CN103333196B - 一种阻燃剂三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阻燃剂三溴苯氧基三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溴苯氧基三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
随着我国科学技术的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们的安全意识逐渐增强，特别是易燃高分子材料的广泛使用，由于它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。虽然卤系阻燃剂燃烧时存在有放出卤化氢的缺点，但卤系阻燃剂综合性价比高，目前还很难找到理想的替代物，因此对高效卤系阻燃剂的开发和应用仍是研究的重要方向。
本发明是用多晶硅产业的副产物四氯化硅为主要原料合成一种分子内具有硅、卤多重阻燃元素的阻燃剂，硅、卤多元素以不同的机理气固相协同阻燃产生协同阻燃增效作用，使产品具有高效阻燃性；由于该阻燃剂分子结构中引入了芳溴结构，其中溴元素具有很好的阻燃作用，分子中的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，因而可增加该阻燃剂与聚氯乙烯等高分子材料的相容性；分子结构中的硅元素使该阻燃剂受热时可生成致密的硅炭层，具有优良的成炭作用，能有效防止材料受热熔融滴落而产生的二次燃烧。
本发明开辟了一个廉价优良的阻燃剂新品种，合成工艺环境友好，符合阻燃剂的发展方向，具有很好的经济意义和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溴苯氧基三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：
一种阻燃剂三溴苯氧基三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溴苯氧基三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：
如上所述三溴苯氧基三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，再加入等摩尔的三溴苯酚，升温至50-70℃，保温反应2-4h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加两倍摩尔的卤代丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至40-60℃，保温反应3-6h，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。
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、二氯乙烷、四氯化碳、氯仿、乙腈或乙二醇二甲醚。
如上所述的液面下滴加环氧丙烷为环氧丙烷是缚酸剂。
发明人研究中发现苯酚反应活性较高，在较低的温度下与四氯化硅就可以顺利反应，但是苯酚的结构中没有阻燃元素，其产品的阻燃性能不高。而三溴苯酚为固体，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1mol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。
本发明的三溴苯氧基三氯丙氧基硅烷为淡黄色液体，其闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度为265±5℃，密度：1.784±0.005g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5794±0.005；三溴苯氧基三溴丙氧基硅烷为淡黄色液体，其闪点(开口杯)：234±5℃，分解温度为272±5℃，密度：1.882±0.005g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5947±0.005。上述三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷的产率为96.5％～98.8％，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，该三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷的合成工艺原理如下式所示：
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。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①本发明三溴苯氧基三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硅卤协同阻燃剂三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷，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、三溴苯氧基三(2-氯-1-丙基)硅烷的核磁光谱图，详见说明书附图图1；
图1表明，δ1.283-1.397为-OCH2CHClCH3上甲基H峰；δ3.401-3.602为-OCH2CHClCH3上与氯相连的亚甲基H峰；δ4.212-4.401为-OCH2CHClCH3上与氧相连的亚甲基H峰；δ7.486-7.698为苯环上H峰；δ7.267为溶剂氘代氯仿交换的质子峰。
2、三溴苯氧基三(1-氯-2-丙基)硅烷的核磁光谱图，详见说明书附图图2；
图2表明，δ1.435-1.556为-OCH(CH3)CH2Cl上甲基H峰；δ3.728-3.899为-OCH(CH3)CH2Cl上氯甲基H峰；δ4.011-4.128为-OCH(CH3)CH2Cl上与氧相连的次甲基H峰；δ7.486-7.698为苯环上H峰；δ7.267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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至65℃，保温反应3h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加18.90g(0.2mol)2-氯-1-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至50℃，保温反应4.5h，氯化氢放完后，降温至40℃，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为98.5％，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：265±5℃，密度：1.784g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5794。
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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至50℃，保温反应3.5h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加18.90g(0.2mol)1-氯-2-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至55℃，保温反应5h，氯化氢放完后，降温至40℃，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为97.3％，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：265±5℃，密度：1.780g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5798。
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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至70℃，保温反应2h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加18.90g(0.2mol)3-氯-1-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至60℃，保温反应4h，氯化氢放完后，降温至40℃，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为96.7％，闪点(开口杯)：228±5℃，分解温度：265±5℃，密度：1.789g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5790。
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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至55℃，保温反应3h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加27.80g(0.2mol)2-溴-1-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至45℃，保温反应5.5h，氯化氢放完后，降温至40℃，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为97.2％，其闪点(开口杯)：234±5℃，分解温度：272±5℃，密度：1.882g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5947。
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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml氯仿和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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至50℃，保温反应4h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加27.80g(0.2mol)1-溴-2-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至40℃，保温反应6h，氯化氢放完后，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为96.5％，其闪点(开口杯)：234±5℃，分解温度：272±5℃，密度：1.878g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5951。
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250ml四口烧瓶中，用氮气置换掉瓶内的空气后，加入80ml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33.08g(0.1mol)三溴苯酚，升温至60℃，保温反应3h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加27.80g(0.2mol)3-溴-1-丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至60℃，保温反应3h，降温至40℃，氯化氢放完后，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)及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷。其产率为98.8％，其闪点(开口杯)：234±5℃，分解温度：272±5℃，密度：1.886g/cm3(25℃)，折光率：nD 25＝1.5943。
表1三溴苯氧基三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溴苯氧基三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。取产物三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷、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2三溴苯氧基三氯丙氧基硅烷对聚氯乙烯阻燃和物理性能测试数据
表3三溴苯氧基三溴丙氧基硅烷对聚氯乙烯阻燃和物理性能测试数据
注：由于三溴苯氧基三氯丙氧基硅烷的异构体之间、三溴苯氧基三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。
由上表2、表3可知，三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷与聚氯乙烯相溶性好，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。三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷是优异的阻燃剂。
Claims (3)
1.一种阻燃剂三溴苯氧基三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，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，再加入等摩尔的三溴苯酚，升温至50-70℃，保温反应2-4h，氯化氢放完后，降温至20℃以下，再滴加两倍摩尔的卤代丙醇，以滴加速度控制温度不超过30℃，滴完后，升温至40-60℃，保温反应3-6h，氯化氢放完后，降温至40℃，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，减压蒸馏除去溶剂及少量低沸点物，得产品三溴苯氧基三卤丙氧基硅烷，该化合物的结构如下式所示：
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。
2.根据权利要求1所述阻燃剂三溴苯氧基三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、四氯化碳、二氯乙烷、氯仿或乙二醇二甲醚。
3.根据权利要求1所述阻燃剂三溴苯氧基三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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Address after: 215009, CREE campus, 1 hi tech Zone, Suzhou, Jiangsu Province, Suzhou University of science and technology Patentee after: Suzhou University of Science and Technology Address before: 215009 Suzhou City, Jiangsu province high tech Zone CREE Road, No. 1 Patentee before: University of Science and Technology of Suzhou |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191107 Address after: 215600 No.11 Renmin Road, Leyu Town, Zhangjiagang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: Zhangjiagang Leyu science and Technology Innovation Park Investment Development Co., Ltd Address before: 215009, CREE campus, 1 hi tech Zone, Suzhou, Jiangsu Province, Suzhou University of science and technology Patentee before: Suzhou University of Science and Technology |
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| TR01 | Transfer of patent right |