CN108997581A - 一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂及其制备方法,该成炭剂简称为ODPA‑PSOA,结构式如下式所示;其合成方法采用双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷和二苯醚四甲酸二酐为原料,首先在有机溶剂中实现二酐和二胺的开环加成反应,形成聚酰胺酸;然后加热脱水得到ODPA‑PSOA粗产物。通过洗涤提纯,脱除溶剂后获得ODPA‑PSOA化合物。本发明采用“一锅煮”的方法,与传统合成聚酰亚胺工艺“两步法”相比,具有反应步骤少,温度低,操作方法简单易行,反应过程绿色无污染,且产率高等优点。

Description

一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂及其制备方法,是一种利用化学合成方法制备的含氮、硅元素的高分子成炭剂,属于利用化学合成方法制备化工及高分子材料助剂的技术领域。
背景技术
高分子材料大多具有可燃性,但在很多应用领域,对材料提出了阻燃的要求,比如电子电器、电线电缆、家具、建筑、汽车内饰、纺织品等,要求可燃易燃的高分子材料具有阻燃性能;通常高分子材料的阻燃是通过在材料中加入阻燃剂实现的;传统上,阻燃剂以溴系阻燃剂为主,但大量的研究发现,添加溴系阻燃剂的阻燃高分子材料遇火灾燃烧后,会产生大量的浓烟和有毒物质,导致人员窒息,引起二次伤害;此外,这些材料的废弃物在高温回收时,容易生成二噁英等致癌物质,引起环境污染;因此,针对卤系阻燃剂的问题,近年来开发新型无卤阻燃剂成为热点,出现了大量新型无卤阻燃剂。
目前,在无卤阻燃剂中,应用范围最广的是膨胀型阻燃体系(IFR);IFR体系主要由酸源(脱水剂)、炭源(成炭剂)和气源(发泡剂)组成;其中,酸源的作用是与炭源发生酯化反应,使之脱水;炭源的作用是在高温下脱水炭化,高温脱水过程是一个吸热过程,可以降低燃烧物的温度,产生的水汽可以稀释氧的浓度,而形成的炭层是一层致密层,可以起到隔热隔氧的作用,避免燃烧的发展;气源在受热分解时,能够释放大量无毒且不易燃气体的化合物。
在膨胀型无卤阻燃体系中,酸源和气源化合物发展相对成熟,已有大量商用产品存在,如专利申请CN108275670A、CN104513210A、CN102532604A、CN108373486A,但对于炭源化合物,仍存在很多问题,可选余地不大;炭源化合物多为一些多羟基化合物,如专利申请CN102070413A、CN108384001A、CN107383098A等,多羟基化合物其缺点是易吸潮,在高分子材料中使用,会导致阻燃剂与基体相容性差、分布不均、易析出、热分解温度低,不适合在较高加工温度基材中使用,降低材料的绝缘性,影响材料的持久阻燃性及物理机械性能等问题。
本发明针对成现有成炭化合物所存在的缺陷,开发了一种特定结构含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂;该高分子成炭剂具有成炭性好、分子量高、耐迁移、不吸潮、耐高温、不影响基体材料的物理机械性能等特点;可与磷氮系阻燃剂协同,应用于尼龙、聚酯、聚氨酯等材料中。
发明内容
本发明采用二苯醚四甲酸二酐(ODPA)和双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷(PSOA)为原料,通过“一锅煮”合成:首先在有机溶剂中实现二酐和二胺的开环加成反应,形成聚酰胺酸;然后加热脱水得到ODPA-PSOA粗产物;经过洗涤提纯,脱除溶剂后获得含硅聚酰亚胺,简称ODPA-PSOA。
ODPA-PSOA分子式如下:
式中n=1-105
所用合成原料:二苯醚四甲酸二酐、双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷;反应溶剂包括:四氢呋喃、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮;洗涤溶剂包括:甲醇、乙醇、环己醇、丙三醇、丙二醇、异丙醇、异丁基醇。
合成工艺
在有机溶剂体系中:将原料:二苯醚四甲酸二酐和双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷按照一定的比例加入到有机溶剂中,其中二苯醚四甲酸二酐和双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷摩尔比为1:2-2:1,所述的有机溶剂的质量为原料总质量的6-12倍,保持反应温度在0-50℃,搅拌条件下反应3-24小时,之后将温度升到50-210℃,搅拌条件下反应3-10小时;所述的有机溶剂为四氢呋喃、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种;冷却后,过滤除去有机溶剂获得ODPA-PSOA粗产物。
将ODPA-PSOA粗产物加入到洗涤溶剂中,洗涤溶剂为甲醇、乙醇、环己醇、丙三醇、丙二醇、异丙醇、异丁基醇中的一种,洗涤溶剂的用量为双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷质量的1-20倍,保持温度在30-150℃,搅拌洗涤,冷却至室温,静置沉淀,过滤烘干后获得产物ODPA-PSOA。
本发明成炭剂为高分子成炭剂,分子量为700-7000万;含有大量Si-O键和醚键,分子链柔性高,与传统成炭剂相比,具有无析出、无迁移、与基体相容性好等优点;本成炭剂中含有凝聚相成炭作用的硅元素及大量芳环结构,热稳定性高,热失重5%温度T5%wt为400℃-480℃,最终形成热稳定性极好的高芳香性炭,其800℃残炭率为31.2%-49.6%;本成炭剂为聚醚型聚酰亚胺结构,打破易显色的共轭结构,产物为白色粉末,白度90%以上,可适用于白色或有色基体,适用范围广。
本发明合成工艺采用“一锅煮”的方法,与传统合成聚酰亚胺工艺“两步法”相比,具有反应步骤少,操作方法简单易行;酰亚胺化过程在溶剂中进行,反应温度低于传统固相酰亚胺化温度100℃以上,且反应时间低于固相酰亚胺化2小时以上,具有节能的优点;本合成工艺只有水生成,反应过程绿色无污染;同时,具有较高的产率,可达95%以上。
附图说明
附图1ODPA-PSOA的红外谱图;
附图2ODPA-PSOA的热失重图;
附图3ODPA-PSOA的元素分析。
具体实施方式
实施例1
采用“一锅煮”的方法,将31.6g双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷,26.5g二苯醚四甲酸二酐加入到500g N-甲基吡咯烷酮的四口烧瓶中,温度控制在30℃,搅拌反应12小时,然后升温至202℃,搅拌反应5小时,反应结束后,冷却,过滤,将产物加入到200g甲醇中进行搅拌洗涤,保持40℃,静置至室温,过滤出产物,烘干,即得白色粉末ODPA-PSOA,产率98.5%,白度90.1%,平均分子量为127万,热失重5%温度T5%wt为405℃,残炭率(800℃)33.5%。
实施例2
采用“一锅煮”的方法,将31.6g双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷,26.5g二苯醚四甲酸二酐加入到500g N,N-二甲基乙酰胺的四口烧瓶中,温度控制在0℃,搅拌反应3小时,然后升温至160℃,搅拌反应3小时,反应结束后,冷却,过滤,将产物加入到100g乙醇中进行搅拌洗涤,保持30℃,静置至室温,过滤出产物,烘干,即得白色粉末ODPA-PSOA,产率95.2%,白度90.3%,平均分子量为356万,热失重5%温度T5%wt为421℃,残炭率(800℃)34.8%。
实施例3
采用“一锅煮”的方法,将31.6g双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷,26.5g二苯醚四甲酸二酐加入到500g N,N-二甲基甲酰胺的四口烧瓶中,温度控制在25℃,搅拌反应24小时,然后升温至150℃,搅拌反应8.5小时,反应结束后,冷却,过滤,将产物加入到150g环己醇中进行搅拌洗涤,保持60℃,静置至室温,过滤出产物,烘干,即得白色粉末ODPA-PSOA,产率97.7%,白度90.8%,平均分子量为6983万,热失重5%温度T5%wt为480℃,残炭率(800℃)49.6%。
实施例4
采用“一锅煮”的方法,将31.6g双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷,26.5g二苯醚四甲酸二酐加入到500g二甲基亚砜的四口烧瓶中,温度控制在50℃,搅拌反应10小时,然后升温至180℃,搅拌反应6.5小时,反应结束后,冷却,过滤,将产物加入到150g丙二醇中进行搅拌洗涤,保持100℃,静置至室温,过滤出产物,烘干,即得白色粉末ODPA-PSOA,产率97.6%,白度91.4%,平均分子量为703万,热失重5%温度T5%wt为411℃,残炭率(800℃)42.2%。

