CN106188620A - 基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法。该基于星型三嗪衍生物的名称为2,4,6‑三‑{2‑([1,3,2]二氧硼戊环‑2‑氧代)‑乙氧基}‑1,3,5‑三嗪，用作膨胀型阻燃剂；本发明将甲苯和乙二醇混合，并升温至40‑60℃，加入硼酸，升温，搅拌至硼酸完全溶解；搅拌回流至分水器内水分不再增加，保持该温度继续反应2‑5h；将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，真空干燥，得中间产物；将中间产物溶入四氢呋喃溶液中；在氮气保护下，将三聚氯氰溶于四氢呋喃溶液中，然后加入氢氧化钠；分次加入溶有中间产物的四氢呋喃溶液，提纯得到星型三嗪衍生物。该发明所得到的产物可做为优良的环保型有机阻燃剂。

Description

基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及有机高分子材料的阻燃技术领域，具体涉及基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法。
背景技术
世界各地几乎每天都有大大小小的火灾发生，其主要原因是易燃材料着火引起的。随着现代科学技术的发展，高分子材料在国民经济和人民生活中发挥的作用越来越大。但一般高分子材料易燃，而阻燃剂的使用可以降低高分子材料的燃烧性能，从而有效地减少火灾的损失。阻燃剂按属性可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂，无机阻燃剂具有低烟、低毒、无卤、稳定性好、价格低廉等优势，但存在添加量大、与材料相容性差、降低材料性能等缺点，受到一定程度的限制。目前常使用的传统有机磷系和有机卤系阻燃剂，虽然其具有良好的阻燃性能，但还存在着自身毒性以及加工和燃烧过程中产生有毒气体等问题。例如，有机卤素阻燃剂在材料的加工和燃烧过程中，释放出有毒性和腐蚀性的卤化氢气体等，易产生二次污染，对环境造成影响；有机磷阻燃剂自身具有较大的毒性，还具有较大的臭味。在评估有机阻燃剂的综合性能时，除了要考虑有机阻燃剂的阻燃性能，还要考虑有机阻燃剂本身是否有毒，以及在材料加工和燃烧过程中是否会产生大量的烟尘和有毒性气体。随着社会高度的发展和人们环保意识的不断增强，世界各国的新环保法规也在不断的出台，具有无毒或低毒、抑烟或低烟性能的新型绿色环保有机阻燃剂的使用是21世纪有机阻燃剂发展的必然趋势。
硼元素、磷元素和氮元素都属阻燃元素，有机分子结构中含有阻燃元素磷的有机磷阻燃剂虽然具有良好的阻燃性能，但其有一定的毒性。而有机分子结构中仅含有一种阻燃元素氮的有机氮阻燃剂虽然无毒，但它的阻燃性能相对较弱。如果有机硼系阻燃剂的分子结构中同时含有硼、氮阻燃元素，那么该阻燃剂有可能一方面综合了阻燃元素各自的阻燃性能，另一方面又提高了有机氮的阻燃性能。
硼系阻燃剂是一类无毒高效的阻燃剂，能够有效的促进高分子材料成炭，抑制燃烧；而膨胀型阻燃剂一般为高效无毒的阻燃剂，材料在燃烧时，表面生成一层均匀的多孔炭质泡沫层，能起到隔热、隔氧、抑烟、防熔滴的作用。本发明结合膨胀阻燃剂和硼系阻燃剂的特性，发明新型有机硼-氮阻燃剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可作为阻燃剂的星型三嗪衍生物。
本发明的目的还在于一种分子结构中同时含有硼酸酯基团和三嗪环的膨胀型有机阻燃剂及其制备方法，其作为有机阻燃剂添加到有机高分子材料中，在燃烧时可以促进高分子材料形成稳定膨胀的炭层，阻燃性能优良，不易滴落。
本发明目的通过如下是技术方案实现：
基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂，其特征在于，该星型三嗪衍生物的名称为2,4,6-三-{2-([1,3,2]二氧硼戊环-2-氧代)-乙氧基}-1,3,5-三嗪，简称3BeT，用作膨胀型阻燃剂，具有如下的分子结构：
所述基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括如下的步骤：
第一步：将甲苯和乙二醇搅拌混合，并逐渐升温至40-60℃，加入硼酸，控制乙二醇和硼酸的摩尔比为2:1-1.5，升温至70-90℃，搅拌至硼酸完全溶解；回流至分水器内水分不再增加，保持该温度继续反应2-5h；
第二步：将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，真空干燥，得中间产物；将中间产物溶入四氢呋喃溶液中；
第三步：在氮气保护下，将三聚氯氰溶于四氢呋喃溶液中，然后加入氢氧化钠；在20-30℃下，加入溶有中间产物的四氢呋喃溶液体积的40％-60％，反应1-3h，升温至40-50℃，然后滴加剩余的溶有中间产物的四氢呋喃溶液，反应2-3h，升温至80-100℃，持续反应3-6h；
第四步：将第三步所得的反应混合液抽滤，液相旋干，得到基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的粗产物；以四氢呋喃和二氯甲烷的混合液作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述所述甲苯和乙二醇的体积比为10-40:1。
优选地，所述搅拌至硼酸完全溶解的时间为50-60分钟。
优选地，所述真空干燥的温度为60-80℃。
优选地，所述三聚氯氰与氢氧化钠的摩尔比为1：3-1：5。
优选地，所述四氢呋喃和二氯甲烷的混合液中四氢呋喃和二氯甲烷的体积比为1：12-1：15。
优选地，所述液相用旋转蒸发仪旋干。
优选地，所述将三聚氯氰溶于四氢呋喃溶液中每克三聚氯氰溶于5-10毫升四氢呋喃溶液中。
