CN109734959B - 一种耐温型自由基引发剂及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐温型自由基引发剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐温型自由基引发剂及其制备方法和应用。这种耐温型自由基引发剂的化学结构如通式(Ⅰ)所示:

Description

一种耐温型自由基引发剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种耐温型自由基引发剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前应用于UL94V2级别聚丙烯阻燃的自由基引发剂中,最为广泛的是2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷,又名联枯,属于碳系自由基引发剂,具有对称性的结构,分子结构中季碳原子之间不稳定的C-C键,可分解成为两个叔碳自由基。该自由基又有一定的稳定性,作为聚丙烯添加剂,目前通常的配方是复配次磷酸盐、三聚氰胺氢溴酸盐等阻燃剂,以极少数的添加量即可达到UL94V2阻燃级别,其阻燃机理是联枯分解的叔碳自由基,能够促进聚丙烯链中叔碳的分解,而次磷酸盐、三聚氰胺氢溴酸盐协效阻燃,对于聚丙烯体系具有良好的阻燃剂效果,此配方在国内外市场上的应用极为广泛。
另一方面,2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷具有不稳定性,当其受到光照射或者热辐射的情况下,会均裂成两个叔碳自由基,该叔碳自由基通过其直接相连的苯环的共轭效应及两个甲基的超共轭效应,使得其具有一定的稳定性,虽然其有一定的热稳定性,对比其余大部分自由基引发剂,高温时半衰期较长,联枯可以承受聚丙烯加工时170-200℃的加工温度,但是对于长期高温条件下使用的阻燃聚丙烯,联枯就虽然有一定的耐温型能,但是长期使用,还是会逐渐失效,实验表明,联枯体系的V2阻燃聚丙烯,在120℃条件下,大约3天左右,其阻燃性能就会失去,主要原因是联枯的分解。
因此,对于开发具有更好耐温型能的自由基引发剂,是改善联枯体系应用于聚丙烯阻燃体系中的瓶颈,通过改变分子结构,增强联枯分子中两个季碳原子所连接基团的共轭及超共轭效应,可以提高自由基引发剂的耐温型能。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题,本发明的目的之一在于提供一种耐温型自由基引发剂;本发明的目的之二在于提供这种耐温型自由基引发剂的制备方法;本发明的目的之三在于提供这种耐温型自由基引发剂的应用。
本发明所采取的技术方案是:
一种耐温型自由基引发剂,化学结构如通式(Ⅰ)所示:
Figure BDA0001907868850000021
式(Ⅰ)中,R1、R2、R3、R4分别独立表示C1-20的带直链或支链烷基、烯基或者炔基;Ar1、Ar2分别独立表示带共轭或超共轭取代基团的芳基、杂环芳基或者稠环芳基。
这种耐温型自由基引发剂的制备方法,包括以下步骤:
1)在反应釜中,将通式(Ⅱ)所示结构的化合物和有机溶剂混合,得到混合物;
Figure BDA0001907868850000022
式(Ⅱ)中,R5、R6分别独立表示C1-20的带直链或支链烷基、烯基或者炔基;Ar3表示带共轭或超共轭取代基团的芳基、杂环芳基或者稠环芳基;
2)将混合物加热,添加自由基引发剂,继续加热反应;
3)除去溶剂,将固体产物洗涤,干燥,得到式(Ⅰ)所示结构的耐温型自由基引发剂。
进一步的,式(Ⅰ)中,Ar1、Ar2均不为苯基;式(Ⅱ)中,Ar3不为苯基。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤1)中,有机溶剂为苯类溶剂、酰胺类溶剂、亚砜类溶剂中的至少一种;进一步优选的,制备方法步骤1)中,有机溶剂为甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的至少一种。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤1)中,通式(Ⅱ)所示结构的化合物与有机溶剂的用量比为1kg:(1~3)L。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,先将混合物加热至50℃~230℃,添加完自由基引发剂后,继续在50℃~230℃下反应7h~30h。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,自由基引发剂的添加量为通式(Ⅱ)所示结构的化合物质量的10%~50%。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,自由基引发剂为偶氮化合物引发剂、过氧化物引发剂、过硫酸盐引发剂中的至少一种;进一步优选的,制备方法步骤2)中,自由基引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异丁基脒二盐酸盐、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐、2,2'-偶氮-二-(2'-甲基丁腈)、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)、过氧化苯甲酰、叔丁基过氧化氢、二叔丁基过氧化物、过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,自由基引发剂的添加方式为滴加,滴加的时间为40min~100min,优选滴加时间为60min。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,通式(Ⅱ)所示结构的化合物具体为4-异丙基甲苯、4-乙烯基异丙苯、4-乙炔基异丙苯、4-苯基异丙苯、4-异丙基苯胺、4-异丙基氯苯、4-硝基异丙苯、2-异丙基萘、2-异丙基蒽、3-异丙基菲、2-异丙基呋喃、4-异丙基吡啶、异丙基苯中的一种或多种。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤3)中,除去溶剂的方法为减压蒸馏。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤3)中,洗涤所用的溶剂为醇类溶剂;进一步优选的,制备方法步骤3)中,洗涤所用的溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇中的至少一种。
