缩的软密封套，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-2-氯-1-丙氧基硅烷。其产率为98.9％，熔点：172℃，闪点(开口杯)：216±5℃，分解温度：255±5℃。
实施例2在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml乙腈和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加9.45g(0.1mol)1-氯-2-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至70℃，保温反应9h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-1-氯-2-丙氧基硅烷。其产率为97.1％，熔点：167℃，闪点(开口杯)：216±5℃，分解温度：255±5℃。
实施例3在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml四氯乙烷和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加9.45g(0.1mol)3-氯-1-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至100℃，保温反应6h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-3-氯-1-丙氧基硅烷。其产率为98.4％，熔点：178℃，闪点(开口杯)：216±5℃，分解温度：255±5℃。
实施例4在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml二氯乙烷和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加13.90g(0.1mol)2-溴-1-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至80℃，保温反应8h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-2-溴-1-丙氧基硅烷。其产率为97.2％，熔点：177℃，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：260±5℃。
实施例5在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml四氯化碳和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加13.90g(0.1mol)1-溴-2-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至70℃，保温反应9h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-1-溴-2-丙氧基硅烷。其产率为97.5％，熔点：172℃，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：260±5℃。
实施例6在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和高效回流冷凝管并在冷凝管上口装有串联干燥管的氯化氢吸收装置的500ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入180ml乙二醇二甲醚和16.99g(0.1mol)四氯化硅，在搅拌下，用冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加13.90g(0.1mol)3-溴-1-丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入99.24g(0.3mol)三溴苯酚，升温至80℃，保温反应8h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂(回收使用)和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)-3-溴-1-丙氧基硅烷。其产率为98.3％，熔点：183℃，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：260±5℃。
表1三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷的制备例主要工艺参数
本案发明人还将上述合成的三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷应用于聚氯乙烯中。参照：GB/T2406-2008《塑料燃烧性能试验方法-氧指数法》测产物在聚氯乙烯中的阻燃性能。取产物三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、Sb2O3和聚氯乙烯(PVC)以不同比例混合均匀后用挤出机挤出，并制成长15cm，直径为3mm的样条并对其阻燃和物理性能进行了测试，试验结果如表2、表3所示：
表2三(三溴苯氧基)氯丙氧基硅烷对聚氯乙烯阻燃和物理性能测试数据
表3三(三溴苯氧基)溴丙氧基硅烷对聚氯乙烯阻燃和物理性能测试数据
注：由于三(三溴苯氧基)氯丙氧基硅烷的异构体之间、三(三溴苯氧基)溴丙氧基硅烷的异构体之间的阻燃性能相同，没有以每一个具体的异构体的性能一一重复表述列出。
由表2、表3可知，三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷与聚氯乙烯有很好的相溶性，与Sb2O3有很好的阻燃协效性，具有良好的阻燃性能、成炭防滴落性能和增塑性能。三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷是优异的阻燃剂。
Claims (4)
1.一种阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物的制备方法，其特征在于，该方法为：在搅拌下，在氮气保护下，周冰水浴冷却，使反应体系温度降低到0℃，向四氯化硅的有机溶液中滴加等摩尔的卤代丙醇，滴加过程控制温度在5℃以下，滴完后，1h升温到30℃，保温反应1h，氯化氢放完后，再加入三倍摩尔的三溴苯酚，升温至70-100℃，保温反应6-9h，氯化氢放完后，降温至40℃以下，液面下滴加环氧丙烷除掉反应液中微量的酸，检验反应液pH＝5-6时为终点，减压蒸馏除去溶剂和少量低沸点物，得产品三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷，该化合物的结构如下式所示：
式中R为2-氯-1-丙基、1-氯-2-丙基、3-氯-1-丙基、2-溴-1-丙基、1-溴-2-丙基或3-溴-1-丙基。
2.根据权利要求1所述阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物的制备方法，其特征在于：所述的四氯化硅的有机溶液其有机溶剂为二氧六环、乙腈、二氯乙烷、四氯乙烷、四氯化碳或乙二醇二甲醚。
3.根据权利要求1所述阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物的制备方法，其特征在于：所述的液面下滴加环氧丙烷为环氧丙烷是缚酸剂。
4.根据权利要求1所述阻燃剂三(三溴苯氧基)卤丙氧基硅烷化合物的制备方法，其特征在于：所述的减压蒸馏除去溶剂为收集的溶剂回收使用。
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