CN105175735A - 一种支化磷-氮型阻燃剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种支化磷-氮型阻燃剂及其制备方法，涉及阻燃剂及其合成领域。支化磷-氮型阻燃剂具有支化结构，使其在聚合物中分散性好；含有较多三嗪环和苯环结构，具有很好的热稳定性和成炭性。本发明所制备的新型支化磷-氮型阻燃剂是以三(2-羟乙基)异氰尿酸酯、磷酰二氯为主要原料，采用饥饿滴加法，将三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液滴入含有缚酸剂和催化剂的磷酰二氯溶液中制得支化磷-氮型阻燃剂。本发明所制备的支化磷-氮型阻燃剂反应过程连续，工艺简单，反应成本低，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及阻燃剂及其合成领域，具体涉及一种新型支化磷-氮型阻燃剂及其制备方法。
背景技术
阻燃剂是能够使聚合物以及相关材料不易着火燃烧或延缓燃烧速度的一种助剂。通常，阻燃剂可分为含卤阻燃剂和无卤阻燃剂，其中含卤阻燃剂在燃烧过程中会产生大量有毒烟雾和腐蚀性气体，对环境造成严重的污染，同时也给人们的生命和财产造成巨大的威胁。鉴于含卤阻燃剂的严重弊端，无卤阻燃剂已成为未来阻燃剂的重要发展方向之一。
无卤阻燃聚合物材料中，其中膨胀型阻燃剂受热时释放大量水蒸气、二氧化碳等气体，能够稀释氧气和可燃性气体浓度，同时使炭层发泡膨胀，形成多孔的膨胀炭层起到阻氧隔热作用，从而达到阻燃效果。但是传统的膨胀型阻燃剂存在耐水性差、耐久性差以及与聚合物材料相容性差、易迁移等不足，最终导致聚合物基体材料力学性能的恶化。因此，如何改善此类无卤阻燃剂与聚合物材料的相容性具有重要的研究价值，是当今阻燃领域研究的热点之一。
支化聚合物是一种由多官能团单体通过聚合反应形成的具有支化结构的特殊聚合物，其具有粘度低、与聚合物材料相容性好等特点。支化聚合物由于其特殊的结构和性能，而受到广泛的关注。近年来，也有一些研究报导了将支化聚合物应用于阻燃高分子材料领域，并得到了较好的效果。靳玉娟等以三聚氯氰和乙二胺为原料，采用一步法合成了一种具有超支化结构的新型脂肪胺三嗪成炭剂(CA)。将产物CA与聚磷酸铵(APP)复配成膨胀型阻燃剂(IFR)，用于阻燃聚丙烯(PP)，结果表明：添加25wt%IFR后，PP的极限氧指数从17.5%提高至28.5%，热释放速率降低71.4%。Li等通过4,4’-二氨基二苯醚和三聚氰氯合成出了一种新型超支化成炭剂HPCA，将其与APP复配应用于ABS中，获得了较好的阻燃效果。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种支化磷-氮型阻燃剂及其制备方法，其制备简单，易于实施，制备的支化磷-氮型阻燃剂热稳定性、物理性能均较好。
本发明目的是通过以下技术方案实现的：
本发明支化磷-氮型阻燃剂，其特点在于：所述新型支化磷-氮型阻燃剂是以三(2-羟乙基)异氰尿酸酯、磷酰二氯为原料，采用饥饿滴加法，在催化剂和缚酸剂的作用下得到支化磷-氮型阻燃剂。
本发明支化磷-氮型阻燃剂，所得支化磷-氮型阻燃剂的结构示意图如式1所示
式1。
本发明支化磷-氮型阻燃剂，其各组分配比为：
三(2-羟乙基)异氰尿酸酯与溶剂的质量比为1:10-1:20；
磷酰二氯与三(2-羟乙基)异氰尿酸酯的摩尔比1:1-1.5:1；
磷酰二氯与溶剂的质量比为1:10-1:20；
催化剂与磷酰二氯的摩尔比为1:10；
缚酸剂与三(2-羟乙基)异氰尿酸酯的摩尔比为3:1。
所述溶剂溶剂选自：吡啶、甲苯中的一种；
所述磷酰二氯为苯氧基磷酰二氯；
所述催化剂为4-二甲氨基吡啶；
所述的缚酸剂选自：三乙胺、吡啶、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种或多种按任意比例混合。
本发明支化磷-氮型阻燃剂的制备方法，按如下步骤进行：
（1）将磷酰二氯溶解在溶剂中，获得磷酰二氯溶液，并加入缚酸剂和催化剂；将三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在溶剂中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液；
（2）在-10-0℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1-1.5h，滴加结束后保温反应0.5-1小时；
（3）升温至40℃，保温反应10-12小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
（4）对步骤（3）所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明所制备的支化磷-氮型阻燃剂反应过程连续，反应时间短，生产效率高，降低了生产成本。并且阻燃剂具有很好的热稳定性，成炭能力强，在聚合物中分散性能好，阻燃制品综合性能好等优点，具有广阔的应用前景；
2、本发明提供的支化磷-氮型阻燃剂为膨胀型阻燃剂，含有三嗪环和支化结构，即可单独作为膨胀型阻燃剂，也可与其他酸源构成新型膨胀阻燃剂体系，具有极好的成炭性和优异的阻燃效果，且不含卤素、低毒、绿色环保，具有良好的应用基础。
附图说明
图1为支化磷-氮型阻燃剂的红外光谱图；
