CN108455548A - 一种低酸值、低粘度结晶ii型聚磷酸铵的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚磷酸铵制备技术领域,为解决目前制备结晶II型聚磷酸铵存在随储存时间增加存在粘度不稳定、性能下降等问题,本发明提出了一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,采用前期加少量三聚氰胺促进转晶,后期粉碎后加纳米二氧化硅继续提高结晶II程度,再加入三聚氰胺降低APP酸值,制得的低酸值、低粘度聚磷酸铵具有pH值稳定、酸值小,在水性涂料中起始粘度小、储存粘度稳定等特点。
Description
背景技术
本发明涉及聚磷酸铵制备技术领域,具体地说是一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法。
背景技术
聚磷酸铵(ammonium polyphosphate,以下简称APP)是一种以磷、氮为主要成分的膨胀型环保无机阻燃剂,可作为涂料、塑料、橡胶的阻燃剂使用,是目前市场上卤素阻燃剂良好的替代品。但由于APP是无机聚合物,存在易吸潮、吸湿、与树脂相容性不佳的问题,高聚合度的结晶II型的APP通常采用五氧化二磷和磷酸氢二铵为原料合成,聚合度通常在1000以上,制备过程反应剧烈,使产品PH值不稳定、酸值高。其主要应用于防火涂料中,但随储存时间增加存在粘度不稳定、性能下降等问题。特别是在水性涂料中尤其明显,在实际应用中受到了限制。
目前,针对APP提高耐水性及粘度稳定的方法主要有表面改性处理、微胶囊化处理、表面活化处理等方式。一般采用三聚氰胺甲醛树脂等树脂包覆、硅烷偶联剂改性、有机胺改性和直接三聚氰胺处理等方法,国内外已有多项关于该方面的专利。
方法一,三聚氰胺甲醛树脂包覆处理。公开专利有CN1480253中提到将密胺-甲醛作为处理成预聚体,再讲聚磷酸铵进行包覆,降低其水溶性,提高产品粘度稳定性能。但该方法在降低APP水溶性的同时,存在采用有机溶剂、后期处理复杂、处理效率低等缺点。
方法二,硅烷偶联剂处理。这是一种较为常见对改善APP产品PH、酸值的方法。专利CN101570325、CN101492881、CN102093735中提到分别在硅酸酯或其他溶剂中,对于聚磷酸铵或先行单一密胺等改性的聚磷酸铵,加入硅烷偶联剂进行反应,水溶性有降低,并对APP的渗透迁移有一定作用。专利CN 101235221、CN102850824中采用氨基硅烷偶联剂水解后在进行有机包覆,降低APP的水溶性。方法采用硅酸酯水解包覆,存在期处理复杂、处理效率低等缺点。
方法三,有机胺改性处理。专利CN201310271824、CN201310727560采用乙二胺、乙醇胺等有机胺对多聚磷酸铵进行改性,产品提高了APP的阻燃性能。但该方法主要针对工程树脂应用,未见常规性能指标提升,且采用液相法处理,后续处理困难。
方法四,三聚氰胺处理。专利CN 201510562730、CN 200810203596、CN201310367836专利中在一步法中三聚氰胺作为缩合剂参与APP合成过程,产品热稳定性良好。专利CN105419391采用三聚氰胺氰尿酸盐包覆聚磷酸铵微胶囊处理,改善表面性能,降低吸湿性等性能。
此外,本发明人研究并开发申请的专利“一种纳米二氧化硅改性多聚磷酸铵的制备方法及其应用”(申请号:201611200686.4),通过纳米二氧化硅表面改性APP,虽然大幅提高了产品耐水性和耐迁移性,但产品在酸值上无显著提高,在水性涂料等特定用途中性能不能满足起始粘度、储存粘度稳定的要求。
发明内容
为解决目前制备结晶II型聚磷酸铵存在随储存时间增加存在粘度不稳定、性能下降等问题,本发明提出了一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,制得的低酸值、低粘度聚磷酸铵具有pH值稳定、酸值小,在水性涂料中起始粘度小、储存粘度稳定等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的:APP反应过程是五氧化二磷和磷酸氢二胺在一定温度下缩合形成糖浆状粘稠液体,然后和氨反应,逐步转晶形成II型聚磷酸铵固体的过程。在该过程中转晶是关键,实验发现加入的改性剂在促进转晶的同时对结晶形态是有干扰的,不同的改性剂作用不一样,因此必须控制改性剂的加入量和前后加入次序。
本发明中采用前期加少量三聚氰胺促进转晶,后期粉碎后加纳米二氧化硅继续提高结晶II程度,再加入三聚氰胺降低APP酸值,进一步提高聚磷酸铵(APP)耐水性。
一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法包括以下步骤:
①、捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵,搅拌均匀后升温通氨,在180~320℃下反应2~5h后加入三聚氰胺,继续通氨搅拌,在180~320℃下继续反应0.1~2h,粉碎得到聚磷酸铵预产物;
投入五氧化二磷和磷酸氢二铵后,以每100公斤反应物计,通氨量为1~4m3/h。
三聚氰胺的加入量为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.05~0.5%,第一步添加三聚氰胺是作为转晶促进剂。
投入三聚氰胺后,以每100公斤反应物计,通氨量为0.1~2m3/h。
作为优选,最后通过粉碎使糖浆状粘稠液体变成固体过程中大颗粒被粉细,内部反应不完成的缺氨的聚磷酸铵能再次接触氨气。
