CN109942824B - 一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法,本发明属于阻燃剂合成领域,具体为一种阻燃剂及其合成方法。本发明解决添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低的问题。所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯;制备方法:取甲基磷酸二甲酯于反应容器中,加入哌嗪及催化剂,充分搅拌使其溶解,经升温并反应数小时后,收集馏分甲醇;反应结束后降温即可得到产物聚甲基膦酸哌嗪酯。本发明阻燃剂中的氮元素与磷元素存在协同效应,同时阻燃剂分子两端含有氨基,固化过程中能够与环氧树脂的环氧基团发生反应,使环氧树脂获得永久阻燃性,并显著提高环氧树脂的成炭率。本发明用于制备含氮膦酸酯阻燃剂。
Description
技术领域
本发明属于阻燃剂合成领域,具体为一种阻燃剂及其合成方法。
背景技术
用于环氧树脂的永久性阻燃剂中,含卤阻燃剂尽管阻燃效果较好,但由于在燃烧过程中产生有毒及腐蚀性气体,因而逐渐被无卤阻燃剂所替代。目前,无卤阻燃剂主要包括金属氢氧化物、无机磷系阻燃剂、有机磷系阻燃剂及氮系阻燃剂,但上述阻燃剂都存在较为明显的缺点,如添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低等问题,上述阻燃剂严重制约了环氧树脂的应用范围。由于膦酸酯类阻燃剂与氮元素间存在明显的协效作用,因此制备一种含氮的膦酸酯类阻燃可以有效的提升环氧树脂的阻燃性能,拓展其应用范围。
发明内容
本发明是要解决添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低的问题,而提供一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法。
本发明一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯,结构式为:
上述含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,具体是按以下步骤进行:
一、将甲基磷酸二甲酯、哌嗪和催化剂混合搅拌后进行蒸馏反应,收集馏分;
二、反应结束后降温,加乙醇充分搅拌,固液分离,将液相进行蒸馏除去乙醇,得到淡黄色粘稠状液体产品。
本发明所述的含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法通过如下反应过程实现:
本发明的优点:
本发明的阻燃剂能提高材料的成炭率,特别是对那些含氧量高的聚合物尤其如此。当作为阻燃的环氧树脂受热分解时,通常分子链会解聚并断裂成为较小的分子片段,形成可燃性挥发物。当本发明的阻燃剂加入到环氧树脂中,磷元素在受热时会生成磷酸及焦磷酸等强吸水性化合物,夺取环氧树脂分子链上的氢原子和氧原子,从而使其脱水形成炭层,起到阻隔热量向材料内部传递及抑制可燃性小分子挥发的作用。本发明中的含氮膦酸酯类阻燃剂中,氮元素和磷元素间的协同作用使生成的炭层膨胀,进一步降低热量传递速率,提高环氧树脂材料的耐热性及阻燃性;同时,阻燃剂分子两端的氨基能够与环氧基反应,直接与环氧树脂分子作用,在固化过程中使其永久具有阻燃性。纯环氧树脂点燃后,直至烧尽,极限氧指数为19.8%;当阻燃剂在环氧树脂中的添加为4wt.%时,垂直燃烧测试为UL-94V-0级别,经极限氧指数测试,试样的LOI值为32.2%。对试样的热稳定性进行研究可以发现,纯环氧树脂在367℃发生降解,在800℃时的残留量为14.9wt.%。阻燃环氧树脂的降解过程分为两个阶段,第一阶段出现在346℃时,这是由于阻燃剂在受热时提前发生降解,并产生磷酸及焦磷酸等强吸水性物质,促使试样表面的环氧树脂发生降解,生成隔绝热量的炭层,降低热量向材料内部传递的速率;第二阶段出现在375℃,800℃时的残留量为18.9wt.%,从而证明阻燃剂能够有效的提高环氧树脂材料的热稳定性。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯,结构式为:
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,具体是按以下步骤进行:
一、将甲基磷酸二甲酯、哌嗪和催化剂混合搅拌后进行蒸馏反应,收集馏分;
二、反应结束后降温,加乙醇充分搅拌,固液分离,将液相进行蒸馏除去乙醇,得到淡黄色粘稠状液体产品。
本实施方式加乙醇充分搅拌固液分离的目的是除去未反应的哌嗪及催化剂。
本实施方式所述的含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法通过如下反应过程实现:
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二不同的是:步骤一中所述催化剂为硫酸氢钠。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式二或三不同的是:步骤一中所述催化剂与甲基磷酸二甲酯的质量比为1:(12~65)。其它与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是:步骤一中所述催化剂与甲基磷酸二甲酯的质量比为1:15.5。其它与具体实施方式二至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是:步骤一中所述蒸馏反应的温度为140~180℃。其它与具体实施方式二至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是:步骤一中所述蒸馏反应的温度为170℃。其它与具体实施方式二至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是:步骤一中所述蒸馏反应的时间为1~5h。其它与具体实施方式二至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是:步骤一中所述蒸馏反应的时间为3h。其它与具体实施方式二至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是:步骤一中所述甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:(0.6~1.4)。其它与具体实施方式二至九之一相同。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是:步骤一中所述甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:1.2。其它与具体实施方式二至十之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果:
实施例1:所述含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,具体是按以下步骤进行:
将6.2g甲基磷酸二甲酯、5.16g哌嗪和0.4g硫酸氢钠混合搅拌后进行蒸馏反应,收集馏分;所述蒸馏反应的温度为170℃,所述蒸馏反应的时间为3h;反应结束后降温,加入50mL乙醇充分搅拌,固液分离,将液相进行蒸馏除去乙醇溶剂,得到淡黄色粘稠状液体产品,收率为82%。
分析结果如下:
傅里叶红外:3341cm-1、2985cm-1、1633cm-1、1465cm-1、1306cm-1、1125cm-1、1035cm-1、923cm-1、751cm-1等处出现特征峰。证明上述反应产物为聚甲基膦酸哌嗪酯阻燃剂。
阻燃应用性能:取8g环氧树脂和0.32g阻燃剂置于100mL烧杯中,经超声及适当加热,分散均匀后加入1g固化剂后装入模具中,经60℃真空干燥后固化成型。采用氧指数仪测试阻燃改性环氧树脂的极限氧指数(LOI)分别为32.8%,31.5%,而纯环氧树脂的极限氧指数(LOI)为19.8%,20.1%。
实施例2:其他同实施例1,反应温度改为140℃,收率33%。
实施例3:其他同实施例1,反应温度改为150℃,收率62%。
实施例4:其他同实施例1,反应温度改为160℃,收率75%。
实施例5:其他同实施例1,反应温度改为180℃,收率12%。
实施例6:其他同实施例1,甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:0.6,收率26%。
实施例7:其他同实施例1,甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:0.8,收率29%。
实施例8:其他同实施例1,甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:1,收率53%。
实施例9:其他同实施例1,甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:1.4,收率80%。
实施例10:其他同实施例1,反应时间改为1小时,收率30%。
实施例11:其他同实施例1,反应时间改为2小时,收率67%。
实施例12:其他同实施例1,反应时间改为4小时,收率80%。
实施例13:其他同实施例1,反应时间改为5小时,收率79%。
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述催化剂为硫酸氢钠。
3.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述催化剂与甲基磷酸二甲酯的质量比为1:(12~65)。
4.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述催化剂与甲基磷酸二甲酯的质量比为1:15.5。
5.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述蒸馏反应的温度为170℃。
6.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:(0.6~1.4)。
7.根据权利要求1所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法,其特征在于步骤一中所述甲基磷酸二甲酯与哌嗪的摩尔比为1:1.2。
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