CN104292421A

CN104292421A - 环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂

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Publication number: CN104292421A
Application number: CN201410494052.9A
Authority: CN
Inventors: 罗超云; 左建东; 赵雷; 林雪春; 徐志娟; 林峰; 赵建青
Original assignee: Shenzhen Polytechnic
Current assignee: JIANGMEN KINGBOARD LAMINATES HOLDINGS Ltd.
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-09-24
Also published as: CN104292421B

Abstract

本发明涉及一种环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂。环氧树脂用的反应型阻燃剂为三巯基乙基磷酸酯。环氧树脂组合物包含按预定比例混合均匀并固化的三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂。上述环氧树脂组合物包含上述反应型阻燃剂，使得环氧树脂组合物具有较佳的透光率、折射率和阻燃性。

Description

环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂

技术领域

本发明涉及一种树脂组合物，尤其是一种环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂。

背景技术

环氧树脂以其优良的粘结性、耐腐蚀性、耐化学性、耐热和耐寒性、电绝缘性能及物理机械性能，广泛应用于包装材料、涂料、土木、建筑、胶粘剂、电子及航空等领域。但普通环氧树脂的氧指数仅为19.8％左右，属于易燃物质，其易燃性及离火后的持续自燃使其在很多的领域中的应用受到限制。因此，如何提高环氧树脂的阻燃性能已经引起了国内外研究者的广泛关注。

由于对生态环境的担心，卤化阻燃剂己受到密切注意。此时，阻燃剂行业面临着要求转向被认为更环保的阻燃剂(例如有机磷阻燃剂)的压力。

现有技术中有许多种有机磷化合物可对聚合物赋予阻燃性。大多数含磷阻燃剂是通过气相反应和凝聚相反应、聚合物碳化促进和成焦作用的组合提供阻燃活性。

有机磷系阻燃剂大都属于添加型阻燃剂。而添加型磷系阻燃剂存在与树脂基体相容性差、易于渗出、添加量大和降低树脂基体力学性能的缺点；且制品丢弃后磷易溶出，对环境造成污染等。

此外，目前大多数含磷阻燃剂加入环氧树脂中会降低环氧树脂的透明性和折射率。

以在发光二极管(LED)技术中的应用为例，由于LED芯片与封装树脂的折射率差异较大，其界面全反射会带来严重的光损失。目前LED总的电光转换效率只有20～30％左右，主要原因是光取出效率较低。以白光LED为例，芯片折射率约为2～4，如GaN(n＝2.5)及GaP(n＝3.45)均远高于环氧树脂或硅氧烷树脂封装材料的折射率(n＝1.40～1.53)，折射率差异过大导致全反射的发生，光线被反射回芯片内部而无法有效导出，其会带来非常严重的发热问题。发热问题严重影响LED的性能和寿命，带来着火危险。随着LED应用的增加，LED引起的火灾事故时有报道。

因此，制备出高折射率LED封装树脂阻燃剂，可以提高封装树脂的折射率及LED的光取出效率，降低芯片发热，延长寿命，同时提高封装树脂的阻燃性能，降低火灾事故风险，具有十分重要的经济和社会意义。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种新的环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂。

一种环氧树脂用的反应型阻燃剂，其为三巯基乙基磷酸酯，其结构式为：

该三巯基乙基磷酸酯是由以下方法的其中之一来制备：硫氢化钠法，硫脲法和硫代硫酸钠法。

该硫氢化钠法依次包括以下步骤：在反应容器中加入三氯乙基磷酸酯；向该三氯乙基磷酸酯中加入硫氢化钠水溶液，其中硫氢化钠的摩尔量为该三氯乙基磷酸酯3～7倍；进行恒温反应；降温至室温，用氯仿(或其他有效萃取溶剂)萃取获得萃取液；以及减压分馏该萃取液。