优选的,这种耐温型自由基引发剂的制备方法步骤3)中,干燥为在110℃~130℃下干燥8h~12h。
一种耐温型阻燃剂组合物,是由以下质量百分比的原料组成:含磷阻燃剂30%~50%,含氮阻燃剂30%~50%,前述式(Ⅰ)所示结构的耐温型自由基引发剂10%~30%。
优选的,一种耐温型阻燃剂组合物,是由以下质量百分比的原料组成:含磷阻燃剂35%~45%,含氮阻燃剂35%~45%,式(Ⅰ)所示结构的耐温型自由基引发剂15%~25%。
优选的,这种耐温型阻燃剂组合物中,含磷阻燃剂为次磷酸铝、次磷酸钙、次磷酸锌、二乙基次膦酸铝、二乙基次膦酸钙、二乙基次膦酸锌中的至少一种。
优选的,这种耐温型阻燃剂组合物中,含氮阻燃剂为三聚氰胺氢溴酸盐、三聚氰胺双氢溴酸盐、蜜白胺氢溴酸盐、蜜白胺双氢溴酸盐、蜜勒胺氢溴酸盐、蜜勒胺双氢溴酸盐中的至少一种。
这种耐温型阻燃剂组合物在制备V2级阻燃聚丙烯材料中的应用。
优选的,应用中,耐温型阻燃剂组合物在V2级阻燃聚丙烯组成原料中的质量百分比为1%~5%;进一步优选的,应用中,耐温型阻燃剂组合物在V2级阻燃聚丙烯组成原料中的质量百分比为2%~3.5%。
本发明的有益效果是:
本发明通过新型分子结构的设计,合成耐温型自由基引发剂,增加阻燃剂组合物的耐温性能,使得阻燃剂组合物在下游聚丙烯中分散,具有更好的耐温性能,可以满足一些对于温度要求较高的下游应用。
附图说明
图1是实施例8和对比例的阻燃剂组合物热重分析测试图。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料如无特殊说明,均可从常规商业途径得到。
耐温型自由基引发剂制备实施例1
实施例1的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲苯溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-异丙基甲苯134kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢50kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应20小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-甲基苯基)丁烷99.75kg,产率75%。
4-异丙基甲苯的结构式为:
Figure BDA0001907868850000041
产品2,3-二甲基-2,3-二(4-甲基苯基)丁烷的结构式可表示为:
Figure BDA0001907868850000042
以下各实施例所得的自由基引发剂产物可参照产品的化学名称确定具体的化学结构,不再一一具体说明。
耐温型自由基引发剂制备实施例2
实施例2的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-乙烯基异丙苯146kg,搅拌30分钟,升温至80℃,60分钟内滴加工业级二叔丁基过氧化物45kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应15小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用乙醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-乙烯基苯基)丁烷108.75kg,产率70%。
4-乙烯基异丙苯的结构式为:
Figure BDA0001907868850000043
耐温型自由基引发剂制备实施例3
实施例3的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲亚砜溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-乙炔基异丙苯146kg,搅拌30分钟,升温至80℃,60分钟内滴加工业级过氧化苯甲酰48kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应18小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-乙炔基苯基)丁烷103kg,产率72%。
4-乙炔基异丙苯的结构式为:
Figure BDA0001907868850000051
耐温型自由基引发剂制备实施例4
实施例4的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-苯基异丙苯196kg,搅拌30分钟,升温至80℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢80kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应20小时,反应完毕,加压蒸馏除去溶剂,用乙醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-联苯基)丁烷126.75kg,产率65%。
4-苯基异丙苯的结构式为:
Figure BDA0001907868850000052
耐温型自由基引发剂制备实施例5
