CN104193981A - 一种含磷聚碳酸酯的制备方法 - Google Patents

一种含磷聚碳酸酯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含磷聚碳酸酯的制备方法,包括以下步骤:先将二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷反应制备线型含磷化合物;再将步骤a中所得线型含磷化合物与芳族二羟基化合物和碳酸二酯通过熔融酯交换法制备含磷聚碳酸酯。本发明将线型含磷化合物通过酯交换引入聚碳酸酯中,使制得的聚碳酸酯具备阻燃性的同时解决了含磷活性单体成本高、制备工艺复杂的问题。本发明不仅实现含磷聚碳酸酯的高效制备,而且由于工艺路线简单,产品的成本得到有效控制,具有非常好的工业应用前景。

Description

一种含磷聚碳酸酯的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子化学技术领域,具体地指一种含磷聚碳酸酯的制备方法。
背景技术
聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)是一种透明的热塑性工程塑料,其因多方面的优良性能而被广泛应用于电子、光学材料、医疗器械和航空航天等领域。
聚碳酸酯本身具有一定的阻燃性,纯PC极限氧指数可达22-29%,UL94测试可达V-2级别,但仍无法满足电子电器、汽车部件、建筑材料等领域对阻燃性能的要求,因此需对PC进行阻燃改性。
目前工业上常用于PC及其合金的阻燃剂主要有十(或八)溴二苯醚、四溴双酚A、含溴碳酸酯齐聚物等溴系阻燃剂。但是,由于向聚合物加入卤系阻燃剂会引发各种环境问题,无卤、低烟、低毒的有机磷系阻燃剂已获得人们的广泛关注。但是传统添加型有机磷阻燃剂存在耐热性较差、挥发性较大及会导致塑料的热变形温度下降等问题。有研究将磷元素引入到聚合物链中,得到含磷PC,从而达到阻燃的目的,可以解决上述传统有机磷阻燃剂存在的问题。但是所采用的的含磷活性单体如DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)及其衍生物等制备过程较为繁琐,成本高,无法满足市场需要。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足,提供一种含磷聚碳酸酯的制备方法
本发明的技术方案为:一种含磷聚碳酸酯的制备方法,包括以下步骤:
a.将二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷反应制备线型含磷化合物;
b.将步骤a中所得线型含磷化合物与芳族二羟基化合物和碳酸二酯通过熔融酯交换法制备含磷聚碳酸酯。
优选的,所述二羟基化合物,其化学结构符合以下通式:
HO-R-OH
其中,R为2-8个碳原子的亚烃基、环亚烃基或芳亚烃基。
优选的,所述2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷,其化学结构符合以下通式:
其中,R1为1-8个碳原子的烷基或芳基,1-8个碳原子的烷基或芳基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、环己基、庚基、辛基、苯基、苯甲基、甲苯基、苯乙基、乙苯基、二甲基苯基中的一种;R2为氢原子或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种。
优选的,所述芳族二羟基化合物,其化学结构符合以下通式:
其中,R3为卤素原子或1-4个碳原子的烷基,卤素原子为氟、氯、溴或碘原子中的一种,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,R3在苯环上可处在羟基的邻位或间位,m为0-4的整数;R4为卤素原子或1-4个碳原子的烷基,卤素原子为氟、氯、溴或碘原子中的一种,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,R4在苯环上可处在羟基的邻位或间位,n为0-4的整数;Z为-S-、-SO-、-SO2-、-O-、-CO-、1-6个碳原子的亚烷基或5-6个碳原子的环亚烷基,1-6个碳原子的亚烷基为亚甲基、亚乙基、亚丙基、异亚丙基、亚丁基、亚戊基或亚己基中的一种,5-6个碳原子的环亚烷基为亚环戊基或亚环己基。
优选的,所述碳酸二酯,其化学结构符合以下通式:
其中,R5为-H、-F、-Cl、-Br、-I或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,R5可在苯环上除-OC(O)O-的任意位置;R6为-H、-F、-Cl、-Br、-I或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,R6可在苯环上除-OC(O)O-的任意位置。
优选的,所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,步骤为:
a.将2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷置于容器中搅拌,于90-140℃温度下熔融后,加入二羟基化合物,继续反应1-4小时,得到线型含磷化合物;
b.将芳族二羟基化合物、线型含磷化合物、碳酸二酯和催化剂于140-190℃、0.01-0.06MPa条件下反应1-4小时;逐步升温至220-280℃,升温同时增大体系内压力为50Pa-2000Pa,继续反应2-4小时后停止反应,将所得产物溶解于其良性溶剂中,再于不良溶剂中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重。
进一步的,所述二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷摩尔比为1:2。
进一步的,所述芳族二羟基化合物、线型含磷化合物摩尔量之和与碳酸二酯的摩尔量相等;芳族二羟基化合物占芳族二羟基化合物、线型含磷化合物的摩尔量和的百分比为40-98%。
进一步的,所述催化剂为乙酸锌、乙酸锂或氢氧化锂,催化剂所用质量为碳酸二酯质量的0.05%-2%。
进一步的,所述产物后处理的良性溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷或四氢呋喃;不良溶剂为无水甲醇或无水乙醇。
步骤a中线型含磷化合物,其化学结构符合以下通式:
其中,线型含磷化合物R1和R2为步骤a中所使用的2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷上的官能团R1和R2
本发明使用二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷反应制备线型含磷化合物,再将线型含磷化合物通过酯交换引入聚碳酸酯中,使制得的聚碳酸酯具备阻燃性的同时解决了含磷活性单体成本高、制备工艺复杂的问题。本发明不仅实现含磷聚碳酸酯的高效制备,而且由于工艺路线简单,产品的成本得到有效控制,具有非常好的工业应用前景。
附图说明
图1为实施例1制得线型含磷化合物的红外谱图。
图2为实施例1所得含磷聚碳酸酯的红外谱图。
图3为实施例1所得含磷聚碳酸酯DSC扫描曲线。
图4为实施例1所得含磷聚碳酸酯热失重曲线(氮气气氛)。
图5为图4处理后的热失重速率曲线(氮气气氛)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于105℃滴加0.125mol乙二醇,反应1.5小时,反应结束后得黄色粘稠状线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二苯酯、0.388mol双酚A(2,2-二(4-羟基苯基)丙烷)、0.012mol线型含磷化合物和乙酸锌(催化剂,加入质量为碳酸二苯酯质量的0.1%),于170℃、0.06MPa条件下反应1.5小时;升温至270℃并减压至约2000Pa,继续反应2小时停止。将所得产物溶解于四氢呋喃中,再于乙醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
实施例2:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-乙基-4-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于90℃滴加0.125mol辛二醇,反应4小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.392mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.008mol线型含磷化合物和乙酸锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的0.05%),于190℃、0.01MPa条件下反应1小时;升温至280℃并减压至约50Pa,继续反应4小时停止。