CN105348539A - 一种有机磷氮无卤阻燃剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型有机P,N-无卤阻燃剂,是由六氯环三磷腈、对羟基苯甲醛和三聚氰胺为原料合成,主要用于聚烯烃材料阻燃。该无卤阻燃剂与多聚磷酸铵和季戊四醇复配使用。研究测试表明,当该磷氮阻燃剂添加量为2wt%左右时,对聚丙烯复合材料的阻燃效果达到最佳,LOI可达到35.4%,复合材料仍能保持优良的力学性能,完全达到正常的使用标准。同时阻燃剂的添加量少,成本低,且无卤,是一种环境友好的阻燃助剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种无卤阻燃剂,尤其涉及一种有机磷氮无卤阻燃剂,主要用于制备阻燃聚烯烃材料。
背景技术
随着塑料、橡胶、合成纤维等高分子材料及其制品的蓬勃发展,它们正迅速代替传统的钢材、金属制品、水泥及木材、纤维等天然聚合物,广泛应用于工业、农业、军工、建筑等产业部门。大规模使用高分子材料,在促进技术进步和为社会带来巨大的经济利益的同时,也存在严重的安全和环境问题,其中火灾就是最严重的安全问题。随着高分子材料在各个领域应用的增加,由高分子材料导致的火灾所引起的经济损失和人员伤亡也在呈上升趋势。因此,阻燃高分子材料的研究也就越来越受到人们的重视。
阻燃剂是一种能阻止材料引燃或抑制火焰传播的助剂,它是在20世纪50年代后期随高分子材料的需要而发展起来的。现在市场上的卤系阻燃剂,虽然具有高效的阻燃效果,但是含卤材料在燃烧时会释放大量烟雾和有毒有害腐蚀性气体,对人员和紧密仪器带来极大损害。有机磷系阻燃剂虽然具有相融性好、阻燃、增塑、磷氮协同作用等优点,但也存在效率低、热稳定性差、易水解、易渗出等问题。
有文献报道,对六氯环三磷腈进行苯胺氨基化,制备出六-苯胺基环三磷腈,然后将其加入聚乙烯醇中纺丝后得到了具有良好阻燃效果的聚乙烯醇纤维[姚淑焕,徐建军,叶光斗。苯胺基环磷腈的合成及PVA阻燃纤维的制备。高分子材料科学与工程,2009,25(7):13~16]。CN103992481A公布了一种用六氯环磷腈和含有两个活性集团的二元化合物反应制备了一种超支化聚磷腈阻燃成炭剂,具有良好的成碳发泡作用和高效的阻燃性能,可广发应用与塑料、橡胶等高分子材料中。CN103524885A公布了一种膨胀阻燃剂,该阻燃剂由聚氨基环三磷腈和三(2-羟乙基)异氰尿酸酯复合而成。该膨胀阻燃剂对聚丙烯和聚乙烯具有良好的阻燃作用,但该阻燃剂仍含有少量氯(低于2%)。CN104725428A公布了一种用三聚氰胺和氨与六氯环三磷腈发生取代反应制备出一种三聚氰胺改性聚氨基环三磷腈化合物,但是仍存在无法将氯完全取代的问题,仍有1.2%~1.5%的氯残留在产物中。
发明内容
本发明是针对现有有机磷系阻燃剂存在的问题,提供一种高效环保稳定的有机磷氮无卤阻燃剂。
一、有机P,N-阻燃剂的制备
本发明有机P,N-阻燃剂是以六氯环三磷腈、对羟基苯甲醛、三聚氰胺为原料合成,其具体合成工艺如下:
(1)六(4-醛基苯氧基)环三磷腈的制备:将对羟基苯甲醛充分溶解于非质子溶剂中,加入缚酸剂搅拌均匀;再向其中加入六氯环三磷腈的非质子溶剂溶液,升温至65~140℃,反应8~24h;反应结束后降至室温,过滤,滤饼用有机溶剂洗涤数次,合并滤液并浓缩滤液至原体积的1/3~1/4;然后用蒸馏水析出固体并过滤,固体用乙酸乙酯重结晶,55~65℃真空干燥12~24h;得六(4-醛基苯氧基)环三磷腈;
缚酸剂采用K2CO3、NaOH、三乙胺,缚酸剂与六氯环三磷腈的摩尔比为5:1~8:1。
六氯环三磷腈与对羟基苯甲醛的摩尔比为1:6.0~1:8.0,优选比为1:7.2。
非质子溶剂主要为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜;使用时要进行干燥处理。
