CN103755742A

CN103755742A - 一种含dopo基团阻燃单体及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103755742A
Application number: CN201410047211.0A
Authority: CN
Inventors: 戴李宗; 陈国荣; 袁丛辉; 罗伟昂; 刘诚; 叶华立; 余世荣; 毛杰; 李聪; 何凯斌; 刘新瑜
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-02-11
Also published as: CN103755742B

Abstract

一种含DOPO基团阻燃单体及其制备方法与应用，涉及一种化合物。在反应瓶中依次加入有机溶剂、四氯化碳和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物，置于冰水浴中，边搅拌边加入甲基丙烯酸羟乙酯和缚酸剂，升温反应后，减压抽滤除去缚酸剂盐，通过旋蒸、洗涤和干燥对粗产物进行提纯后得到的产物即为含DOPO基团阻燃单体。所述含DOPO基团阻燃单体可在制备阻燃高分子材料中应用。反应条件温和、产率高，产物纯化分离操作简单，易于扩大性生产。通过自由基共聚的方式引入到聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中等聚合物基体中，制备出本质阻燃聚合物材料，克服了添加型阻燃剂与基体相容性差、使用过程易流失、耐水性差等缺陷。

Description

一种含DOPO基团阻燃单体及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种化合物，尤其是涉及一种含DOPO基团阻燃单体及其制备方法与应用。

背景技术

在当今社会，聚合物材料在国民生活的各个领域得到了广泛的应用，因其作为高分子材料的易燃性，阻燃技术受到全球性的关注。目前高分子材料阻燃的方法广泛采用的是在聚合物中加工过程中加入阻燃剂，常用的有卤系、红磷和Al(OH)₃等添加型阻燃剂。聚烯烃材料阻燃改性大多使用此类阻燃剂，但由于通常加入量很大，且需要在施工时候与基料共混，但由于聚合物大分子链大都为非极性链，再加上部分聚合物半结晶性的特点使其表面能极低，导致其与大多数聚合物或无机填料很难达到有效的相容，久置后易迁移到表面，发生类似橡胶的喷霜现象，严重影响其外观和力学性能。

与添加型阻燃剂相对应的反应型阻燃剂是以共价键形式嵌入聚合物母体之中，由于其良好的分散性、较高的阻燃效率，因而得到了国内外众多学者的广泛研究。如果能制备出一种含不饱和双键的阻燃单体，那么就可以通过自由基共聚的方式引入到各种聚烯烃材料分子链中达到本质阻燃的目的。

A.Dumitrascu等人（A.Dumitrascu,and B.A.Howell.Polymer Degradation and Stability.2012,97(12):2611-2618）以亚磷酸二甲酯和4-氯甲基苯乙烯为原料通过NaH催化下在THF溶剂体系中制备出了含磷的苯乙烯阻燃单体，并且将该阻燃单体通过与苯乙烯单体共聚方式制备出本质阻燃聚苯乙烯材料。结果表明由于该阻燃单体的可以显著降低聚苯乙烯材料的热释放速率（HRR）。但是由于该阻燃单体制备原料4-氯甲基苯乙烯的价格较高，并且该反应制备过程复杂、条件苛刻较难控制、产率较低，故难于用于实际的生产。

9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）是一种重要的有机磷阻燃剂中间体。其分子具有菲环结构，分子中的P-C键水解稳定性好，P-O键键能大、热稳定性高，联苯结构具有较高的刚性使其具有较好的机械性能。并且相比于卤系阻燃剂，DOPO及其衍生物在燃烧过程中所释放出的腐蚀性和毒性气体很少。是一种优良的阻燃剂，故其衍生结构一直是阻燃剂研发的热点。DOPO型阻燃剂大多用于聚酯和环氧树脂的阻燃改性，如Lligadas G等人（Lligadas G,RondaJ C,Gali M,et al.Journal of Polymer Science Part A:Polymer Chemistry.2006,44(19):5630-5644.）合成了一种含磷脂肪酸二环氧基化合物，然后分别使用DDM和含磷二氨BAMPO对其进行固化。结果表明，两体系均具有良好的热稳定性和阻燃性能，体系磷含量分别为3.9%和5.7%时，极限氧指数LOI值分别为31和32。目前，关于含不饱和双键且阻燃效率较高的DOPO反应型阻燃单体的报道还较少。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种含DOPO基团阻燃单体及其制备方法与应用。

