CN104610571A

CN104610571A - 一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104610571A
Application number: CN201510095027.8A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 蒋剑春; 聂小安; 黄金瑞; 李科; 王义刚
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明公开了一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂及其制备方法，步骤包括：采用腰果酚和氯磷酸二乙酯为主要原料，在缚酸剂的参与下进行取代反应，合成腰果酚基磷酸二乙酯；进一步以腰果酚基磷酸为原料，在过氧磷钨酸盐相转移催化剂的催化下，滴加过氧源进行环氧化反应制得环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤、洗涤及脱水处理，得到环氧腰果酚基缩水甘油醚增塑剂成品。本发明以腰果酚为原料，价格低廉，来源广泛；制备工艺简单，能耗低；产品低毒环保，可赋予高分子基材以优异的阻燃性及柔韧性，具有良好的应用前景。

Description

一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂及其制备方法

技术领域

本发明属于环保型生物基阻燃增塑剂制备技术领域，具体涉及一种以腰果酚为原料制备环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂的方法。

背景技术

磷酸酯是一类应用广泛的阻燃型增塑剂，其中最常用的包括磷酸三辛酯(TOP)磷酸三苯酯(TPP)及磷酸三丁酯(TBP)等。但这些产品普遍存在毒性大、增塑效率低、增塑性能一般、低温性能差等缺点，大大限制了其应用领域。针对这一问题，近年来国内外研发了一系列低毒的磷酸酯类增塑剂产品，如异丙苯基磷酸酯(IPP)，无色无臭，低毒高效，与氯乙烯硝酸纤维素合成树脂和天然树脂等均有良好的相容性，广泛用于PVC阻燃增塑剂，特别适用于橡胶运输带的阻燃增塑；混合三芳基磷酸酯阻燃PVC具有较高的氧指数和弹性模量，其中SCEP和SP－R属于Reofos商品系列，具有低毒低黏度气味小耐光稳定性好优良的阻燃性能及抗霉菌侵袭性能，是理想的PVC矿用运输带用阻燃增塑剂；旭瑞达公司(Supresta)推出Phosflex系列低烟透明的PVC用阻燃增塑剂，与PVC有良好的相容性，可提高加工速度，能部分或全部取代邻苯二甲酸二辛脂(DOP)等增塑剂以增强PVC的阻燃性。但这些增塑剂均以石油资源为原料。随着社会安全及环保意识的加强、石油资源的日益匮乏，具有低毒、可再生及可生物降解等优点的生物基阻燃增塑剂必将越来越受到世界各国的广泛关注。加快我国生物基阻燃增塑剂技术的开发，是进一步促进我国绿色增塑剂快速发展的重要途径。

腰果酚是一种天然酚类化合物，含有不饱和C₁₅长碳链，可作为化石原料的替代品，在涂料、黏合剂、摩擦材料、高分子助剂及其它高分子材料领域有广泛应用。已有研究表明，腰果酚及其衍生物可用作橡胶或PVC的增塑剂，取得了较好的增塑效果；但由腰果酚制备阻燃增塑剂的方法，在国内外尚未见报道。

发明内容

针对传统阻燃增塑剂毒性较大、依赖化石资源等问题，本发明提供了一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂及其制备方法，具有工艺简单、低碳减排、产品性能高等优点；所制备的增塑剂毒性低、生产成本低、增塑性能高，可显著提高树脂基材的阻燃性及柔韧性。

本发明的技术方案如下：一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂，结构式为：

先由腰果酚和氯磷酸二乙酯制备腰果酚基磷酸二乙酯，再在过氧磷钨酸盐相转移催化剂的参与下进行环氧化反应，制备环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂产品。

所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，具体制备步骤如下：

步骤一：按腰果酚、氯磷酸二乙酯、和缚酸剂的质量比10～20：6～8：1.2～2.5的比例将腰果酚、氯磷酸二乙酯、和缚酸剂，加入到溶剂中充分混合搅拌升温至60～80℃，反应2～4h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：将腰果酚基磷酸二乙酯、占腰果酚基磷酸二乙酯质量的2～5％的过氧磷钨酸盐相转移催化剂与溶剂搅拌均匀，加热反应体系至40～50℃，滴加过氧源，55～70℃反应0.5～3h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤、洗涤及脱水处理，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。