(2)有机P,N-无卤阻燃剂的制备:三聚氰胺加入非质子溶剂中,加热到140~170℃使其溶解;向其中加入六(4-醛基苯氧基)环三磷腈的DMSO溶液中,反应12~24h;反应结束后冷却至室温,用蒸馏水析出沉淀,过滤,用热水、乙酸乙酯洗涤滤饼数次,于85~95℃真空干燥12~24h,即得有机P,N-阻燃剂。
三聚氰胺与六(4-醛基苯氧基)环三磷腈摩尔比为1:6.0~1:8.0,优选比1:7.2~1:7.5。
非质子溶剂主要为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜。
上述制备的有机磷氮阻燃剂为低分子量聚合物,热稳定性高,且有磷氮协效作用,阻燃效果优异。
二、阻燃聚烯烃复合材料的制备
下面以聚丙烯为例,说明采用本发明有机P,N-阻燃剂制备的聚烯烃复合材料的阻燃性能和机械将聚丙烯在开炼机上软化后有机P,N-阻燃剂后混炼均匀。混炼时间为15~20min,软化温度为140℃~150℃。有机P,N-无卤阻燃剂的用量为聚烯烃质量的1~5%。
为了取得最好的阻燃性能,将有机P,N-阻燃剂与多聚磷酸铵、己戊四醇复配使用。其具体制备工艺是,将聚丙烯在开炼机上软化后依次加入多聚磷酸铵、己戊四醇、有机P,N-阻燃剂后混炼均匀。也可以将多聚磷酸按、己戊四醇、有机P,N-阻燃剂预先混合均匀,研磨后一起加入聚丙烯中。混炼时间为15~20min,软化温度为140℃~150℃。多聚磷酸铵、己戊四醇、有机磷氮阻燃剂的质量比为4~6:2~4:1,优选4.5:3:1。复配阻燃剂的用量为聚烯烃质量的25~35%。
二、聚丙烯复合材料的结构、性能表征
1、红外谱图
图1为三聚氰胺(Melamine)、六(4-醛基苯氧基)环三磷腈(HAPCP)、新型有机P,N-阻燃剂(MHAPCP)的红外谱图。由图1可以看出,本发明制备的有机磷氮无卤阻燃剂热稳定性优异,在627.2℃的残碳率为53.6%。以其为阻燃剂制备的阻燃聚丙烯复合材料在氮气气氛下失重12.5%的温度为369.2℃,残碳率为15.2%。最佳有限氧指数可到34.45%。
2、热重分析
图2、3分别为聚丙烯(PP)、聚丙烯复合材料(MHAPCP/PP)、新型有机P,N-阻燃剂(MHAPCP)的TG、DTG。图2、3表明,本发明有机P,N-无卤阻燃剂与多聚磷酸铵和己戊四醇复配使用具有更加优异的阻燃效果,而且环保、无毒、低烟。
3、扫描电镜分析
图4为燃烧后碳层SEM扫描图片。(a)、(b)分别为添加有机P,N-阻燃剂后聚丙烯复合材料燃烧后碳层的外层和内层;(c)、(d)分别为只添加多聚磷酸铵和己戊四醇的聚丙烯复合材料燃烧后碳层的外层和内层。由图4可见,有机P,N-无卤阻燃剂添加到聚丙烯复合后,复合材料的力学性能未受到大的破坏,仍保持优良的力学性能,完全可达到正常的使用条件。燃烧后碳层内壁坚硬致密,可有效阻隔氧和热的进一步传递,从而达到很好的阻燃效果。
4、聚丙烯复合材料的性能测定
有限氧指数按照GB/T2460-93标准测试。测试结果:有限氧指数测定:31.3~35.4%。
弯曲强度按照GB/T9341-88标准测试。测试结果:弯曲强度:34.20~32.17MPa,弯曲模量:985.05~1194.47MPa。
抗冲击强度按照GB/T1843-80标准测试。测试结果:抗冲击强度:35.21~6.09KJ/m2。
图5为本有机P,N-无卤阻燃剂/聚丙烯复合材料的力学性能。图5的结果显示:复合材料的抗冲击强度较PP材料虽有明显的下降,但是,添加阻燃剂后的复合材料弯曲负荷和弯曲强度与未添加阻燃剂的PP材料相比,没有明显降低,而且添加阻燃剂的复合材料其弯曲模量较PP材料相比还有较大的提高,总体上提高了复合材料的力学性能。
综上所述,以本发明制备的有机P,N-无卤阻燃剂制备的阻燃型聚烯烃复合材料,具有良好的阻燃效果,而且使复合材料能保持优良的力学性能,完全达到正常的使用标准。同时阻燃剂的添加量少,成本低,且无卤,是一种环境友好的阻燃助剂。
附图说明
图1为三聚氰胺(Melamine)、六(4-醛基苯氧基)环三磷腈(HAPCP)、新型有机P,N-阻燃剂(MHAPCP)的红外谱图。
图2为聚丙烯(PP)、聚丙烯复合材料(MHAPCP/PP)的TG/DTG。
图3为新型有机P,N-阻燃剂(MHAPCP)的的TG/DTG。
图4为SEM扫描图片聚丙烯复合材料燃烧后碳层的外层和内层。
图5为本有机P,N-无卤阻燃剂/聚丙烯复合材料的和力学性能。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明有机磷氮无卤阻燃剂的制备及阻燃性能做进一步说明。
实施例一
1、阻燃剂的制备
(1)将17.6g对羟基苯甲醛与250mL精制四氢呋喃(THF)加入500mL烧瓶中,常温下磁力搅拌使其充分溶解;加入14.0g干燥K2CO3搅拌均匀;
(2)将6.95g六氯环三磷腈溶于50mL精制THF中,然后缓慢滴入(滴加时间约为1h)步骤(1)的反应体系中;0.5h后升温至65℃,磁力搅拌回流反应24h;过滤,并用THF反复洗涤几次滤饼;合并滤液并浓缩至原体积的1/4后倒入大量蒸馏水中析出沉淀,过滤沉淀并用蒸馏水洗涤3次,最后用乙酸乙酯重结晶2次,50℃真空干燥12h,得淡黄色固体六(4-醛基苯氧基)环三磷腈(Hccp01),产率为55.5%;
(3)将6.33g三聚氰胺和70mL二甲亚砜(DMSO)加入250mL三口烧瓶中,加热至140℃使三聚氰胺溶解;将6.0g六(4-醛基苯氧基)环三磷腈溶于40mLDMSO中,缓慢滴入三口烧瓶中,140℃磁力搅拌回流反应24h;反应完成后冷却至室温,将反应液倒入其5~10倍体积的蒸馏水中,析出白色沉淀,减压抽滤,沉淀用热水洗涤滤饼数次,95℃真空干燥12h,产物即为有机有机P,N-无卤阻燃剂。
2、聚丙烯阻燃材料的制备
开炼机加热至140℃,恒温1h,加入35g聚丙烯,9g多聚磷酸按,6g己戊四醇、2g有机P,N-阻燃剂后混炼均匀,混炼时间为15~20min,得有机P,N-阻燃剂聚丙烯阻燃材料(对应19#产品)。
聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:34.45%;弯曲强度:61.312N;弯曲模量:1198.46MPa,抗冲击强度:6.08KJ/m2。
实施例二
1、阻燃剂的制备:与实施例1同
2、聚丙烯阻燃材料的制备:0.5g有机P,N-阻燃剂,其它与实施例1同。得到的聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:31.32%;弯曲强度:45.675N;弯曲模量:2030.10MPa,抗冲击强度:4.76KJ/m2。
实施例三
1、阻燃剂的制备:与实施例1同
2、聚丙烯阻燃材料的制备:1g有机P,N-阻燃剂,其它与实施例1同。得到的聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:33.03%;弯曲强度:37.400N;弯曲模量:1613.22MPa,抗冲击强度:3.27KJ/m2。
实施例四
1、阻燃剂的制备:与实施例1同
2、聚丙烯阻燃材料的制备:1.5g有机P,N-阻燃剂,其它与实施例1同。得到的聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:33.60%;弯曲强度:35.400N;弯曲模量:1583.80MPa,抗冲击强度:4.01KJ/m2。
实施例五
1、阻燃剂的制备:与实施例1同;
2、聚丙烯阻燃材料的制备:2.5g有机P,N-阻燃剂,其它与实施例1同。得到的聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:34.43%;弯曲强度:39.501N;弯曲模量:1694.20MPa,抗冲击强度:3.27KJ/m2。
