CN104193967A

CN104193967A - 一种含双dopo的双酚a-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物及其制备方法

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Publication number: CN104193967A
Application number: CN201410452055.6A
Authority: CN
Inventors: 史铁钧; 刘建华; 徐国梅
Original assignee: 史铁钧
Current assignee: Jiangmen Kingboard Karwi Electronics Development Ltd
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: CN104193967B

Abstract

本发明公开了一种含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物，是由含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂混合后升温开环共聚得到的；所述含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的结构式如下：

Description

一种含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物及其制备方法

一、技术领域

本发明涉及的是一种有机高分子材料及其制备方法，具体地说是一种含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物及其制备方法，是以双酚A-双苯并噁嗪为原料，通过两步法制备得到含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的新型苯并噁嗪，再与环氧树脂进行共聚，得到新型阻燃共聚物。

二、背景技术

苯并噁嗪树脂是在传统酚醛树脂的基础上发展起来的一种新型热固性酚醛树脂，一般由酚、胺和多聚甲醛合成而得，是氧、氮原子构成的六元杂环体系，最初是由Holly和Cope在研究Mannich反应中发现。它不仅具有传统酚醛树脂的耐高温、阻燃、良好的介电性能和力学性能，还具有合成工艺简单、来源广泛、成本低廉以及残炭率高、Tg高、尺寸稳定性好，固化过程不需要催化剂，低吸水性和很强的分子设计性等众多优点。苯并噁嗪树脂的这些优点，使其在模压及注塑制品、新型高性能涂料、粘合剂、电子、航空航天、高性能结构材料和其他工业领域受到了越来越多的重视，具有广阔的应用前景。

但是由于苯并噁嗪自身分子结构的一些特点，致使苯并噁嗪树脂有一定的缺点，如缺少耐热、阻燃性基团，从而使得树脂的高温性能受到了影响，在一定程度上阻碍了苯并噁嗪树脂的应用和发展。

为改善苯并噁嗪树脂的性能，主要采用以下几种方法：利用分子的特点，采用不同的酚源或胺源，合成出不同结构的苯并噁嗪树脂；通过无机纳米粒子改性，引入适当的第二组分，使其均匀地分散在苯并噁嗪树脂基体中，达到改善树脂耐热性能的目的；共混或共聚改性，将其他热固性树脂预聚体或热塑性的树脂与苯并噁嗪共混，改善苯并噁嗪树脂的性能；制备新型的苯并噁嗪树脂。

三、发明内容

本发明旨在提供一种含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物及其制备方法，所要解决的技术问题是通过分子设计优化苯并噁嗪单体的结构，以提高苯并噁嗪树脂的耐热阻燃性能。

9，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)是一种新型阻燃剂中间体，其结构中含有P-H键，对烯烃、环氧键和羰基极具活性，可反应生成许多衍生物。DOPO及其衍生物由于分子结构中含有联苯环和菲环结构，特别是侧磷基团以环状O＝P-O键的方式引入，比一般的、未成环的有机磷酸酯热稳定性和化学稳定性高，阻燃性能更好。

本发明先以DOPO和双酚A-双苯并噁嗪进行反应，合成了反应中间体含双DOPO的双酚A，再用其与苯胺、多聚甲醛反应，合成了含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪。该新型苯并噁嗪一方面保持了苯并噁嗪中原有优良特性，另一方面，引入的双含磷基团又提高了树脂的耐热阻燃特性。再将制得含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂混合，升温开环共聚后得到目标产物。

本发明含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物的结构示意如下：

本发明共聚物是三维网状体型结构的交联聚合物，不溶于溶剂，无法得出分子量的具体范围。

本发明含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物是通过以下方法制备得到的：

1)将15-20g双酚A-双苯并噁嗪和有机溶剂加入反应器中，搅拌0.5-1小时后向反应器中加入16-20g DOPO，在氮气保护下于40-70℃搅拌反应7-10小时，反应结束后用去离子水洗涤，过滤收集沉淀物，于80℃真空干燥后得到反应中间体含双DOPO的双酚A；

所述双酚A-双苯并噁嗪的结构式为：

所述反应中间体含双DOPO的双酚A的结构式为：

2)将1-3g苯胺、1-3g多聚甲醛和有机溶剂加入反应器中，搅拌0.5-1小时后向反应器中加入15-20g反应中间体含双DOPO的双酚A，在氮气保护下于60-90℃搅拌反应10-20小时，反应结束后用去离子水洗涤，过滤收集沉淀物，于80℃真空干燥后得到含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪；