实施例5的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲苯溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-异丙基苯胺135kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢60kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应18小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用异丙醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-氨基苯基)丁烷84.42kg,产率63%。
4-异丙基苯胺的结构式为:
Figure BDA0001907868850000061
耐温型自由基引发剂制备实施例6
实施例6的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-异丙基氯苯154kg,搅拌30分钟,升温至83℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢28kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应13小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-氯苯基)丁烷79.89kg,产率52%。
4-异丙基氯苯的结构式为
Figure BDA0001907868850000062
耐温型自由基引发剂制备实施例7
实施例7的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-硝基异丙苯165kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢35kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应23小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用叔丁醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-硝基苯基)丁烷83.64kg,产率51%。
4-硝基异丙苯的结构式为
Figure BDA0001907868850000063
耐温型自由基引发剂制备实施例8
实施例8的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲亚砜溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入2-异丙基萘170kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢80kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应28小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(2-萘基)丁烷81.12kg,产率48%。
2-异丙基萘的结构式为:
Figure BDA0001907868850000071
耐温型自由基引发剂制备实施例9
实施例9的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入甲苯溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入2-异丙基蒽220kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢30kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应20小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用乙醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(2-蒽基)丁烷120.45kg,产率55%。
2-异丙基蒽的结构式为:
Figure BDA0001907868850000072
耐温型自由基引发剂制备实施例10
实施例10的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲亚砜溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入3-异丙基菲220kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢62kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应16小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用乙醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(3-菲基)丁烷100.74kg,产率46%。
3-异丙基菲的结构式为:
Figure BDA0001907868850000073
耐温型自由基引发剂制备实施例11
实施例11的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入2-异丙基呋喃110kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢40kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应15小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(2-呋喃基)丁烷76.3kg,产率70%。
2-异丙基呋喃的结构式为:
Figure BDA0001907868850000081
耐温型自由基引发剂制备实施例12