本发明基于星型三嗪衍生物主要用作阻燃剂，随着基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂在树脂中用量的增加，LOI逐渐增加，热释放速率和生烟总量逐渐降低。基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂含量为20％时，阻燃效果达到了UL94V-1等级。当加入30％后，LOI达到了30.3％，同时阻燃效果达到了UL94V-0等级，热释放速率由781kW/m2降为387kW/m2，生烟总量由50.4m2降为27.8m2。当星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的含量仅为10％的时候，燃烧过程无滴落，归因于B-O-C结构的形成，使炭层更加稳定，同时形成的炭层较为膨胀，能有效的防止滴落。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
1)本发明所提供的一种基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂，因其分子结构中含有硼酸酯基团和三嗪环，硼酸酯基团在燃烧过程中脱水，促进成炭，三嗪环在燃烧过程中释放出大量难燃气体，使得炭层膨胀；硼酸酯基团和三嗪环的共同作用，促进高分子材料形成稳定膨胀的炭层，覆盖在基材的表明，充当隔热层，隔绝热和氧的传播，阻止可燃物的燃烧。因此这类星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂有望成为优良的环保型有机阻燃剂。
2)本发明基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂在环氧树脂的含量仅为10％的时候，燃烧过程都无滴落，随着星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂在环氧树脂的含量无滴落的效果好，主要原因在于本发明阻燃剂中B-O-C结构的形成，使炭层更加稳定，同时形成的炭层较为膨胀，能有效的防止滴落。
3)本发明基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂可形成的稳定膨胀的炭层，能够有效的隔绝热量，吸附烟和吸收可燃颗粒，从而降低热释放速率，阻碍烟的扩散，达到阻燃和抑烟的作用。
4)本发明星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂还有可能解决现有阻燃剂存在的毒性大和热稳定性差等缺点。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例1
一种基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在三口烧瓶中加入13.5ml乙二醇和140ml甲苯，搅拌并逐渐升温至48℃，加入7.35g硼酸，继续升温至73℃，搅拌50分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应1h；
第二步：将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得无色透明粘稠液体的中间产物；将12.29g中间产物溶于60ml四氢呋喃溶液中；
第三步：在氮气保护下，称取5.67g三聚氯氰溶于40ml四氢呋喃溶液中，然后加入4.11g氢氧化钠，在26℃下，加入溶有中间产物的四氢呋喃溶液体积的一半，反应3h，然后升温至44℃，继续滴加，反应2.5h，滴加完毕后，升温至91℃，持续反应3h；
第四步：将第三步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以四氢呋喃和二氯甲烷的混合液(体积比为1:12)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂(3BeT)。
MS:m/z 471.17(M+)
1H NMR(600MHz,DMSO-d6,ppm):δ4.07(t,12H),4.26(t,6H),4.15(t,6H)
其中δ＝4.07ppm为硼氧环烷基链峰，δ＝4.26和4.15ppm为线性烷基链峰；2,4,6-三-([1,3,2]二氧硼戊环-2-氧代)-1,3,5-三嗪(3BT)的理论分子量为471.17，结合质谱我们得出，该产物为基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂(3BeT)。
实施例2
一种基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在三口烧瓶中加入27ml乙二醇和270ml甲苯，搅拌并逐渐升温至59℃，加入14.76g硼酸，继续升温至81℃，搅拌55分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应2h；
第二步：将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得无色透明粘稠液体的中间产物；将25.57g中间产物溶于120ml四氢呋喃溶液中；
第三步：在氮气保护下，称取11.32g三聚氯氰溶于80ml四氢呋喃溶液中，然后加入8.56g氢氧化钠，在20℃下，加入溶有中间产物四氢呋喃溶液体积的40％，反应2h，然后升温至49℃，继续滴加，反应3h，滴加完毕后，升温至93℃，持续反应4h；
第四步：将第三步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以四氢呋喃和二氯甲烷的混合液(体积比为1:12)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂(3BeT)。产物的质谱和氢普与实施例1相同。
实施例3
一种基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：
第一步：在三口烧瓶中加入41ml乙二醇和420ml甲苯，搅拌并逐渐升温至58℃，加入22.14g硼酸，继续升温至73℃，搅拌50分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应2h；
第二步：将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得无色透明粘稠液体的中间产物；将36.89g中间产物溶于180ml四氢呋喃溶液中；
第三步：在氮气保护下，称取17.32g三聚氯氰溶于120ml四氢呋喃溶液中，然后加入12.43g氢氧化钠，在24℃下，加入溶有中间产物的四氢呋喃溶液体积的60％，反应3h，然后升温至50℃，继续滴加，反应2h，滴加完毕后，升温至82℃，持续反应6h；