所述含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的结构式为：

3)将制得的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂以质量比0.5：1的比例混合，升温开环共聚后得到目标产物。

所述升温开环共聚的具体升温过程如下：

依次升温至80℃保温2h、100℃保温2h、120℃保温2h、150℃保温2h、180℃保温2h、210℃保温1h、240℃保温1h。

本发明使用的环氧树脂为环氧树脂6101。

步骤1)和步骤2)中所述有机溶剂选自四氢呋喃、氯仿或二氧六烷。

本发明反应过程如下：

1、反应中间体含双DOPO的双酚A的合成过程为：

2、含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的合成过程为：

3、含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂6101共聚物的合成过程为：

通过双酚A-双苯并噁嗪和合成的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的结构式对比可以看出，本发明合成得到的新型含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪，较之于双酚A-双苯并噁嗪而言，在双酚A苯环上引入了DOPO，从而使树脂的耐热性能得到进一步改善和提高。

通过含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂6101共聚物的合成方程式可以看出，制备的苯并噁嗪开环后形成的酚羟基可以用作环氧树脂的固化剂。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明通过分子设计制备得到含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪，该单体制备的苯并噁嗪树脂既继承了苯并噁嗪结构的优良性能，又引入了含磷基团，提高了树脂的耐热性能。

2、本发明制备过程使用的原料及溶剂都比较环保，没有使用对环境污染大的材料，合成的树脂也容易处理，且溶剂可以重复使用。

3、本发明制备工艺简单，成本低廉，收率超过80％。

4、本发明制备得到的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂6101共聚物，其交联固化物具有很好的阻燃性能，LOI可以达到37，UL94等级为V-0。相对于纯环氧树脂固化物在空气中LOI值19相比，其具有优良的阻燃性能。

四、附图说明

图1为反应中间体含双DOPO的双酚A的碳核磁共振谱谱图。图1中δ＝39.65ppm表示DMSO，δ＝30.6ppm代表原双酚A中的两个-CH₃，δ＝40.3ppm代表原双酚A中的季碳原子，δ＝49.6ppm代表与苯环相连的-C-N中的碳原子，δ＝50.8ppm代表N-C-P中的碳原子，δ＝152.5ppm代表酚羟基上的碳原子，Ar-C代表苯环上其他的碳原子。

图2为含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的碳核磁共振谱谱图。图2中δ＝40.02ppm表示DMSO，δ＝30.80ppm代表原双酚A中的两个-CH₃碳原子b，δ＝40.86ppm代表原双酚A中的季碳原子a，δ＝49.46ppm代表与N-C-O中的碳原子c，δ＝50.26ppm代表与苯环相连的-C-N中的碳原子e，δ＝51.40ppm代表N-C-P中的碳原子f，δ＝57.28ppm代表苯并噁嗪中与苯环相连的-C-N中的碳原子d，g为与酚羟基中相连的苯环上的碳原子，Ar-C代表苯环上其他的碳原子。

图3为含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪开环聚合后形成的聚苯并噁嗪在氮气保护下的TG-DTG曲线。由图3可以看出，聚合物的热分解温度为348℃，显示较高的热稳定性。在463℃分解速度达到最快，在800℃时的残碳率为35.77％。

图4为升温固化后得到的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物在氮气保护下的TG曲线。由图4可以看出，共聚物的热分解温度为346℃，显示较高的热稳定性。相对于含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的TG曲线来说，共聚物的热分解曲线较为平缓，在800℃时的残碳率为26.31％。

由图3和图4对比可以看出，两者的起始分解温度相差不大。与纯含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪35.77％的残碳率相比，本发明共聚物的残炭率降低9.46％，这说明环氧树脂的加入可以增加苯并噁嗪树脂的交联度，降低了苯并噁嗪树脂的刚性，提高了其柔韧性，更适合材料加工成型。

五、具体实施方式

实施例1：

1、在室温条件下，向装有机械搅拌、氮气保护和回流冷凝的250mL圆底烧瓶中加入18.48g(0.04mol)的双酚A-双苯并噁嗪和150ml有机溶剂THF，搅拌0.5小时后加入17.28g(0.08mol)的DOPO，升温至70℃回流反应12h，反应结束后将反应得到的产物用去离子水洗涤三次，沉淀过滤，得到沉淀物，旋蒸除去溶剂，再于80℃真空干燥，得到31.46g的反应中间体含双DOPO的双酚A，收率88％。