实施例六
1、阻燃剂的制备:与实施例1同;
2、聚丙烯阻燃材料的制备:3.0g有机P,N-阻燃剂,其它与实施例1同。得到的聚丙烯阻燃材料的性能指标:有限氧指数测定:34.41%;弯曲强度:39.721N;弯曲模量:1466.1MPa,抗冲击强度:4.058KJ/m2。
对比例:开炼机加热至140℃,恒温1h,加入35g聚丙烯,9g多聚磷酸按,6g己戊四醇后混炼均匀,混炼时间为15~20min,得聚丙烯阻燃材料(对应15#产品)。有限氧指数测定:26.64%;弯曲强度:63.18N;弯曲模量:1273.08MPa,抗冲击强度:6.77KJ/m2。
普通聚丙烯材料:有限氧指数测定17.8%:弯曲强度:65.12N;弯曲模量:985.04MPa,抗冲击强度:35.20KJ/m2。
Claims (10)
1.一种有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)六(4-醛基苯氧基)环三磷腈的制备:将对羟基苯甲醛充分溶解于非质子溶剂中,加入缚酸剂搅拌均匀;再向其中加入六氯环三磷腈的非质子溶剂溶液,升温至65~140℃,反应8~24h;反应结束后降至室温,过滤,滤饼用有机溶剂洗涤数次,合并滤液并浓缩滤液至原体积的1/3~1/4;然后用蒸馏水析出固体并过滤,固体用乙酸乙酯重结晶,55~65℃真空干燥12~24h;得六(4-醛基苯氧基)环三磷腈;
(2)有机P,N-无卤阻燃剂的制备:三聚氰胺加入非质子溶剂中,加热到140~170℃使其溶解;向其中加入六(4-醛基苯氧基)环三磷腈的二甲亚砜溶液中,反应12~24h;反应结束后冷却至室温,用蒸馏水析出沉淀,过滤,用热水、乙酸乙酯洗涤滤饼数次,于85~95℃真空干燥12~24h,即得有机P,N-阻燃剂。
2.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述的缚酸剂为K2CO3、NaOH、三乙胺。
3.如权利要求2所述有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,其特征在于:缚酸剂与六氯环三磷腈的摩尔比为5:1~8:1。
4.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述六氯环三磷腈与对羟基苯甲醛的摩尔比为1:6.0~1:8.0。
5.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,其特征在于:三聚氰胺与六(4-醛基苯氧基)环三磷腈摩尔比为1:6.0~1:8.0。
6.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂的制备方法,其特征在于:所述非质子溶剂主要为四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜。
7.如权利要求1所述方法制备的有机P,N-无卤阻燃剂用于制备阻燃聚烯烃复合材料。
8.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂用于制备阻燃聚烯烃复合材料,其特征在于:有机P,N-无卤阻燃剂的用量为聚烯烃质量的1~5%。
9.如权利要求1所述有机P,N-无卤阻燃剂用于制备阻燃聚烯烃复合材料,其特征在于:将有机P,N-阻燃剂与多聚磷酸铵、己戊四醇复配使用;多聚磷酸铵、己戊四醇、有机磷氮阻燃剂的质量比为4~6:2~4:1。
10.如权利要求9所述有机P,N-无卤阻燃剂用于制备阻燃聚烯烃复合材料,其特征在于:所述复配阻燃剂的用量为聚烯烃质量的25~35%。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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