实施例12的耐温型自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入二甲亚砜溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入4-异丙基吡啶121kg,搅拌30分钟,升温至86℃,60分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢35kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应19小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用叔丁醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二(4-吡啶基)丁烷91.2kg,产率76%。
4-异丙基吡啶的结构式为:
Figure BDA0001907868850000082
自由基引发剂制备对比例
对比例的自由基引发剂制备方法如下:
往500L搪瓷反应釜内加入N,N-二甲基乙酰胺溶剂250.00L,开动机械搅拌,加入异丙基苯120kg,搅拌30分钟,升温至86℃,30分钟内滴加工业级叔丁基过氧化氢30kg,滴加完毕,继续升温至100℃,继续反应10小时,反应完毕,减压蒸馏除去溶剂,用甲醇洗涤产品,滤饼120℃干燥10小时,得到产品2,3-二甲基-2,3-二苯基丁烷107.1kg,产率60%。
异丙基苯的结构式为:
Figure BDA0001907868850000083
阻燃剂组合物制备例
取次磷酸铝40质量份、三聚氰胺氢溴酸盐40质量份和实施例1-12制备得到的耐温型自由基引发剂20质量份,在低速搅拌机中混合均匀,分别得到实施例1-12的耐温型阻燃剂组合物。
同时取对比例制备得到的自由基引发剂按照同样的配比组成,制备得到对比例的阻燃剂组合物。
为了验证本发明所获得的耐温型阻燃剂组合物具有优异的耐温性能,取实施例8及对比例获得的阻燃剂组合物进行热重分析测试。
热重分析测试情况如下:分别取实施例8与对比施例所获得的阻燃剂组合物样品10mg,在氮气氛中,以升温速率10℃/min进行热重测试。热重分析测试结果如附图1所示。
从图1可见,实施例8所获得的阻燃剂组合物,比对比例所获得的阻燃剂组合物,具有更高的热分解温度。
应用测试
向聚丙烯树脂中分别加入实施例和对比例获得的阻燃剂组合物,并与其他助剂混合,在170℃下通过挤出形成颗粒,得到阻燃聚丙烯。将该材料在200℃下进行注射模塑成形,基于UL94阻燃标准评价其阻燃等级,并将所得样条放置于120℃鼓风烘箱内进行热老化实验,考察阻燃聚丙烯的阻燃性能失效时间。
使用实施例1-12和对比例的阻燃剂组合物分别得到实施例1-12和对比例的阻燃聚丙烯。实施例1-12和对比例的阻燃聚丙烯原料组成(质量份)以及阻燃性能测试结果如表1和表2所示。表1或表2中的其他助剂为本领域的常用助剂,比如填料、润滑剂、相容剂、增塑剂或增韧剂等。
表1实施例1-7的阻燃聚丙烯组成和测试结果
Figure BDA0001907868850000091
表2实施例8-12和对比例的阻燃聚丙烯组成和测试结果
Figure BDA0001907868850000092
Figure BDA0001907868850000101
从表1和表2可以看出,本发明所得的阻燃剂组合物具有良好的阻燃效果,并且实施例8~10的样条放置于120℃鼓风烘箱内进行热老化实验,阻燃性能不失效。

Claims (7)

1.一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:是由以下质量百分比的原料组成:含磷阻燃剂30%~50%,含氮阻燃剂30%~50%,耐温型自由基引发剂10%~30%;
所述耐温型自由基引发剂的化学结构如通式(Ⅰ)所示:
Figure FDA0002785897230000011
式(Ⅰ)中,R1、R2、R3、R4分别独立表示甲基;Ar1、Ar2分别独立表示4-甲基苯基、4-乙烯基苯基、4-乙炔基苯基、4-联苯基、4-氨基苯基、4-氯苯基、4-硝基苯基、2-萘基、2-蒽基、3-菲基、2-呋喃基或者4-吡啶基。
2.根据权利要求1所述的一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:所述耐温型自由基引发剂的制备方法包括以下步骤:
1)在反应釜中,将通式(Ⅱ)所示结构的化合物和有机溶剂混合,得到混合物;
Figure FDA0002785897230000012
通式(Ⅱ)所示结构的化合物具体为4-异丙基甲苯、4-乙烯基异丙苯、4-乙炔基异丙苯、4-苯基异丙苯、4-异丙基苯胺、4-异丙基氯苯、4-硝基异丙苯、2-异丙基萘、2-异丙基蒽、3-异丙基菲、2-异丙基呋喃、4-异丙基吡啶中的一种;
2)将混合物加热,添加自由基引发剂,继续加热反应;
3)除去溶剂,将固体产物洗涤,干燥,得到式(Ⅰ)所示结构的耐温型自由基引发剂。
3.根据权利要求2所述的一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:所述耐温型自由基引发剂的制备方法步骤1)中,有机溶剂为苯类溶剂、酰胺类溶剂、亚砜类溶剂中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:所述耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,先将混合物加热至50℃~230℃,添加完自由基引发剂后,继续在50℃~230℃下反应7h~30h。
5.根据权利要求2所述的一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:所述耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,自由基引发剂的添加量为通式(Ⅱ)所示结构的化合物质量的10%~50%。
6.根据权利要求2所述的一种耐温型阻燃剂组合物,其特征在于:所述耐温型自由基引发剂的制备方法步骤2)中,自由基引发剂为偶氮化合物引发剂、过氧化物引发剂、过硫酸盐引发剂中的至少一种。
7.权利要求1所述的一种耐温型阻燃剂组合物在制备V2级阻燃聚丙烯材料中的应用。
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