图2为支化磷-氮型阻燃剂的核磁共振氢谱图；
图3为支化磷-氮型阻燃剂的核磁共振磷谱图；
图4为支化磷-氮型阻燃剂的热失重图。
具体实施方式
实施例1
本实施例支化磷-氮型阻燃剂是以三(2-羟乙基)异氰尿酸酯、磷酰二氯原料，在催化剂和缚酸剂的作用下得到支化磷-氮型阻燃剂。其中磷酰二氯选用苯氧基磷酰二氯、溶剂选用吡啶、催化剂选用4-二甲氨基吡啶、缚酸剂选用三乙胺。
a.将6.3294g(0.03mol)磷酰二氯溶解在128.9215mL(126.5880g)吡啶中，获得磷酰二氯溶液，再加入6.2627g三乙胺和0.1848g4-二甲氨基吡啶；将5.2448g(0.02mol)三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在106.8296mL(104.8960g)吡啶中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液；
b.在-10℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1h，滴加结束后保温反应1小时；
c.升温至40℃，保温反应10小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
d.对步骤c所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
之后用四氢呋喃洗涤5次，在80℃的真空条件下干燥12小时。获得支化磷-氮型阻燃剂，产率89.6%。
图1为实施例1制备的支化磷-氮型阻燃剂的红外光谱图，在3439cm-1处的峰为-OH的特征吸收峰，2973cm-1处出现亚甲基的特征吸收峰，1695cm-1处为羰基的特征吸收峰。在1283cm-1处出现的峰为P=O的伸缩振动吸收峰，1038cm-1处为P-O的伸缩振动吸收峰，1091cm-1和952cm-1处为C-O-P的伸缩振动和弯曲振动吸收峰，表明苯氧基磷酰二氯已被成功引入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯中。图2为实施例1制备的支化磷-氮型阻燃剂的核磁共振氢谱图，图3为实施例1制备的支化磷-氮型阻燃剂的核磁共振磷谱图。根据图2所示，出现在7ppm左右的峰为苯环上的氢的核磁共振峰，并且三种质子的峰面积比(1:2:2)与苯环上质子数理论比值基本一致，符合分子结构特征；在3.98ppm和4.19ppm处的两个峰为参加反应的羟基连接的亚甲基上的氢的核磁共振峰，在3.79ppm和3.51ppm处的两个峰对应于未参加反应的羟基所连接的亚甲基上的氢原子。根据磷谱图，在0ppm处的峰为外标85%磷酸溶液的化学位移，在-5.59ppm处峰位置对应于产物中引入的磷元素。图4为实施例1制备的支化磷-氮型阻燃剂在氮气氛下的热失重曲线。由图可知，合成的新型支化型阻燃剂具的初始分解温度为249℃，初始分解温度较高。其热分解分为2个阶段，分别在310℃和414℃处出现最大失重峰。在500℃时，其残炭达37.7%，当温度升至850℃时其残炭仍有33.7%，表明该阻燃剂生成的炭层在500℃以后的高温下仍具有较高的稳定性，有利于隔绝热和可燃性气体。从而使其在阻燃聚合物材料领域具有潜在的应用前景。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，将缚酸剂由三乙胺换成吡啶。
a.将6.3294g(0.03mol)磷酰二氯溶解在128.9215mL(126.5880g)吡啶中，获得磷酰二氯溶液，再加入0.1848g4-二甲氨基吡啶；将5.2448g(0.02mol)三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在106.8296mL(104.8960g)吡啶中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液；
b.在-10-0℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1.5h，滴加结束后保温反应0.5小时；
c.升温至40℃，保温反应12小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
d.对步骤c所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
之后用四氢呋喃洗涤3次，在60℃的真空条件下干燥10小时。获得支化磷-氮型阻燃剂，产率85.3%。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，将三(2-羟乙基)异氰尿酸酯和磷酰二氯的摩尔质量比由原来的1:1.5改成1:1。
a.将4.2196g(0.02mol)磷酰二氯溶解在85.9477mL(84.3920g)吡啶中，获得磷酰二氯溶液，再加入4.1751g三乙胺和0.1848g4-二甲氨基吡啶；将5.2448g(0.02mol)三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在106.8296mL(104.8960g)吡啶中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，再加入；