该硫脲法依次包括以下步骤：在反应容器中加入硫脲与乙醇，然后恒温在70℃，使硫脲溶解；加入三氯乙基磷酸酯进行反应，产生白色结晶体，其中该三氯乙基磷酸酯的摩尔量为该硫脲的0.1～0.3倍；蒸发乙醇，获得该白色结晶体；在该白色结晶体中加入氢氧化钠水溶液，在70℃反应2小时后，加入盐酸调整至微酸性，其中该氢氧化钠的摩尔量为该硫脲的3倍；降温至室温，用氯仿萃取获得萃取液；以及减压分馏该萃取液。

该硫代硫酸钠法依次包括以下步骤：在反应容器中加入甲醇，升温到50℃；加入硫代硫酸钠，并搅拌至溶解均匀；加入三氯乙基磷酸酯进行反应，其中该三氯乙基磷酸酯的摩尔量为该硫代硫酸钠的0.1～0.3倍；进行回流反应，然后回收甲醇；冷却反应容器内的反应产物至室温，加入浓盐酸，升温至90℃，进行水解反应；冷却至50℃，加入锌粉，进行还原反应；降温至室温，用氯仿(或其他有效萃取溶剂)萃取获得萃取液；以及减压分馏该萃取液。

一种环氧树脂组合物，包含按预定比例混合均匀并固化的三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂，其中，该三巯基乙基磷酸酯的结构式为：

该固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、对苯二胺、对二甲苯二胺、4，4’一二胺基二苯基甲烷、4，4’一二胺基二苯基丙烷、4，4’一二胺基二苯醚、4，4’一二胺基二苯基砜、4，4’一二胺基二环己烷、双(4一氨基苯基)苯基甲烷、l，5一二胺基萘、间苯二甲胺、对苯二甲胺、咪唑、双氰胺、苯酚/甲醛酚醛清漆、甲酚/甲醛酚醛清漆、双酚A酚醛清漆、联苯改性的、甲苯改性的、二甲苯改性的或均三甲苯改性的苯酚/甲醛酚醛清漆、氨基三嗪酚醛清漆、甲酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆、苯酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆或它们的混合物。

该环氧树脂为双酚A型酚醛树脂、双酚F型酚醛树脂、双酚S型酚醛树脂、环氧化线型酚醛树脂、对氨基苯酚三缩水甘油基环氧树脂、氨基四官能环氧树脂、1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、双(2，3一环氧基环戊基)醚或它们的混合物。

该固化剂量是基于固化剂及三巯基乙基磷酸酯中的固化官能团的总摩尔对环氧树脂中未反应的环氧基团的摩尔比值，其比值为0.8：1～1.6：1。

该三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂进行固化的温度是70～200℃，固化的时间是0.5～5小时。

上述环氧树脂组合物包含上述反应型阻燃剂，使得环氧树脂组合物具有较佳的透光率、折射率和阻燃性。

附图说明

无

具体实施方式

下面将对本发明实施例的环氧树脂组合物及其反应型阻燃剂作进一步的详细说明。

本发明实施例的反应型阻燃剂，其可用于环氧树脂，该反应型阻燃剂为三巯基乙基磷酸酯，其结构式为：

上述反应型阻燃剂可由硫氢化钠法，硫脲法或硫代硫酸钠法来制备。具体实施例如下所述。

实施例1：硫氢化钠法制备三巯基乙基磷酸酯(A)

向三口烧瓶中加入9g(0.03mol)三氯乙基磷酸酯，在300r/min搅拌的环境下，向其中滴加100ml硫氢化钠水溶液(约0.9mol/L)，恒温反应3h，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例2：硫氢化钠法制备三巯基乙基磷酸酯(B)

向三口烧瓶中加入9g(0.03mol)三氯乙基磷酸酯，在300r/min搅拌的环境下，向其中滴加100ml硫氢化钠水溶液(约1.5mol/L)，恒温反应3h，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例3：硫氢化钠法制备三巯基乙基磷酸酯(C)

向三口烧瓶中加入9g(0.03mol)三氯乙基磷酸酯，在300r/min搅拌的环境下，向其中滴加100ml硫氢化钠水溶液(约2.1mol/L)，恒温反应3h，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例4：硫脲法制备三巯基乙基磷酸酯(A)