将所得产物溶解于二氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例3:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.5mol2-丙基-4-丙基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃一次加入0.25mol丁二醇,反应3小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.24mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.16mol线型含磷化合物和乙酸锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的0.05%),于190℃、0.01MPa条件下反应1小时;升温至280℃并减压至约50Pa,继续反应1.5小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例4:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-辛基-4-异丙基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于140℃一次加入0.125mol对苯二酚,反应2.5小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.36mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.04mol线型含磷化合物和氢氧化锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的1.5%),于170℃、0.06MPa条件下反应2小时;升温至250℃并减压至约2000Pa,继续反应2.5小时停止。将所得产物溶解于二氯甲烷中,再于无水乙醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例5:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-正丁基-4-叔丁基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于140℃滴加0.125mol己二醇,反应3小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.31mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.09mol线型含磷化合物和乙酸锌(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的2%),于180℃、0.04MPa条件下反应1.5小时;升温至270℃并减压至约2000Pa,继续反应2小时停止。将所得产物溶解于二氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例6:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-苯基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃一次加入0.125mol1,4-环己二醇,反应2.5小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.28mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.12mol线型含磷化合物和氢氧化锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的1%),于170℃、0.05MPa条件下反应1.5小时;升温至260℃并减压至约200Pa,继续反应2.5小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例7:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-甲苯基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于130℃一次加入0.125mol乙二醇,反应2小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.30mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.10mol线型含磷化合物和乙酸锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的1%),于160℃、0.06MPa条件下反应2小时;升温至270℃并减压至约1500Pa,继续反应3小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例8:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-二甲基苯基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃滴加0.125mol乙二醇,反应2.5小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.38mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.02mol线型含磷化合物和乙酸锌(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的2%),于160℃、0.06MPa条件下反应2.5小时;升温至270℃并减压至约50Pa,继续反应2.5小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例9
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-乙苯基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃滴加0.125mol乙二醇,反应3小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.16mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.24mol线型含磷化合物和氢氧化锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的0.5%),于140℃、0.05MPa条件下反应4小时;升温至220℃并减压至约50Pa,继续反应3小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例10:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃滴加0.125mol丙二醇,反应3小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.38mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.02mol线型含磷化合物和氢氧化锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的0.5%),于160℃、0.05MPa条件下反应2.5小时;升温至240℃并减压至约50Pa,继续反应3小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
实施例11:
a.线型含磷化合物的合成:
称取约0.25mol2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷于250mL三口烧瓶中,于120℃滴加0.125mol丙二醇,反应3小时,反应结束后得线型含磷化合物。
b.含磷聚碳酸酯的合成:
将0.40mol碳酸二酯、0.38mol芳族二羟基化合物(化学结构见下式)、0.02mol线型含磷化合物和乙酸锂(催化剂,加入质量为碳酸二酯质量的1%),于160℃、0.04MPa条件下反应2小时;升温至260℃并减压至约50Pa,继续反应2小时停止。将所得产物溶解于三氯甲烷中,再于无水甲醇中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重,得粉末状固体。
碳酸二酯:
芳族二羟基化合物:
将实施例1中制得的线性含磷化合物和最终产物聚碳酸酯进行红外测试,从图1(2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷、乙二醇及所得线型含磷化合物的红外谱图)可以看出:对比反应物(2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷和乙二醇)和产物的红外谱图可以看到:反应后,OP中P-O-C的特征峰(1059.76cm-1和823.27cm-1)以及乙二醇的羟基特征峰(3294.91cm-1)消失,并且在产物中出现酯键特征峰(C=O:1726.20cm-1,COC:1236.36cm-1和1132.32cm-1)。表明2-甲基-2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷与乙二醇发生了反应,生成了线型含磷化合物。图2(所得最终产物的红外谱图)中的红外谱图,在1768cm-1左右有强的吸收峰,说明产物中存在羰基;而1228cm-1-1083cm-1间的强吸收峰是C-O的伸缩振动峰,故能确定产物中含有酯羰基;1501cm-1处的中强吸收峰是苯环骨架的伸缩振动峰,则产物里存在苯环;与此同时2967cm-1左右的为饱和C-H的振动峰,说明存在-CH3;在1100cm-1-800cm-1是对位芳环的指纹峰,且920cm-1左右的吸收峰-P(CH3)(O)-O-C(O)的振动峰。表明得到了含磷聚碳酸酯。
将实施例1中的制得的聚碳酸酯进行DSC曲线测试和热失重测试,图3(所得含磷聚碳酸酯DSC扫描曲线)可以看出,所得含磷聚碳酸酯的玻璃化温度约为118℃。图4和图5可以看出,所得含磷聚碳酸酯初始分解温度为366.1℃,最大分解速率所对应温度为464.4℃,700℃残炭率为19.28%,表明通过本方法所得含磷聚碳酸酯具有良好的热稳定性。