第四步：将第三步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以四氢呋喃和二氯甲烷的混合液(体积比为1:12)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂(3BeT)。产物的质谱和氢普与实施例1相同。阻燃性能测试
通过阻燃性能的测试进一步说明本发明基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂，本发明评价的测定方法如下。
(1)极限氧指数(LOI)
按照ASTM D 2863标准测试，测试选用的样条标准为：80mm×10mm×4mm。
(2)垂直燃烧测试(UL-94)
根据ASTM D 3801标准测试，样条的尺寸标准为：125mm×12.7mm×3.2mm。根据样条的燃烧时间，是否有滴落物，滴落物能否引燃脱脂棉等实验结果，将材料定为V-2，V-1，V-0三个阻燃级别。
(3)锥形量热仪(CONE)
根据ISO 5660测试标准测试，样条的尺寸为100mm×100mm×3mm，辐射热流强度为35kW/m2(740℃)。
环氧树脂(epoxy resin，简称EP)是一类用量大、应用广的热固性树脂，它因其优良的介电性、耐药性、粘结性、物理机械性而被广泛应用，可作为涂料、胶黏剂、模压剂、
浇注料等用于土木、建筑、电子、航空等众多领域，渗透到国民经济的各个方面。EP虽然具有较多优异性能，但其极限氧指数较低，易燃，且燃烧时容易滴落，使其在工业、生活中的应用隐藏着巨大隐患。因此，当务之急，改善环氧树脂的阻燃性，提高火灾安全性，
成为现阶段扩大其应用范围的主要趋势。
应用实施例1：
称取制备方法实施例1中的阻燃剂(3BeT)5g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体数据陈列在表1中。
应用实施例2：
称取制备方法实施例2中的阻燃剂(3BeT)10g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体数据陈列在表1中。
应用实施例3：
称取制备方法实施例3中的阻燃剂(3BeT)15g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体数据陈列在表1中。
表1阻燃环氧树脂的测试数据
由表1可知，随着3BeT阻燃剂质量比的增加，LOI逐渐增加，热释放速率和生烟总量逐渐降低。3BeT含量为20％时，达到了UL94V-1等级。当加入30％3BeT后，LOI达到了30.3％，同时达到了UL94V-0等级，热释放速率由781kW/m2降为387kW/m2，生烟总量由50.4m2降为27.8m2。当3BeT的含量仅为10％的时候，燃烧过程无滴落，这主要归因于B-O-C结构的形成，使炭层更加稳定，同时形成的炭层较为膨胀，能有效的防止滴落。另外，形成的稳定膨胀的炭层，能够有效的隔绝热量，吸附烟和吸收可燃颗粒，从而降低热释放速率，阻碍烟的扩散，达到阻燃和抑烟的作用。

Claims (9)

1.基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂，其特征在于，该星型三嗪衍生物的名称为2,4,6-三-{2-([1,3,2]二氧硼戊环-2-氧代)-乙氧基}-1,3,5-三嗪，用作膨胀型阻燃剂，具有如下的分子结构：
2.权利要求1所述基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于包括如下的步骤：
第一步：将甲苯和乙二醇搅拌混合，并逐渐升温至40-60℃，加入硼酸，控制乙二醇和硼酸的摩尔比为2:1-1.5，升温至70-90℃，搅拌至硼酸完全溶解；回流至分水器内水分不再增加，保持该温度继续反应2-5h；
第二步：将第一步的反应液减压蒸馏除去甲苯，真空干燥，得中间产物；将中间产物溶入四氢呋喃溶液中；
第三步：在氮气保护下，将三聚氯氰溶于四氢呋喃溶液中，然后加入氢氧化钠；在20-30℃下，加入溶有中间产物的四氢呋喃溶液体积的40％-60％，反应1-3h，升温至40-50℃，然后滴加剩余的溶有中间产物的四氢呋喃溶液，反应2-3h，升温至80-100℃，持续反应3-6h；
第四步：将第三步所得的反应混合液抽滤，液相旋干，得到基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的粗产物；以四氢呋喃和二氯甲烷的混合液作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂。
3.根据权利要求2所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述所述甲苯和乙二醇的体积比为10-40:1。
4.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述搅拌至硼酸完全溶解的时间为50-60分钟。
5.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述真空干燥的温度为60-80℃。
6.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述三聚氯氰与氢氧化钠的摩尔比为1：3-1：5。
7.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述四氢呋喃和二氯甲烷的混合液中四氢呋喃和二氯甲烷的体积比为1：12-1：15。
8.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述液相用旋转蒸发仪旋干。
9.根据权利要求1所述的基于星型三嗪衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述将三聚氯氰溶于四氢呋喃溶液中每克三聚氯氰溶于5-10毫升四氢呋喃溶液中。
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