②、将聚磷酸铵预产物加入反应器中,在200~320℃下,搅拌通氨,在料温达到160℃后加入纳米二氧化硅,继续反应0.1~1h,停止通氨,加入三聚氰胺,继续反应0.1-1小时,即得到低酸值、低粘度结晶II型白色粉末状聚磷酸铵。
以每100公斤反应物计,通氨量为0.5~2m3/h。
纳米二氧化硅的加入量为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.001~0.5%。作为优选,所述纳米二氧化硅粒径为2~50nm,添加纳米二氧化硅粒是为了帮助聚磷酸铵继续转晶。
三聚氰胺的加入量为聚磷酸铵预产物总质量的0.05~5%。第二步添加三聚氰胺是为了通过-NH2和APP颗粒表面残留的P-OH反应,降低酸值。
作为优选,上述步骤步骤①、②中加入的三聚氰胺平均粒径≤2μm。
本发明针对现有技术对APP进行改性,以少量三聚氰胺高温下反应在聚磷酸铵颗粒表面,降低APP酸值,促进其结晶,粉碎使其从粘稠糖浆状变成固体时形成的大颗粒粉碎变细,使大颗粒内部反应不完成的缺氨的聚磷酸铵能再次接触氨气,再用纳米二氧化硅帮助聚磷酸铵继续转晶。然后再次加入三聚氰胺,达到三聚氰胺紧密包覆的目的。减低酸值,提高产品耐水性。
在保证结晶II型和磷含量前提下,制备PH值稳定、酸值下降明显的APP产品,满足在水性涂料中粘度稳定要求。
本发明得到的低酸值、低粘度聚磷酸铵特性为:磷含量30.0~32.0%,pH=5.0~8.0,25℃水溶性≤0.3%,95%乙醇酸值≤0.3mgKOH/g,50%水悬浮液粘度≤100mpa.s,平均粒径15~20μm,放氨温度≥150℃。应用于在涂料、聚烯烃、热固性塑料、橡胶和热塑性弹性体中。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)提供一种低酸值、低粘度聚磷酸铵的制备方法,工艺步骤简单,可操作性强,制得的结晶II型聚磷酸铵酸值低、粘度小;
(2)满足在水性涂料中粘度稳定要求。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明,但本发明并不局限与以下所例举实施例。
实施例中所用原料均可市购或采用常规方法制备。实施例中添加的三聚氰胺平均粒径为1.7μm。
实施例1
(1)、在捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵,搅拌均匀后升温通氨,以每100公斤反应物计,通氨量N1为3m3/h,200℃下反应T1=5小时后,加入三聚氰胺M1为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.2%,继续通氨,通氨量N2为0.5m3/h于200℃下反应T2=1小时,粉碎后得到聚磷酸铵预产物;
(2)、将100公斤聚磷酸铵预产物加入捏合机,在转速为60转/分钟的搅拌条件下,260℃下,搅拌通氨,通氨量N3为1m3/h,在料温达到160℃后加入五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.02%粒径为5nm的纳米二氧化硅,继续反应T3=1小时,停止通氨,加入三聚氰胺M2为聚磷酸铵预产物质量的0.1%,继续反应T4=1小时,即得低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵白色固体粉末。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤①中,通氨量N1为4m3/h,T1=4小时,以每100公斤反应物计,加入三聚氰胺M1为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.05%,其余同实施例1。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤①中,通氨量N1为3m3/h,T1=3小时以每100公斤反应物计,加入三聚氰胺M1为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.5%,步骤②的三聚氰胺M2为聚磷酸铵预产物总质量的3%,其余同实施例1。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤①中,加入三聚氰胺M1为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.5%,N2为2m3/h,步骤②的三聚氰胺M2为聚磷酸铵预产物总质量的0.5%,其余同实施例1。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤②中,以每100公斤反应物计加入五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.5%粒径为50nm的纳米二氧化硅,其余同实施例1。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤①中,T2=0.1小时;步骤②中T3=0.1小时,T4=0.1小时,加入五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.001%粒径为2nm的纳米二氧化硅,其余同实施例1。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处在于:步骤①中,N1为1m3/h,Ti=5小时,N1为0.5m3/h,T2=2小时,M1为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.5%;步骤②中T3=1小时,N3为0.5m3/h,M2为聚磷酸铵预产物总质量的5%,T4=0.1小时,其余同实施例1。