2、称取1.86g(0.02mol)苯胺、1.2g(0.04mol)多聚甲醛和100ml有机溶剂THF加入装有机械搅拌、氮气保护和回流冷凝的250mL圆底烧瓶中，搅拌1小时后向反应器中加入17.88g(0.02mol)反应中间体含双DOPO的双酚A，80℃搅拌反应16小时，反应结束后用去离子水洗涤，过滤收集沉淀物，于80℃真空干燥，得到16.38g的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪，收率81％。

3、将所制得的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂以质量比0.5：1的比例混合均匀，升温开环共聚后得到目标产物。升温开环共聚的具体升温过程如下：

实施例2：

1、在室温条件下，向装有机械搅拌、氮气保护和回流冷凝的250mL圆底烧瓶中加入18.48g的双酚A-双苯并噁嗪和150ml有机溶剂三氯甲烷，搅拌1小时后加入17.28g的DOPO，升温至70℃回流反应12h，反应结束后将反应得到的产物用去离子水洗涤三次，沉淀过滤，得到沉淀物，旋蒸除去溶剂，再于80℃真空干燥，得到30.74g的反应中间体含双DOPO的双酚A，收率86％。

2、称取1.86g苯胺，1.2g多聚甲醛和100ml有机溶剂二氧六烷加入装有机械搅拌、氮气保护的250mL圆底烧瓶中，搅拌1小时后向反应器中加入16.38g反应中间体含双DOPO的双酚A，90℃搅拌反应16小时，反应结束后用去离子水洗涤，过滤收集沉淀物，于80℃真空干燥，得到16.78g的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪，收率83％。

实施例3：

1、在室温条件下，向装有机械搅拌、氮气保护和回流冷凝的250mL圆底烧瓶中加入18.48g的双酚A-双苯并噁嗪和100ml有机溶剂THF，搅拌0.5小时后加入17.28g的DOPO，升温至70℃回流反应12h，反应结束后将反应得到的产物用去离子水洗涤三次，沉淀过滤，得到沉淀物，旋蒸除去溶剂，再于80℃真空干燥，得到31.46g的反应中间体含双DOPO的双酚A，收率88％。

2、称取1.86g苯胺、1.2g多聚甲醛和100ml有机溶剂二氧六烷加入装有机械搅拌、氮气保护的250mL圆底烧瓶中，搅拌2小时后向反应器中加入17.88g反应中间体含双DOPO的双酚A，80℃搅拌反应20小时，反应结束后用去离子水洗涤，过滤收集沉淀物，于80℃真空干燥，得到16.99g的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪，收率84％。

3、将所制得的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂以质量比0.5：1的比例混合均匀，，升温开环共聚后得到目标产物。升温开环共聚的具体升温过程如下：

表1 不同共聚物的阻燃性能评估

表1为不同配比的共聚物阻燃性能评估，样品0为不加苯并噁嗪和咪唑(IMZ)的纯环氧树脂，产物在升温结束后依旧呈现液态，流动性好，无颜色，说明环氧树脂6101在没有固化剂存在的条件下，高温下不能固化。样品1为添加10％固化剂咪唑而得到的环氧树脂固化物，产物在升温结束后不可流动，呈现固态，室温下不可以弯曲，颜色棕色，说明环氧树脂6101在固化剂咪唑存在的条件下，可以固化。样品2为添加质量分数50％的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪而得到的环氧树脂固化物，产物在升温结束后没有流动性，颜色红棕色，呈现硬而脆的固态，说明环氧树脂6101在苯并噁嗪存在的条件下，可以固化。这也间接地证明了苯并噁嗪可以用作环氧树脂的固化剂。

由表1可知，样品1在UL94测试中，移除火源后，样品整体燃烧，不会自熄，有液滴滴落，测得其极限氧指数LOI为19，属于易燃材料；当添加50wt％的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪时，样品2在UL94测试中，移除火源后，试样离火自熄，且平均火焰燃烧时间小于10s，无液滴滴落，测得其极限氧指数LOI为37，可以达到最高标准V-0级。同时存在磷、氮两种元素的新型无卤阻燃苯并噁嗪的加入，使得环氧树脂LOI值增加了约95％，使得环氧树脂的阻燃性能得到了极大的提高。

Claims

1.一种含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物，其特征在于：是由含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂混合后升温开环共聚得到的；

所述含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪的结构式如下：

2.根据权利要求1所述的共聚物，其特征在于：

含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪与环氧树脂的质量比为0.5：1。

3.一种权利要求1所述的含双DOPO的双酚A-单苯并噁嗪/环氧树脂共聚物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

所述升温开环共聚的具体升温过程如下：

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤1)中所述有机溶剂选自四氢呋喃、氯仿或二氧六烷。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤2)中所述有机溶剂选自四氢呋喃、氯仿或二氧六烷。