在N₂保护下,在三口烧瓶中，加入95％的乙醇30ml，硫脲0.1mol，恒温到70℃，溶解后，加入三氯乙基磷酸酯(0.01mol)，2h后产生白色结晶为止。蒸发回收乙醇。然后在白色晶体中滴加入适量氢氧化钠(0.3mol)20％的水溶液，混合物70℃反应，2h后加入盐酸调整至微酸性。然后降温至室温。然后以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例5：硫脲法制备三巯基乙基磷酸酯(B)

在N₂保护下,在三口烧瓶中，加入95％的乙醇30ml，硫脲0.1mol，恒温到70℃，溶解后，加入三氯乙基磷酸酯(0.02mol)，2h后产生白色结晶为止。蒸发回收乙醇。然后在白色晶体中滴加入适量氢氧化钠(0.3mol)20％的水溶液，混合物70℃反应，2h后加入盐酸调整至微酸性。然后降温至室温。然后以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例6：硫脲法制备三巯基乙基磷酸酯(C)

在N₂保护下,在三口烧瓶中，加入95％的乙醇30ml，硫脲0.1mol，恒温到70℃，溶解后，加入三氯乙基磷酸酯(0.03mol)，2h后产生白色结晶为止。蒸发回收乙醇。然后在白色晶体中滴加入适量氢氧化钠(0.3mol)20％的水溶液，混合物70℃反应，2h后加入盐酸调整至微酸性。然后降温至室温。然后以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例7：硫代硫酸钠法制备三巯基乙基磷酸酯(A)

加甲醇30g到三口烧瓶中，缓缓升温到50℃，加入硫代硫酸钠0.1mol,搅拌溶解均匀，升温回流稳定后，由平衡加料器均匀滴加0.01mol三氯乙基磷酸酯进行反应，滴加时间控制在3小时滴完，再回流30min,反应结束后回收甲醇。烧瓶反应物冷却至室温后，加入20ml浓盐酸，在搅拌下，逐渐升温至90℃，水解反应2小时，水解完成后，将体系冷却至50℃，分次向体系中加入锌粉1g(分三次加入，时间间隔为30min)，加入完毕后继续反应30min，以保证还原进行彻底，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例8：硫代硫酸钠法制备三巯基乙基磷酸酯(B)

加甲醇30g到三口烧瓶中，缓缓升温到50℃，加入硫代硫酸钠0.1mol,搅拌溶解均匀，升温回流稳定后，由平衡加料器均匀滴加0.02mol三氯乙基磷酸酯进行反应，滴加时间控制在3小时滴完，再回流30min,反应结束后回收甲醇。烧瓶反应物冷却至室温后，加入20ml浓盐酸，在搅拌下，逐渐升温至90℃，水解反应2小时，水解完成后，将体系冷却至50℃，分次向体系中加入锌粉1g(分三次加入，时间间隔为30min)，加入完毕后继续反应30min，以保证还原进行彻底，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

实施例9：硫代硫酸钠法制备三巯基乙基磷酸酯(C)

加甲醇30g到三口烧瓶中，缓缓升温到50℃，加入硫代硫酸钠0.1mol,搅拌溶解均匀，升温回流稳定后，由平衡加料器均匀滴加0.03mol三氯乙基磷酸酯进行反应，滴加时间控制在3小时滴完，再回流30min,反应结束后回收甲醇。烧瓶反应物冷却至室温后，加入20ml浓盐酸，在搅拌下，逐渐升温至90℃，水解反应2小时，水解完成后，将体系冷却至50℃，分次向体系中加入锌粉1g(分三次加入，时间间隔为30min)，加入完毕后继续反应30min，以保证还原进行彻底，然后降温至室温。以氯仿30ml萃取，将萃取液(氯仿及产品)减压分馏，分出氯仿后，即得三巯基乙基磷酸酯。

上述反应型阻燃剂，能够与环氧树脂进行反应，可解决添加型阻燃剂的迁移问题，对环氧树脂的力学性能和其他性能影响较小。并且，反应型阻燃剂是一种折射率较高的液体化合物，其与环氧树脂的相容性好，不会影响环氧树脂的透明性，因此还能提高环氧树脂组合物的折射率。

本发明还提供一种环氧树脂组合物，其包含按预定比例混合均匀并固化的上述三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂。

其中，固化剂可以是一种或多种材料的混合物，例如乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、对苯二胺、对二甲苯二胺、4，4’一二胺基二苯基甲烷(DDM)、4，4’一二胺基二苯基丙烷、4，4’一二胺基二苯醚、4，4’一二胺基二苯基砜、4，4’一二胺基二环己烷、双(4一氨基苯基)苯基甲烷、l，5一二胺基萘、间苯二甲胺、对苯二甲胺、咪唑、双氰胺、苯酚/甲醛酚醛清漆、甲酚/甲醛酚醛清漆、双酚A酚醛清漆、联苯改性的、甲苯改性的、二甲苯改性的或均三甲苯改性的苯酚/甲醛酚醛清漆、氨基三嗪酚醛清漆、甲酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆、苯酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆或它们的混合物。

环氧树脂可为双酚A型酚醛树脂、双酚F型酚醛树脂、双酚S型酚醛树脂、环氧化线型酚醛树脂、对氨基苯酚三缩水甘油基环氧树脂、氨基四官能环氧树脂、1,2-环氧环己烷4,5-二甲酸二缩水甘油酯、双(2，3一环氧基环戊基)醚或它们的混合物。

可以使用的固化剂量可以是基于固化剂及三巯基乙基磷酸酯中的固化官能团的总摩尔对环氧树脂中未反应的环氧基团的摩尔比值，其比值为0.8：1～1.6：1。例如，1g环氧树脂(E-55型)；0.086g三乙烯四胺；0.5g三巯基乙基磷酸酯，他们的摩尔配比为1.6:1，计算结果如下：环氧树脂(E-55型)的环氧值为0.55，即每100g该型环氧树脂含有环氧官能团为0.55mol，因此1g该型环氧树脂含有环氧官能团为0.0055mol；三乙烯四胺的分子量为170，每个三乙烯四胺分子含有6个活泼氢原子，均可以与环氧基团反应，因此0.086g三乙烯四胺含有0.0030mol活泼氢原子，计算过程为0.086×6/170＝0.0030mol；三巯基乙基磷酸酯的分子量为278，每个三巯基乙基磷酸酯分子含有三个巯基，均可以与环氧基团反应，因此0.5g三巯基乙基磷酸酯含有0.0053mol巯基，计算过程为0.5×3/278＝0.0053mol，因此能与环氧基团反应的官能团总数为0.0083mol；以环氧基团为基准，则固化官能团的总摩尔对环氧树脂中未反应的环氧基团的摩尔比值为1.6:1，计算过程为(0.0030+0.0053)：0.0055＝1.6:1。

三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂混合物的固化温度通常可以在约70℃～200℃之间，固化时间为0.5～5h。

上述环氧树脂组合物具有较佳的透光率、折射率和阻燃性。

为进一步说明上述环氧树脂组合物具有较高的透光率、折射率和阻燃性，以下将列举具体实施例作进一步描述。

制备样品时，是将三巯基乙基磷酸酯、环氧树脂固化剂和环氧树脂按一定比例混合，搅拌均匀，并在超声波机上消泡，配成混合物，然后将混合物样品分别倒入硅橡胶模具固化；固化后的样品分别进行测试，其结果如下表所示。

其中，摩尔比值[1]是指固化反应基团与环氧基团的摩尔比值，即固化剂及三巯基乙基磷酸酯中的固化官能团的总摩尔对环氧树脂中未反应的环氧基团的摩尔比值；阻燃等级[2]采用的是UL94阻燃等级规范。

如上表所示，本发明实施例的环氧树脂组合物具有较佳的透光率、折射率和阻燃性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种环氧树脂用的反应型阻燃剂，其为三巯基乙基磷酸酯，其结构式为：

2.如权利要求1所述的环氧树脂用的反应型阻燃剂，其特征在于：该三巯基乙基磷酸酯是由以下方法的其中之一来制备：硫氢化钠法，硫脲法和硫代硫酸钠法。

3.如权利要求2所述的环氧树脂用的反应型阻燃剂，其特征在于：该硫氢化钠法依次包括以下步骤：

在反应容器中加入三氯乙基磷酸酯；

向该三氯乙基磷酸酯中加入硫氢化钠水溶液，其中硫氢化钠的摩尔量为该三氯乙基磷酸酯3～7倍；

进行恒温反应；

降温至室温，用氯仿萃取获得萃取液；以及

减压分馏该萃取液。

4.如权利要求2所述的环氧树脂用的反应型阻燃剂，其特征在于：该硫脲法依次包括以下步骤：

在反应容器中加入硫脲与乙醇，然后恒温在70℃，使硫脲溶解；

加入三氯乙基磷酸酯进行反应，产生白色结晶体，其中该三氯乙基磷酸酯的摩尔量为该硫脲的0.1～0.3倍；

蒸发乙醇，获得该白色结晶体；

在该白色结晶体中加入氢氧化钠水溶液，在70℃反应2小时后，加入盐酸调整至微酸性，其中该氢氧化钠的摩尔量为该硫脲的3倍；

降温至室温，用氯仿萃取获得萃取液；以及

减压分馏该萃取液。

5.如权利要求2所述的环氧树脂用的反应型阻燃剂，其特征在于：该硫代硫酸钠法依次包括以下步骤：

在反应容器中加入甲醇，升温到50℃；

加入硫代硫酸钠，并搅拌至溶解均匀；

加入三氯乙基磷酸酯进行反应，其中该三氯乙基磷酸酯的摩尔量为该硫代硫酸钠的0.1～0.3倍；

进行回流反应，然后回收甲醇；

冷却反应容器内的反应产物至室温，加入浓盐酸，升温至90℃，进行水解反应；

冷却至50℃，加入锌粉，进行还原反应；

降温至室温，用氯仿萃取获得萃取液；以及

减压分馏该萃取液。

6.一种环氧树脂组合物，包含按预定比例混合均匀并固化的三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂，其中，该三巯基乙基磷酸酯的结构式为：

7.如权利要求6所述的环氧树脂组合物，其特征在于：该固化剂为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、对苯二胺、对二甲苯二胺、4，4’一二胺基二苯基甲烷、4，4’一二胺基二苯基丙烷、4，4’一二胺基二苯醚、4，4’一二胺基二苯基砜、4，4’一二胺基二环己烷、双(4一氨基苯基)苯基甲烷、1，5一二胺基萘、间苯二甲胺、对苯二甲胺、咪唑、双氰胺、苯酚/甲醛酚醛清漆、甲酚/甲醛酚醛清漆、双酚A酚醛清漆、联苯改性的、甲苯改性的、二甲苯改性的或均三甲苯改性的苯酚/甲醛酚醛清漆、氨基三嗪酚醛清漆、甲酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆、苯酚/甲醛/氨基三嗪酚醛清漆或它们的混合物。

8.如权利要求6所述的环氧树脂组合物，其特征在于：该环氧树脂为双酚A型酚醛树脂、双酚F型酚醛树脂、双酚S型酚醛树脂、环氧化线型酚醛树脂、对氨基苯酚三缩水甘油基环氧树脂、氨基四官能环氧树脂、1，2-环氧环己烷4，5-二甲酸二缩水甘油酯、双(2，3一环氧基环戊基)醚或它们的混合物。

9.如权利要求6所述的环氧树脂组合物，其特征在于：该固化剂量是基于固化剂及三巯基乙基磷酸酯中的固化官能团的总摩尔对环氧树脂中未反应的环氧基团的摩尔比值，其比值为0.8∶1～1.6∶1。

10.如权利要求6所述的环氧树脂组合物，其特征在于：该三巯基乙基磷酸酯、固化剂和环氧树脂进行固化的温度是70～200℃，固化的时间是0.5～5小时。