Claims (10)

1.一种含磷聚碳酸酯的制备方法,包括以下步骤:
a.将二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷反应制备线型含磷化合物;
b.将步骤a中所得线型含磷化合物与芳族二羟基化合物和碳酸二酯通过熔融酯交换法制备含磷聚碳酸酯。
2.如权利要求1所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述二羟基化合物,其化学结构符合以下通式:
HO-R-OH
其中,R为2-8个碳原子的亚烃基、环亚烃基或芳亚烃基。
3.如权利要求1所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷,其化学结构符合以下通式:
其中,R1为1-8个碳原子的烷基或芳基,1-8个碳原子的烷基或芳基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、环己基、庚基、辛基、苯基、苯甲基、甲苯基、苯乙基、乙苯基、二甲基苯基中的一种;R2为氢原子或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种。
4.如权利要求1所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述芳族二羟基化合物,其化学结构符合以下通式:
其中,R3为卤素原子或1-4个碳原子的烷基,卤素原子为氟、氯、溴或碘原子中的一种,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,m为0-4的整数;R4为卤素原子或1-4个碳原子的烷基,卤素原子为氟、氯、溴或碘原子中的一种,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种,n为0-4的整数;Z为-S-、-SO-、-SO2-、-O-、-CO-、1-6个碳原子的亚烷基或5-6个碳原子的环亚烷基,1-6个碳原子的亚烷基为亚甲基、亚乙基、亚丙基、异亚丙基、亚丁基、亚戊基或亚己基中的一种,5-6个碳原子的环亚烷基为亚环戊基或亚环己基。
5.如权利要求1所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述碳酸二酯,其化学结构符合以下通式:
其中,R5为-H、-F、-Cl、-Br、-I或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种;R6为-H、-F、-Cl、-Br、-I或1-4个碳原子的烷基,1-4个碳原子的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基中的一种。
6.如权利要求1所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,步骤为:
a.将2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷置于容器中搅拌,于90-140℃温度下熔融后,加入二羟基化合物,继续反应1-4小时,得到线型含磷化合物;
b.将芳族二羟基化合物、线型含磷化合物、碳酸二酯和催化剂于140-190℃、0.01-0.06MPa条件下反应1-4小时;逐步升温至220-280℃,升温同时增大体系内压力为50Pa-2000Pa,继续反应2-4小时后停止反应,将所得产物溶解于其良性溶剂中,再于不良溶剂中重沉淀,抽滤,真空干燥至恒重。
7.如权利要求1或6所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述步骤a中二羟基化合物与2,5-二氧-1,2-氧磷杂环戊烷摩尔比为1:2。
8.如权利要求1或6所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述步骤b中芳族二羟基化合物、线型含磷化合物摩尔量之和与碳酸二酯的摩尔量相等;芳族二羟基化合物的摩尔量与芳族二羟基化合物、线型含磷化合物的摩尔量和的百分比为40-98%。
9.如权利要求6所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述催化剂为乙酸锌、乙酸锂或氢氧化锂,催化剂所用质量为碳酸二酯质量的0.05%-2%。
10.如权利要求6所述的含磷聚碳酸酯的制备方法,其特征在于:所述产物后处理的良性溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷或四氢呋喃;不良溶剂为无水甲醇或无水乙醇。
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