所述的缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钠的一种或任意种混合。

所述的过氧磷钨酸盐相转移催化剂按如下方法制备：按钨酸与H₂O₂物质的量之比为2～5：15～20的比例向钨酸中加入H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入质量百分比浓度为89％的磷酸以及蒸馏水，升温搅拌得到无色透明的溶液；取季铵盐溶解在乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌至相转移催化剂从反应体系中析出；过滤取出相转移催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性；将相转移催化剂置于真空干燥箱中于室温充分干燥，并研磨备用；所述的钨酸与磷酸的物质的量之比为2～5：0.5～1.2，所述的季铵盐与磷酸的物质的量之比为0.5～1.2：1～2.5。

所述的季铵盐为十四烷基二甲基苄基氯化铵、氯代十六烷基吡啶、十八烷基二甲基氯化铵、二十二烷基三甲基氯化铵的一种或任意种混合物。

所述的步骤一中的溶剂为氯仿或二氯甲烷。

所述的步骤二中的溶剂为乙酸乙酯或二氯甲烷。

所述的过氧源为叔丁基过氧化氢或质量百分比浓度为30％～70％的双氧水。

所述的环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品分别用30～60℃的饱和氯化钠溶液，及50～80℃的去离子水或蒸馏水洗涤。

有益效果：

(1)产品分子结构中含有磷脂基、芳环、环氧基、长烷基链等功能化基团，兼具阻燃增塑剂及环氧增塑剂的特点，可以在PVC制品中起到较好的阻燃、热稳定及增塑作用。

(2)本发明以腰果酚为原料，价格低廉，来源广泛，可大大降低增塑剂产品的生产成本，赋予产品环保型及可再生性，促进农林剩余物资源的高值化开发利用。

(3)在相转移催化剂的参与下，实现无羧酸环氧化，避免设备腐蚀及废水污染，并有效提高产品质量、缩短反应时间、降低生产能耗。

(4)制备过程工艺简单、反应条件温和、产品质量稳定、能耗低、三废少，是一种环保经济的制备方法。

附图说明

图1本发明合成的环氧腰果酚基磷酸二乙酯的FT-IR谱图。图中，1022.5cm^-1是P-O-CH₂-CH₃的特征峰，974.9cm^-1是P-O-C_aromatic的特征峰，862.8cm^-1是C-O-C的特征峰，表明成功合成了目标增塑剂。

图2本发明合成的十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂的FT-IR谱图。产物具有1052.9cm^-1(P-O)、944.9cm^-1(W＝O)、870.2cm^-1(W-Ob-W)、816.1cm^-1(W-Oc-W)等磷钨杂多化合物的特征峰，说明成功合成了目标催化剂。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，不是对本发明的限制。

一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，步骤为：

步骤一：取10～20g腰果酚、6～8g氯磷酸二乙酯、1.2～2.5g缚酸剂，加入到20～40mL溶剂中，混合搅拌升温至60～80℃，反应2～4h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；步骤二：称取5～10g腰果酚基磷酸二乙酯、过氧磷钨酸盐相转移催化剂(占腰果酚基磷酸二乙酯质量的2～5％)，与10～30mL溶剂搅拌均匀，加热反应体系至40～50℃，滴加过氧源，55～70℃反应0.5～3h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤、洗涤及脱水处理，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。

所述的缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钠的一种或两种及以上。

所述的相转移催化剂按如下方法制备：将2～5mmol钨酸置于50mL烧杯中，加入15～20mmol H2O2，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入0.5～1.2mmol磷酸(浓度为89％)，以及2～5mL蒸馏水，升温至60℃，搅拌30min，得到无色透明的溶液；取1～2.5mmol季铵盐溶解在15～20mL乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌约30min，至催化剂从反应体系中析出；过滤取出催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性；将催化剂置于真空干燥箱中于室温充分干燥，并研磨备用。

所述的季铵盐为十四烷基二甲基苄基氯化铵、氯代十六烷基吡啶、十八烷基二甲基氯化铵、二十二烷基三甲基氯化铵的一种或两种及以上。

所述的步骤一中的溶剂为氯仿或二氯甲烷。

所述的步骤二中的溶剂为乙酸乙酯或二氯甲烷。

所述的过氧源为双氧水(浓度为30％～70％)，或叔丁基过氧化氢，采用滴加的方式加入反应体系。

所述的环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品分别用30～60℃的饱和氯化钠溶液，及50～80℃的去离子水或蒸馏水洗涤，提高产品收率，缩短操作时间。