实施例8
本实施例与实施例1的不同之处在于:骤步①中,N1为5m3/h,T1=2小时,通氨量N2为2m3/h,T2=0.5小时;步骤②中,N3为2m3/h,T3=0.5小时,M2为聚磷酸铵预产物总质量的0.2%,T4=0.5小时,加入五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.2%粒径为10nm的纳米二氧化硅,其余同实施例1。
对比例1
普通结晶II型聚磷酸铵(杭州捷尔思阻燃化工有限公司)。
对比例2
在捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵,搅拌均匀后升温通氨,以每100公斤反应物计,通氨量N1为3m3/h,200℃下反应6小时后,加入三聚氰胺M1为5%,停止通氨,在180-320℃下反应0.5小时,粉碎后得到聚磷酸产品。
测试例:如表1所示。
其中各特性指标通过如下方法得到:
pH值测试:10%APP-水悬浮液,在25±1℃下搅拌30min,用pH计进行测试。水溶性测试:10%APP-水悬浮液,在规定温度下搅拌30min,过滤,得到滤液,烘干,以100克水中溶解的产品克重表示。
95%乙醇酸值测试:样品用95%乙醇溶液充分浸取,分离后的滤液用氢氧化钾-乙醇标准滴定溶液进行滴定,以中和1g产品所需氢氧化钾的毫克数表示。
粘度测试:50%APP-水悬浮液,25±1℃下搅拌30min,用旋转粘度计测试。
平均粒径:采用激光粒径仪,为体积平均粒径。
放氨温度:试管中加入5g样品,紧贴温度计置于油浴中加热,将湿润的pH试纸放置于试管顶部,温度升高后,pH试纸变色至碱性时的温度即为放氨温度。
表1各实施例低酸值、低粘度聚磷酸铵与对比例聚磷酸铵性能对比
表1数据显示,三聚氰胺对产品酸值和粘度有显著影响,酸值、粘度下降明显。
应用实施例
在水性防火涂料中的应用:采用分散设备将APP及其它相关产品在乳液中应用,分散转速为中低速,配方如下:
水:20%;聚磷酸铵(实施例及对比例):24%;蜜胺:8%;季戊四醇:8%;钛白粉:10%;乳液(EMULTEX FR728):28;助剂2%。
常温下配制,25℃下储存三月,测试乳液粘度变化情况如表2所示(单位:mpa.s)。
表2防火涂料储存性能比较
从表2中可以看出,各实施例的起始粘度及粘度变化变化情况明显优于对比例。
Claims (10)
1.一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,所述的制备方法包括以下步骤:
①、捏合机中投入等摩尔比的反应物五氧化二磷和磷酸氢二铵,搅拌均匀后升温通氨,在180~320℃下反应2~5h后加入三聚氰胺,继续通氨搅拌,在180~320℃下继续反应0.1~2h,粉碎得到聚磷酸铵预产物;
②、将聚磷酸铵预产物加入反应器中,在200~320℃下,搅拌通氨,在料温达到160℃后加入纳米二氧化硅,继续反应0.1~1h,停止通氨,加入三聚氰胺,继续反应0.1-1小时,即得到低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵。
2.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,得到的低酸值、低粘度聚磷酸铵特性为:磷含量30.0~32.0%,pH=5.0~8.0,25℃水溶性≤0.3%,95%乙醇酸值≤0.3mgKOH/g,50%水悬浮液粘度≤100mpa.s,平均粒径15~20Hm,放氨温度≥150℃。
3.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤①中,投入五氧化二磷和磷酸氢二铵后,以每100公斤反应物计,通氨量为1~4m3/h。
4.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤①中,三聚氰胺的加入量为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.05~0.5%。
5.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤①中,投入三聚氰胺后,以每100公斤反应物计,通氨量为0.1~2m3/h。
6.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤②中,以每100公斤反应物计,通氨量为0.5~2m3/h。
7.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤②中,纳米二氧化硅的加入量为五氧化二磷和磷酸氢二铵总质量的0.001~0.5%。
8.根据权利要求1或7所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,所述纳米二氧化硅粒径为2~50nm。
9.根据权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法,其特征在于,步骤②中,三聚氰胺的加入量为聚磷酸铵预产物总质量的0.05~5%。
10.一种如权利要求1所述的一种低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵的制备方法制备得到的低酸值、低粘度结晶II型聚磷酸铵在涂料、聚烯烃、热固性塑料、橡胶和热塑性弹性体中的应用。
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