所述含DOPO基团阻燃单体的分子结构式如下：

所述含DOPO基团阻燃单体的合成路线如下：

所述含DOPO基团阻燃单体的制备方法如下：

在反应瓶中依次加入有机溶剂、四氯化碳和9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)，置于冰水浴中，边搅拌边加入甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和缚酸剂，升温反应后，减压抽滤除去缚酸剂盐，通过旋蒸、洗涤和干燥对粗产物进行提纯后得到的产物即为含DOPO基团阻燃单体。

所述反应体系中，DOPO与HEMA的物质量比可为1∶（0.8～2.0）；DOPO与四氯化碳、缚酸剂的摩尔比可为1∶（1～3），DOPO与有机溶剂的配比可为1g∶（1～20）mL。

所述有机溶剂可选自甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷等中的一种。

所述缚酸剂可选自三乙胺、吡啶、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠等中的一种。

所述升温反应的条件可为升至20～40℃反应4～8h。

所述含DOPO基团阻燃单体可在制备阻燃高分子材料中应用。

所述制备阻燃高分子材料的具体方法如下：

将含DOPO基团阻燃单体与烯烃单体于30～80℃反应4～18h，得到所述阻燃高分子材料。

所述烯烃单体可选自苯乙烯、丙烯酸酯类单体、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺、丙烯腈等中的一种。

所述含DOPO基团阻燃单体的用量，按质量百分比，可占总体系的5%～50%。

本发明以DOPO和甲基丙烯酸羟乙酯为原料，在四氯化碳和缚酸剂的作用下，通过一步法制备出一种具有含DOPO基团和活性双键的阻燃单体。该合成具有反应条件温和、产率高，产物纯化分离操作简单，易于扩大性生产等优点。本发明利用含DOPO基团阻燃单体通过自由基共聚的方式引入到聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中等聚合物基体中，制备出本质阻燃聚合物材料，克服了添加型阻燃剂与基体相容性差、使用过程易流失、耐水性差等缺陷。本发明通过自由基共聚的方式引入到聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中等聚合物基体中。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述含DOPO基团阻燃单体采用一步法制备所得，所用的原料易得，成本低廉；反应条件温和、产率高；产物纯化分离操作简单，易于工业化。并且该阻燃单体不含卤素、阻燃效果好、适用范围广、符合环保要求；该阻燃单体能与聚合物单体以接枝或嵌段等形成共聚物，解决了有机阻燃剂在高分子材料中的分散性和迁移性问题，增加了阻燃剂的阻燃效率。

附图说明

图1为含DOPO基团阻燃单体的核磁共振氢（¹HNMR）谱图。在图1中，横坐标为化学位移chemical shift(ppm)。

图2为含DOPO基团阻燃单体的核磁共振磷（³¹PNMR）谱图。在图2中，横坐标为化学位移chemical shift(ppm)。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将2.16g(0.01mol)DOPO溶于10mL二氯甲烷中，置于冰水浴中，搅拌的条件下加2mL入四氯化碳。10min后慢慢加入2mL三乙胺。1min后缓慢滴入甲基丙烯酸羟乙酯1.30g(0.01mol)，滴加完毕后升至20℃继续搅拌8h后停止反应。之后减压抽滤，除去三乙胺盐。将滤液转移到分液漏斗中，依次用3%NaOH溶液、蒸馏水、饱和NaCl水溶液洗涤数次。有机层用无水MgSO₄无干燥，过滤，蒸去溶剂，最终浓缩制得黄色油状物，经氢谱（如图1）和磷谱（如图2）确认为目标产物含DOPO基团的阻燃单体，收率为80%。

实施例2

将2.16g(0.01mol)DOPO溶于10mL四氢呋喃中，置于冰水浴中，搅拌的条件下加2mL入四氯化碳。10min后慢慢加入2mL吡啶。1min后缓慢滴入甲基丙烯酸羟乙酯1.95g(0.015mol)，滴加完毕后升至30℃继续搅拌6h后停止反应。之后减压抽滤，除去吡啶盐。将滤液转移到分液漏斗中，依次用3%NaOH溶液、蒸馏水、饱和NaCl水溶液洗涤数次。有机层用无水MgSO₄无干燥，过滤，蒸去溶剂，最终浓缩制得黄色油状物，经氢谱（如图1）和磷谱（如图2）确认为目标产物含DOPO基团的阻燃单体，收率为85%。