Claims (7)

1.一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂,简称ODPA-PSOA,其分子结构式为:
2.根据权利要求1所述的一种含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂,其特征在于,其相对分子量为7×102-7×107
3.如权利要求1所述的含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂的制备方法,其特征在于,该方法是采用二苯醚四甲酸二酐(ODPA)和双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷(PSOA)为原料,在有机溶剂中反应制备ODPA-PSOA粗产物,并将ODPA-PSOA粗产物在醇溶液中洗涤提纯,脱除溶剂后获得ODPA-PSOA产物。
4.根据权利要求3所述的含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂的制备方法,其特征在于,所述的双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷和二苯醚四甲酸二酐的摩尔比为1:2-2:1,所述的有机溶剂的质量为所用原料总质量的6-12倍,保持反应温度在0-50℃,搅拌条件下反应3-24小时,之后将温度升到50-210℃,搅拌条件下反应3-10小时,获得ODPA-PSOA粗产物。
5.根据权利要求3所述的含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂的制备方法,其特征在于,所用的有机溶剂为四氢呋喃、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。
6.根据权利要求3所述的含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂的制备方法,其特征在于,将粗产物加入到醇溶剂中,醇溶剂的质量为双(对氨基苯氧基)二苯基硅烷质量的1-20倍,保持温度在30-150℃,搅拌洗涤,冷却至室温,静置沉淀,过滤烘干后获得产物ODPA-PSOA。
7.根据权利要求3所述的含硅聚酰亚胺型高分子成炭剂的制备方法,其特征在于,所述的醇溶剂为甲醇、乙醇、环己醇、丙三醇、丙二醇、异丙醇、异丁基醇中的一种。
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