CN110128836A - 一种含磷硅阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

一种含磷硅阻燃剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有机化合物合成领域，具体公开了一种含磷硅阻燃剂及其制备方法。本发明所公开的含磷硅阻燃剂的制备方法如下：将苯基磷酰二氯与端羟基硅油反应，通过取代苯基磷酰二氯的两个氯原子，制备出新型无卤高效含磷硅阻燃剂。本发明提供的含磷硅阻燃剂的制备方法，操作简单，合成条件温和，成本较低，产品产率较高。将制得的阻燃剂添加到聚碳酸酯中，垂直燃烧测试可以达到UL94 V‑0级。

Description

一种含磷硅阻燃剂及其制备方法
技术领域
本发明属于有机化合物合成领域，具体涉及一种新型无卤高效含磷硅阻燃剂及其制备方法。
背景技术
近几十年来，由于高分子材料引发的火灾给人们的生命财产安全造成了巨大的威胁，人们对火灾防范意识的提高以及减灾防灾的理念日益增强，对材料的阻燃要求也愈来愈高。因此，在高分子材料等易燃品中添加阻燃剂，是减少火灾的重要措施，在最大程度上降低火灾造成的损失。
卤系阻燃剂作为最早使用的一类阻燃剂，虽然价格便宜，但在燃烧过程中会生成有毒气体以及致癌物质二噁英等，带来二次污染，并危害人类身体健康，卤系阻燃剂在世界范围内已被逐步停止使用。
而现有无卤阻燃剂存在添加量大，阻燃效果略差等不足，因此，新型无卤高效阻燃剂的研发已经成为当今热门的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种含磷硅阻燃剂的制备方法，其合成过程工艺操作简单，合成条件温和，产品产率较高。
一种含磷硅阻燃剂具有如下化学结构：
R1为烷基，芳基；
R2＝(CH2)x，x＝0～6
其中，n＝3-11，m＝3-11。
本发明的含磷硅阻燃剂的制备方法，按照下述步骤进行：
(1)将四氢呋喃除水，然后将端羟基硅油，缚酸剂和四氢呋喃加入到三口烧瓶中混合均匀，将苯基磷酰二氯和四氢呋喃加入到恒压滴液漏斗中得到混合液，通氮气后在冰水浴条件下，开始向三口烧瓶中滴加混合液，2-3h滴加完毕，并保持冰水浴反应；
(2)然后将反应物升温加热继续反应；反应结束后，将产物抽滤除去缚酸剂，旋蒸除去溶剂四氢呋喃，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的缚酸剂，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为微黄色油状液体。
本发明步骤(1)中，所用的苯基磷酰二氯与端羟基硅油摩尔比为1:(0.8-1.2)。
本发明步骤(1)中，所述的缚酸剂为三乙胺，且用量为反应时产生的HCl摩尔量的1-1.2倍。
本发明步骤(1)中，冰水浴反应时间为2-12h；
本发明步骤(2)中，加热反应时间为2-24h，反应温度为20-90℃。
本发明合成的阻燃剂具有高效、经济、环保的特点，首先磷-硅协同阻燃体系更高效，苯基磷酰二氯因其结构中含阻燃元素磷，并且苯环结构促进成炭，其阻燃效果良好，双羟烷基硅油具有较高的链柔性，其硅含量高，协同阻燃效率更佳，而硅本身在凝聚相发挥作用，容易迁移到聚合物表面生成富含Si-C和Si-O的保护层，起到隔热隔氧的作用，所以含硅结构有助于提高炭层的热稳定性。其次，合成方法简单，可工业化生产，并且无卤环保。
本发明所制备的含磷硅阻燃剂结合了无机、有机阻燃剂的优点，可作为阻燃剂使用，广泛应用于阻燃聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙66、聚丙烯等。
本发明具有以下优点：
本发明提供的含磷硅阻燃剂的制备方法，操作简单，合成条件温和，成本较低，产品产率较高。
本发明所制备的含磷硅阻燃剂含硅量较高，磷-硅元素的协效阻燃效果好，添加少量阻燃剂便能达到很好的阻燃效果，且燃烧后炭层有明显的膨胀效果。
本发明的含磷硅阻燃剂的制备方法，可通过加入不同摩尔比的反应物来获得不同基团含量的产物，此外，还可通过控制反应温度、反应时间及反应物的配比得到较高产率的含磷硅阻燃剂。
附图说明
图1含磷硅阻燃剂的红外谱图。
图2阻燃剂/PC复合材料的TGA图。
图3应用例1产品燃烧后炭层效果图。
图4对比例1产品燃烧后炭层效果图。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
首先将四氢呋喃除水，然后将18.03g双羟丙基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为95％。