实施例1

将2.5mmol钨酸置于50mL烧杯中，加入20mmol H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入1.5mmol磷酸(浓度为89％)，以及5mL蒸馏水，升温至60℃，搅拌30min，得到无色透明的溶液；取1.2mmol二十二烷基三甲基氯化铵溶解在20mL乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌约30min，至二十二烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂在油水两相界面发生聚合并析出；过滤取出催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性，将催化剂置于真空干燥箱中，于室温充分干燥并研磨。

实施例2

将2mmol钨酸置于50mL烧杯中，加入15mmol H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入0.5mmol磷酸(浓度为89％)，以及2mL蒸馏水，升温至60℃，搅拌30min，得到无色透明的溶液；取1mmol十八烷基二甲基氯化铵溶解在15mL二氯甲烷中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌约30min，至十八烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂在油水两相界面发生聚合并析出；过滤取出催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性，将催化剂置于真空干燥箱中，于室温充分干燥并研磨。

实施例3

将2mmol钨酸置于50mL烧杯中，加入15mmol H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入0.5mmol磷酸(浓度为89％)，以及2mL蒸馏水，升温至60℃，搅拌30min，得到无色透明的溶液；取0.2mmol十四烷基二甲基苄基氯化铵及1.0mmol氯代十六烷基吡啶溶解在20mL乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌约30min，至十四烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂在油水两相界面发生聚合并析出；过滤取出催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性，将催化剂置于真空干燥箱中，于室温充分干燥并研磨。

实施例4

将2mmol钨酸置于50mL烧杯中，加入15mmol H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入0.5mmol磷酸(浓度为89％)，以及2mL蒸馏水，升温至60℃，搅拌30min，得到无色透明的溶液；取1mmol氯代十六烷基吡啶溶解在15mL乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌约30min，至淡黄色十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂在油水两相界面发生聚合并析出；过滤取出催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性，将催化剂置于真空干燥箱中于室温充分干燥、研磨，并用于以下的实例中。

实施例5

步骤一：取10g腰果酚、6.4g氯磷酸二乙酯、1.5g氢氧化钠，加入到20mL氯仿中，混合搅拌升温至60℃，反应3h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.1g十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与20mL乙酸乙酯搅拌均匀，加热反应体系至50℃，滴加2.8g双氧水(30％)，65℃反应2h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用60℃的饱和氯化钠溶液及80℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：2.7，酸值(mgKOH·g^-1):0.64，加热减量(125℃×3h，％):0.43。

实施例6

步骤一：取10g腰果酚、6.4g氯磷酸二乙酯、2.8g碳酸氢钠，加入到30mL二氯甲烷中，混合搅拌升温至65℃，反应2h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.2g十八烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与30mL乙酸乙酯搅拌均匀，加热反应体系至45℃，滴加1.7g双氧水(50％)，65℃反应1h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用40℃的饱和氯化钠溶液，及50℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：3.2，酸值(mgKOH·g^-1):0.58，加热减量(125℃×3h，％):0.39。

实施例7

步骤一：取10g腰果酚、6.8g氯磷酸二乙酯、4.6g碳酸钾，加入到20mL氯仿中，混合搅拌升温至65℃，反应2.5h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.2g十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与30mL乙酸乙酯搅拌均匀，加热反应体系至50℃，滴加0.9g双氧水(70％)，60℃反应2h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用40℃的饱和氯化钠溶液，及40℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：3.3，酸值(mgKOH·g^-1):0.49，加热减量(125℃×3h，％):0.35。

实施例8

步骤一：取10g腰果酚、6.4g氯磷酸二乙酯、2.3g碳酸钾及0.8g氢氧化钠，加入到25mL氯仿中，混合搅拌升温至60℃，反应2.5h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.15g十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与40mL二氯甲烷搅拌均匀，加热反应体系至50℃，滴加1.7g双氧水(50％)，60℃反应3h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用60℃的饱和氯化钠溶液，及40℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：3.1，酸值(mgKOH·g^-1):0.41，加热减量(125℃×3h，％):0.36。