b.在0℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1h，滴加结束后保温反应1小时；
c.升温至40℃，保温反应12小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
d.对步骤c所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
之后用四氢呋喃洗涤3次，在80℃的真空条件下干燥12小时，粉碎。获得支化磷-氮型阻燃剂，产率55.3%。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，将溶剂由吡啶换成甲苯。
a.将6.3294g(0.03mol)磷酰二氯溶解在128.9215mL(126.5880g)吡啶中，获得磷酰二氯溶液；将5.2448g(0.02mol)三(2-羟乙基)异氰尿酸酯分散在106.8296mL(104.8960g)甲苯中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯分散液再加入0.1848g4-二甲氨基吡啶和6.2627g三乙胺；
b.在-10-0℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯分散液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入磷酰二氯溶液，滴加时间1h，滴加结束后保温反应1小时；
c.升温至40℃，保温反应10小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
d.对步骤c所得的混合液进行抽滤，获得沉淀；
e.对步骤d所得的沉淀用四氢呋喃洗涤3次，在80℃的真空条件下干燥10小时。获得支化磷-氮型阻燃剂，产率84.9%。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，将三(2-羟乙基)异氰尿酸酯和磷酰二氯与溶剂的质量比由1:20换成1:10。
a.将6.3294g(0.03mol)磷酰二氯溶解在64.4607mL(63.2940g)吡啶中，获得磷酰二氯溶液，再加入6.2627g三乙胺和0.1848g4-二甲氨基吡啶；将5.2448g(0.02mol)三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在52.4148mL(52.4480g)吡啶中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液；
b.在-10℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1h，滴加结束后保温反应1小时；
c.升温至40℃，保温反应10小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
d.对步骤c所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
之后用四氢呋喃洗涤5次，在80℃的真空条件下干燥12小时。获得支化磷-氮型阻燃剂，产率83.2%。
Claims (7)
1.支化磷-氮型阻燃剂，其结构示意图如式1所示
式1。
2.支化磷-氮型阻燃剂，其特征在于其原料的各组分配比为：
三(2-羟乙基)异氰尿酸酯与溶剂的质量比为1:10-1:20；
磷酰二氯与三(2-羟乙基)异氰尿酸酯的摩尔比1:1-1.5:1；
磷酰二氯与溶剂的质量比为1:10-1:20；
催化剂与磷酰二氯的摩尔比为1:10；
缚酸剂与三(2-羟乙基)异氰尿酸酯的摩尔比为3:1。
3.根据权利要求2所述的支化磷-氮型阻燃剂，其特征在于所述溶剂溶剂选自：吡啶、甲苯中的一种。
4.根据权利要求2所述的支化磷-氮型阻燃剂，其特征在于所述磷酰二氯为苯氧基磷酰二氯。
5.根据权利要求2所述的支化磷-氮型阻燃剂，其特征在于所述催化剂为4-二甲氨基吡啶。
6.根据权利要求2所述的支化磷-氮型阻燃剂，其特征在于所述的缚酸剂选自：三乙胺、吡啶、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种或多种按任意比例混合。
7.权利要求1-6所述的支化磷-氮型阻燃剂的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）将磷酰二氯溶解在溶剂中，获得磷酰二氯溶液，并加入缚酸剂和催化剂；将三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶解在溶剂中获得三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液；
（2）在-10-0℃下向装有搅拌器、恒压滴液漏斗和回流冷凝管的三口烧瓶中加入磷酰二氯溶液，采用饥饿滴加法向三口烧瓶中逐滴加入三(2-羟乙基)异氰尿酸酯溶液，滴加时间1-1.5h，滴加结束后保温反应0.5-1小时；
（3）升温至40℃，保温反应10-12小时，置于0℃冰水浴中结束反应；
（4）对步骤（3）所得的混合液进行抽滤、洗涤、干燥获得支化磷-氮型阻燃剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |