CN108659040A - 一种苯基膦二酰胺类衍生物及其合成方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种苯基膦二酰胺类衍生物及其合成方法和应用,方法如下:使用苯基膦二酰氯、伯胺作为反应原料,使用四氢呋喃或乙醚作为反应溶剂,使用三乙胺作为反应催化剂;将伯胺溶解于乙醚或四氢呋喃中,与等物质量的三乙胺作为底料,在匀速搅拌下缓慢滴加含苯基膦二酰氯的乙醚或四氢呋喃溶液,滴加时间不得低于2小时;反应温度控制在5℃以下,滴加结束后于室温下继续搅拌5小时以上;产物经过滤去除三乙胺盐酸盐,经减压蒸馏,所得产物经去离子水洗涤即得粗产品,该产品可用于对环氧树脂的阻燃改性。本发明产品可作为阻燃改性剂,同时合成原料价格低廉,合成工艺较为简单温和,反应过程中的溶剂沸点较低,可循环反复使用,相应降低了能耗。
Description
【技术领域】
本发明涉及用于环氧树脂类含磷、氮阻燃材料的技术领域,具体涉及一种苯基膦二酰胺类衍生物及其合成方法和应用。
【背景技术】
作为广泛使用的热固性材料,环氧树脂因其优异的电绝缘性能、耐腐蚀性能及粘接性能被广泛应用于电子电器、工程建材、家居家饰等各领域,但其易燃性一直饱受诟病:一旦被点燃难以自熄且伴随着带焰滴落物,可能点燃周围可燃物致使火灾蔓延,给生命财产及安全造成极大损失。传统的卤系阻燃剂对环氧树脂具有显著的阻燃效果,但其在燃烧过程中会释放卤化氢等有毒气体,对人类和环境造成危害,正逐步的退出阻燃剂应用市场。
近年来针对环氧材料的新型阻燃剂的开发,不同学者展开了大量研究,具体材料包括纳米黏土、有机磷化合物、笼型聚倍半硅氧烷等材料,其中有机磷化合物由于其低毒、高含碳量、耐迁移、阻燃持久等优点受到广泛关注,代表性新型产品为磷杂菲型化合物。但磷杂菲型阻燃剂由于其较为昂贵的合成原料与制备手段(需高温反应及脱除溶剂)使其运用受到一定限制,故需要开发一种原材料相对廉价且可以回收重复使用溶剂的含磷、氮新型阻燃材料。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题之一,在于提供一种苯基膦二酰胺类衍生物,其可作为阻燃改性剂,同时合成原料价格低廉,合成工艺较为简单温和,反应过程中的溶剂沸点较低,可循环反复使用,相应降低了能耗。
本发明是这样实现上述技术问题之一的:
一种苯基膦二酰胺类衍生物,所述苯基膦二酰胺类衍生物的分子结构式如下:
所述R基团包括以下分子结构:
其中,m=n1≥1000;
本发明要解决的技术问题之二,在于提供一种苯基膦二酰胺类衍生物的合成方法,该合成原料价格低廉,合成工艺较为简单温和,反应过程中的溶剂沸点较低,可循环反复使用,相应降低了能耗。
本发明是这样实现上述技术问题之二的:
一种苯基膦二酰胺类衍生物的合成方法,包括以下步骤:
(1)使用苯基膦二酰氯、伯胺作为反应原料,使用四氢呋喃或乙醚作为反应溶剂,使用三乙胺作为反应催化剂;
(2)酰化反应的实施,将伯胺溶解于乙醚或四氢呋喃中,与等物质量的三乙胺作为底料,在匀速搅拌下缓慢滴加含苯基膦二酰氯的乙醚或四氢呋喃溶液,滴加时间不得低于2小时;
(3)反应温度控制在5℃以下,滴加结束后于室温下继续搅拌5小时以上,确保反应完全;
(4)产物经过滤去除三乙胺盐酸盐,经减压蒸馏,所得产物经去离子水洗涤即得粗产品。
进一步地,步骤(1)所述伯胺含有以下基团之一:
其中,m=n1≥1000;
本发明要解决的技术问题之三,在于提供一种苯基膦二酰胺类衍生物的应用,其可作为阻燃改性剂,以分子及水平化学键合于树脂基体中,保证了树脂与阻燃剂的均匀混合,避免了因阻燃剂与树脂的相容性而导致的相分离现象,使阻燃效果更加均匀稳定。
本发明是这样实现上述技术问题之三的:
一种苯基膦二酰胺类衍生物的应用,所述苯基膦二酰胺类衍生物如上所述,所述苯基膦二酰胺类衍生物用于对环氧树脂的阻燃改性;所述苯基膦二酰胺类衍生物阻燃改性时,先与环氧预聚物预先拌合,拌和温度不低于100℃,拌和时间不低于10分钟,再加入环氧固化剂进行固化,固化温度不低于160℃,固化时间不低于1小时,后固化温度不低于200℃。
本发明具有如下优点:
该阻燃剂的合成原料价格适中,合成工艺较为简单温和;反应过程中的溶剂沸点较低,可循环反复使用,相应降低了能耗;阻燃剂和环氧固化体系反应,以分子及水平化学键合于树脂基体中,保证了树脂与阻燃剂的均匀混合,避免了因阻燃剂与树脂的相容性而导致的相分离现象,使阻燃效果更加均匀稳定。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例4的N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺改性前、后热失重曲线图。
图2为本发明实施例4的改性后环氧树脂经TGA-FTIR热失重测试所得碳氢化合物吸收强度-温度变化曲线图。
图3为本发明实施例5的环氧树脂体系经N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺以5wt%掺量改性后的储存模量曲线图。
图4为本发明实施例5的环氧树脂体系经N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺以5wt%掺量改性后的损耗正切角曲线图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种苯基膦二酰胺类衍生物,所述苯基膦二酰胺类衍生物的分子结构式如下:
所述R基团包括以下分子结构:
其中,m=n1≥1000;
本发明还涉及上述一种苯基膦二酰胺类衍生物的合成方法,包括以下步骤:
(1)使用苯基膦二酰氯、伯胺作为反应原料,使用四氢呋喃或乙醚作为反应溶剂,使用三乙胺作为反应催化剂;
(2)酰化反应的实施,将伯胺溶解于乙醚或四氢呋喃中,与等物质量的三乙胺作为底料,在匀速搅拌下缓慢滴加含苯基膦二酰氯的乙醚或四氢呋喃溶液,滴加时间不得低于2小时;
(3)反应温度控制在5℃以下,滴加结束后于室温下继续搅拌5小时以上,确保反应完全;
(4)产物经过滤去除三乙胺盐酸盐,经减压蒸馏回收及再利用溶剂,所得产物经去离子水洗涤三次即得粗产品。
步骤(1)所述伯胺含有以下基团之一:
其中,m=n1≥1000;
本发明还涉及上述一种苯基膦二酰胺类衍生物的应用,所述苯基膦二酰胺类衍生物如上所述,所述苯基膦二酰胺类衍生物用于对环氧树脂的阻燃改性;所述苯基膦二酰胺类衍生物阻燃改性步骤如下:
(1)将环氧预聚物与所述苯基膦二酰胺类衍生物在不低于100℃下搅拌不少于10分钟,以保证预聚物和阻燃剂的均匀混合与预反应;
(2)提高温度,将等化学计量的环氧固化剂加入该混合物,固化温度不低于160℃,固化时间不低于1小时,直至固化剂完全溶解;将混合物注入模具固化成型;
(3)进一步提高固化温度,固化温度不低于200℃,以确保模具内的树脂完全固化。
重点参阅图1~4,以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺的合成:
0.1mol烯丙基胺与0.105mol三乙胺溶于100mL乙醚,置于250mL三口烧瓶中均匀搅拌;在冰水浴下向烧瓶内滴加苯基膦二酰氯的乙醚溶液(0.05mol苯基膦二酰氯溶解于50mL乙醚),滴加时间为2小时。滴加完毕后,于室温下继续搅拌5小时完成反应。反应完成后,经抽滤滤除悬浊液中的三乙醇胺盐酸盐,滤液经旋蒸去除乙醚后即得粗产品,产品收率94%。产品经去离子水洗涤3次,干燥后备用。
纯化产品经KBr压片法进行样品的红外谱图测试分析,可见反应物苯基膦二酰氯在541-563cm-1的P-Cl伸缩振动吸收峰消失,取而代之的930.0cm-1的P-N键伸缩振动吸收峰及1642cm-1的烯丙基C=C双键伸缩振动峰,可证实苯基膦二酰氯与烯丙基胺完成酰化反应,得到目标产物。
N,N’-二戊基-P-苯基膦二酰胺的合成及FTIR表征:
0.21mol戊胺与0.2mol三乙胺溶于200mL四氢呋喃,置于250mL三口烧瓶中在冰水浴下均匀搅拌;在向烧瓶内滴加苯基膦二酰氯的四氢呋喃溶液(0.1mol苯基膦二酰氯溶解于100mL四氢呋喃),滴加时间为3小时。滴加完毕后,于室温下继续搅拌5小时完成反应。反应完成后,经抽滤滤除悬浊液中的三乙醇胺盐酸盐,滤液经旋蒸去除四氢呋喃后即得粗产品,产品收率89%。产品经去离子水洗涤3次,干燥后备用。
纯化产品经KBr压片法进行样品的红外谱图测试分析,可见反应物苯基膦二酰氯在541-563cm-1的P-Cl伸缩振动吸收峰消失,取而代之的930.2cm-1的P-N键伸缩振动吸收峰,及戊胺甲基、次甲基在2959-2859cm-1的C-H伸缩振动峰,可证实苯基膦二酰氯与戊胺完成酰化反应,得到目标产物。
实施例2
苯基膦二酰胺衍生物对环氧树脂固化体系的阻燃改性:
将100g环氧当量为0.54的环氧预聚物与1-5g的苯基膦二酰胺衍生物在100℃下搅拌5分钟,使其充分混合;加入33g二氨基二苯砜,并升温至130℃继续搅拌,直至二氨基二苯砜完全溶解;然后将混合物加入预热好的聚四氟乙烯模具中,于160℃下固化1小时,180℃下固化2小时,,200℃下固化2小时;并按相同条件制备不添加苯基膦二酰胺衍生物的环氧固化树脂作为空白样。
实施例3
阻燃改性的环氧树脂体系与原树脂体系耐火性能对比:
按实施例1制备不同的苯基膦二酰胺衍生物,并按实施例2制备环氧树脂或阻燃改性环氧树脂体系,对其进行极限氧指数测试(LOI)及垂直燃烧测试(UL94),测试结果如下:
按ASTM D2863-97及U94垂直燃烧实验测试环氧树脂固化体系阻燃改性前后的性能,如下表所示:
由表可见,经不同苯基膦二酰胺衍生物改性的环氧树脂固化体系,其极限氧指数和垂直燃烧评估等级都得到了明显改善,在掺量大于3wt%时,阻燃等级达到V-1或以上,实现了较佳的阻燃性能。
实施例4
阻燃改性的环氧树脂体系与原树脂体系热重分析(TGA)对比
按实施例1制备N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺,并按实施例2中5wt%掺量制备环氧树脂或阻燃改性环氧树脂体系,在氮气氛下对其进行TGA-FTIR连用分析,以10℃/min由室温升温至700℃;热解气体产物使用FTIR在4000-500cm-1波数区间进行分析,每4cm-1波数间隔扫描16次,所得结果列于图1和图2。
图1为环氧当量0.54的环氧预聚物与二氨基二苯基砜按质量比3:1进行固化,经掺量为5wt%的N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺改性前、后热失重曲线图,其中实线表示未改性环氧树脂,虚线表示改性后的环氧树脂;图2为上述改性后环氧树脂经TGA-FTIR热失重测试所得碳氢化合物吸收强度-温度变化曲线图。由图1和图2可见经改性环氧树脂体系的热稳定性有了明显的改善,表现成炭物质的增加和碳氢化合物分解极值温度的提升。
实施例5
阻燃改性的环氧树脂体系与原树脂体系动态力学性能分析(DMA)对比
按实施例1制备N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺,并按实施例2中5wt%掺量制备环氧树脂或阻燃改性环氧树脂体系,固化样品以30mm×10mm×2mm尺寸在单臂夹上进行动态力学性能分析,测试频率为1Hz,加热速率10℃/min,由室温升温至240℃,测试结果如图3和图4所示。
图3为经动态机械性能测试(DMA)获得的环氧树脂,及该环氧树脂体系经N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺以5wt%掺量改性后的储存模量曲线图,其中实线表示未改性环氧树脂,虚线表示改性后的环氧树脂;图4为上述改性环氧树脂体系损耗正切角曲线图,其中实线表示未改性环氧树脂,虚线表示改性后的环氧树脂。
由图2可见,在N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺的掺量为5wt%时,固化树脂在玻璃态及橡胶态的储存模量和损耗正切角基本维持不变,可见此掺量下阻燃剂对环氧树脂体系动态力学性能的影响较小。
综上可知,针对热传导机理,本发明使用了苯基膦二酰氯(DCPP)作为苯基膦二酰胺类衍生物的合成原料,DCPP在热降解过程中可分解出亚磷酸或磷酸作为酸源;以其含有的苯基及复合的环氧树脂作为碳源;热降解过程中产生的氨等不燃性气体作为气源,可生成多孔洞的具有一定强度与热阻的碳质层,抑制燃烧并阻滞热传递;针对燃烧过程中的链式反应机理,使用特定结构的伯胺与DCPP进行反应,反应产物在高温下进行热降解时,形成的DCPP及伯胺可解离出可猝灭或捕捉OH·或O·自由基的官能团或基团碎片,如PO·、·CH2CH=CH2,及1,4-环己二烯、1,1-二苯基乙烯碎片等,阻滞燃烧进程。分子中含有的-NH-基团可与环氧基发生反应,形成阻燃成分与环氧基体分子级别的混合及化学键合,避免相容性导致的相分离,使阻燃效果更加均匀稳定。
总之,本发明使用的苯基膦而酰氯和伯胺类反应物生成的阻燃剂在树脂的热降解过程中可形成具有一定强度和热阻的多孔碳层,并解离出淬灭自由基的分子碎片以延缓和组织燃烧的进行和热量传递,检测结果显示,使用掺量为5wt%的N,N’-二烯丙基-P-苯基膦二酰胺(苯基膦二酰氯与烯丙基胺反应产物),可显著提高环氧树脂的极限氧指数,并提高其在垂直燃烧测试(U94)中达到V-0的评估等级。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解,我们所描述的具体的实施例只是说明性的,而不是用于对本发明的范围的限定,熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化,都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (4)
1.一种苯基膦二酰胺类衍生物,其特征在于:所述苯基膦二酰胺类衍生物的分子结构式如下:
所述R基团包括以下分子结构:
-CH2CH=CH2;-CH2(CH2)nCH3,n=3-5;
其中,m=n1≥1000;
2.一种苯基膦二酰胺类衍生物的合成方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)使用苯基膦二酰氯、伯胺作为反应原料,使用四氢呋喃或乙醚作为反应溶剂,使用三乙胺作为反应催化剂;
(2)酰化反应的实施,将伯胺溶解于乙醚或四氢呋喃中,与等物质量的三乙胺作为底料,在匀速搅拌下缓慢滴加含苯基膦二酰氯的乙醚或四氢呋喃溶液,滴加时间不得低于2小时;
(3)反应温度控制在5℃以下,滴加结束后于室温下继续搅拌5小时以上,确保反应完全;
(4)产物经过滤去除三乙胺盐酸盐,经减压蒸馏,所得产物经去离子水洗涤即得粗产品。
3.根据权利要2所述的一种苯基膦二酰胺类衍生物的合成方法,其特征在于:
步骤(1)所述伯胺含有以下基团之一:
-CH2CH=CH2;-CH2(CH2)nCH3,n=3-5;
其中,m=n1≥1000;
4.一种苯基膦二酰胺类衍生物的应用,其特征在于:所述苯基膦二酰胺类衍生物如权利要求1所述,所述苯基膦二酰胺类衍生物用于对环氧树脂的阻燃改性;所述苯基膦二酰胺类衍生物阻燃改性时,先与环氧预聚物预先拌合,拌和温度不低于100℃,拌和时间不低于10分钟,再加入环氧固化剂进行固化,固化温度不低于160℃,固化时间不低于1小时,后固化温度不低于200℃。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181016 |