实施例9

步骤一：取10g腰果酚、6.4g氯磷酸二乙酯、1.5g氢氧化钠，加入到20mL氯仿中，混合搅拌升温至60℃，反应4h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.15g十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与30mL乙酸乙酯搅拌均匀，加热反应体系至50℃，滴加3.0g叔丁基过氧化氢，60℃反应4h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用60℃的饱和氯化钠溶液，及40℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：2.9，酸值(mgKOH·g^-1):0.56，加热减量(125℃×3h，％):0.39。

实施例10

步骤一：取10g腰果酚、6.4g氯磷酸二乙酯、1.5g氢氧化钠，加入到30mL氯仿中，混合搅拌升温至60℃，反应2.5h；经过滤及减压蒸馏处理，获得腰果酚基磷酸二乙酯；

步骤二：称取5g腰果酚基磷酸二乙酯、0.15g十六烷基过氧磷钨酸盐相转移催化剂，与20mL乙酸乙酯搅拌均匀，加热反应体系至50℃，滴加1.7g双氧水(50％)，65℃反应1h后，得到环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品，经过滤后，滤液用50℃的饱和氯化钠溶液，及50℃的去离子水或蒸馏水洗涤，通过减压蒸馏除去水分，即得环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂成品。产品质量指标为：外观：淡黄色油状液体，环氧值(％)：3.5，酸值(mgKOH·g^-1):0.44，加热减量(125℃×3h，％):0.39。

将所制备的增塑剂与热稳定剂按照表1的配方与PVC粉在高速混合机中搅拌3min后，通过双辊开炼机制成一定厚度的PVC片材，再经注射成型制得标准件，进行拉伸性能及阻燃性能测试。表2是不同增塑剂增塑的PVC制品的拉伸测试及氧指数测试的数据，可以看出，随着环氧腰果酚基磷酸二乙酯用量的增加，制品的断裂伸长率远大于邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，表明该增塑剂在赋予制品较佳柔韧性；此外，样品的阻燃性能随着本发明增塑剂用量的增加逐步提升；综合比较可知，环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂可有效替代邻苯二甲酸二辛酯，赋予制品更好的阻燃性能及柔韧性，适用与对增塑剂阻燃性、柔韧性、稳定性及环保性等要求较高的领域。

表1PVC制品配方

表2PVC制品的拉伸性能及阻燃性

Claims

1.一种腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂，其特征在于，结构式为：

2.权利要求1所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，先由腰果酚和氯磷酸二乙酯制备腰果酚基磷酸二乙酯，再在过氧磷钨酸盐相转移催化剂的参与下进行环氧化反应，制备环氧腰果酚基磷酸二乙酯增塑剂产品。

3.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

4.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的缚酸剂为氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钠的一种或任意种混合。

5.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的过氧磷钨酸盐相转移催化剂按如下方法制备：按钨酸与H₂O₂物质的量之比为2～5：15～20的比例向钨酸中加入H₂O₂，剧烈搅拌至淡黄色沉淀消失后，滴加入质量百分比浓度为89％的磷酸以及蒸馏水，升温搅拌得到无色透明的溶液；取季铵盐溶解在乙酸乙酯中，混合后滴加至上述溶液，5min内滴完，出现少量淡黄色沉淀，继续搅拌至相转移催化剂从反应体系中析出；过滤取出相转移催化剂，使用去离子水冲洗至洗液呈中性；将相转移催化剂置于真空干燥箱中于室温充分干燥，并研磨备用；所述的钨酸与磷酸的物质的量之比为2～5：0.5～1.2，所述的季铵盐与磷酸的物质的量之比为0.5～1.2：1～2.5。

6.如权利要求5所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的季铵盐为十四烷基二甲基苄基氯化铵、氯代十六烷基吡啶、十八烷基二甲基氯化铵、二十二烷基三甲基氯化铵的一种或任意种混合物。

7.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中的溶剂为氯仿或二氯甲烷。

8.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中的溶剂为乙酸乙酯或二氯甲烷。

9.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的过氧源为叔丁基过氧化氢或质量百分比浓度为30％～70％的双氧水。

10.如权利要求2所述的腰果酚基磷酸酯阻燃增塑剂的制备方法，其特征在于，所述的环氧腰果酚基磷酸二乙酯粗品分别用30～60℃的饱和氯化钠溶液，及50～80℃的去离子水或蒸馏水洗涤。