实施例3

将2.16g(0.01mol)DOPO溶于10mL甲苯中，置于冰水浴中，搅拌的条件下加2mL入四氯化碳。10min后慢慢加入2mL三乙胺。1min后缓慢滴入甲基丙烯酸羟乙酯2.60g(0.02mol)，滴加完毕后升至40℃继续搅拌4h后停止反应。之后减压抽滤，除去三乙胺盐。将滤液转移到分液漏斗中，依次用3%NaOH溶液、蒸馏水、饱和NaCl水溶液洗涤数次。有机层用无水MgSO₄无干燥，过滤，蒸去溶剂，最终浓缩制得黄色油状物，经氢谱（如图1）和磷谱（如图2）确认为目标产物含DOPO基团的阻燃单体，收率为90%。

实施例4

在装有机械搅拌三颈瓶中，加入1.5g上述所制备的含DOPO基团的阻燃单体、28.5g甲基丙烯酸甲酯(MMA)和0.1g引发剂AIBN逐步加热至80℃，保温搅拌，当预聚物有一定粘度时，则移去热源，冷却至50℃左右，立即将预聚浆液注入模具中。将注有浆液的模具放入50℃烘箱内低温聚合12h，当成柔软透明固体时，升温至100℃下继续聚合2h，使之反应完全，然后再冷却至室温。得到阻燃聚甲基丙烯酸甲酯材料，该材料的LOI为23.5。

实施例5

在装有机械搅拌三颈瓶中，加入3.0g上述所制备的含DOPO基团的阻燃单体、27.0g甲基丙烯酸甲酯(MMA)和0.1g引发剂AIBN逐步加热至80℃，保温搅拌，当预聚物有一定粘度时，则移去热源，冷却至50℃左右，立即将预聚浆液注入模具中。将注有浆液的模具放入50℃烘箱内低温聚合12h，当成柔软透明固体时，升温至100℃下继续聚合2h，使之反应完全，然后再冷却至室温。得到阻燃聚甲基丙烯酸甲酯材料，该材料的LOI为26.5。

实施例6

在装有机械搅拌三颈瓶中加入1.5g上述所制备含DOPO基团的阻燃单体、28.5g苯乙烯、0.1g引发剂AIBN以及150mL的甲苯，在25℃下搅拌至混合，在N₂气氛保护下将反应混合物升温至95℃，反应6h后将反应物冷却至25℃，过滤分离出溶剂，得到阻燃聚苯乙烯材料，该材料的LOI为22.5。

实施例7

在装有机械搅拌三颈瓶中加入3.0g上述所制备含DOPO基团的阻燃单体、27.0g苯乙烯、0.1g引发剂AIBN以及150mL的甲苯，在25℃下搅拌至混合，在N2气氛保护下将反应混合物升温至95℃，反应6h后将反应物冷却至25℃，过滤分离出溶剂，得到阻燃聚苯乙烯材料，该材料的LOI为24.5。

Claims

1.一种含DOPO基团阻燃单体，其特征在于其分子结构式如下：

2.如权利要求1所述一种含DOPO基团阻燃单体的合成路线如下：

3.如权利要求1所述一种含DOPO基团阻燃单体的制备方法，其特征在于其具体步骤如下：

在反应瓶中依次加入有机溶剂、四氯化碳和DOPO，置于冰水浴中，边搅拌边加入HEMA和缚酸剂，升温反应后，减压抽滤除去缚酸剂盐，通过旋蒸、洗涤和干燥对粗产物进行提纯后得到的产物即为含DOPO基团阻燃单体。

4.如权利要求3所述一种含DOPO基团阻燃单体的制备方法，其特征在于所述DOPO与HEMA的物质量比为1∶（0.8～2.0）；DOPO与四氯化碳、缚酸剂的摩尔比为1∶（1～3），DOPO与有机溶剂的配比为1g∶（1～20）mL。

5.如权利要求3所述一种含DOPO基团阻燃单体的制备方法，其特征在于所述有机溶剂选自甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷中的一种。

6.如权利要求3所述一种含DOPO基团阻燃单体的制备方法，其特征在于所述缚酸剂选自三乙胺、吡啶、碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠中的一种。

7.如权利要求3所述一种含DOPO基团阻燃单体的制备方法，其特征在于所述升温反应的条件为升至20～40℃反应4～8h。

8.如权利要求1所述一种含DOPO基团阻燃单体在制备阻燃高分子材料中的应用。

9.如权利要求8所述应用，其特征在于所述制备阻燃高分子材料的具体方法如下：

10.如权利要求9所述应用，其特征在于所述烯烃单体选自苯乙烯、丙烯酸酯类单体、乙酸乙烯酯、丙烯酰胺、丙烯腈中的一种；所述含DOPO基团阻燃单体的用量，按质量百分比，可占总体系的5%～50%。