具体表征见图1。首先，从图1很明显观察到位于512cm-1处为P-Cl键的特征吸收峰，该峰在产物中基本消失，这表明P-Cl基本被取代完全，PPDC与DHSO成功发生反应。另外，2800cm-1和2900cm-1处分别为CH3和CH2的特征吸收峰，1020cm-1处的大宽峰对应的是Si-O键以及反应生成的P-O-C键，这表明PPDC与DHSO之间反应较完全，成功制备含磷硅阻燃剂。
实施例2
首先将四氢呋喃除水，然后将21.63g双羟丙基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为52.7％。
实施例3
首先将四氢呋喃除水，然后将21.63g双羟丙基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应6h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为40.2％。
实施例4
首先将四氢呋喃除水，然后将18.03g双羟丙基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至30℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为30％。
实施例5
首先将四氢呋喃除水，然后将21.60g双羟丙基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将1.95g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为85％。
实施例6
首先将四氢呋喃除水，然后将18.00g羟基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为93％。
实施例7
首先将四氢呋喃除水，然后将18.00g羟基苯基硅油，2.46g三乙胺和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到250ml三口烧瓶中，然后将2.4350g苯基磷酰二氯和30ml四氢呋喃(作溶剂)加入到恒压滴液漏斗中，通N2后在冰水浴条件下开始滴加两者混合液，大约2h滴加完毕，并保持冰水浴12h。之后将反应物升温至70℃继续反应12h。反应结束后，首先将产物抽滤除去三乙胺盐，然后旋蒸除去溶剂THF，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的TEA，最后旋蒸除去二氯甲烷。产物为无色油状液体。产率为90％。
应用例1
首先将聚碳酸酯、滑石粉和聚四氟乙烯放在120℃的真空烘箱中干燥4h-6h，然后将100份聚碳酸酯、5份滑石粉、0.5份聚四氟乙烯和实施例1制得的阻燃剂(分别为1份、3份、5份)通过密炼机熔融共混，通过平板硫化机制备3mm厚样条。垂直燃烧测试结果表明，当阻燃剂添加量为1份时，可以达到UL94V-0级；当阻燃剂添加量为3份时，可以达到UL94V-0级；当阻燃剂添加量为5份时，可以达到UL94V-0级。制备2mm厚样条时，当阻燃剂添加量为1份时，可以达到UL94V-1级；当阻燃剂添加量为3份时，可以达到UL94V-0级；当阻燃剂添加量为5份时，可以达到UL94V-0级。
图2为阻燃剂/PC复合材料的TGA图。由图可知，纯PC以及不添加阻燃剂的样品的残炭率明显较低，随着阻燃剂含量的增加，起始分解温度提前，这表明阻燃剂提前分解促进基体成炭，有助于提高炭层热稳定性，此外，残炭率不断增大，这表明阻燃效果明显提高。
图3为应用例1产品燃烧后炭层的效果图。由图可知，燃烧后的炭层具有明显的膨胀效果，炭层比较致密，有助于隔绝氧气和热量，进而提高阻燃效果。并且，随着阻燃剂含量的提高，炭层的质量更好，更加坚固，膨胀效果更好。
应用例2
分别将0.9份、1.2份、1.5份实施例1制得的阻燃剂与100份PC通过密炼机熔融共混，通过平板硫化机制备2mm样条。垂直燃烧测试结果表明，当阻燃剂添加量为0.9份时，可以达到UL94V-1级，当阻燃剂添加量为1.2份时，可以达到UL94V-0级，当阻燃剂添加量为1.5份时，可以达到UL94V-0级。
应用例3
分别将0.9份、1.2份、1.5份实施例6制得的阻燃剂与100份PC通过密炼机熔融共混，通过平板硫化机制备2mm样条。垂直燃烧测试结果表明，当阻燃剂添加量为0.9份时，可以达到UL94V-1级，当阻燃剂添加量为1.2份时，可以达到UL94V-0级，当阻燃剂添加量为1.5份时，可以达到UL94V-0级。
应用例4
分别将0.9份、1.2份、1.5份实施例7制得的阻燃剂与100份PC通过密炼机熔融共混，通过平板硫化机制备2mm样条。垂直燃烧测试结果表明，当阻燃剂添加量为0.9份时，可以达到UL94V-1级，当阻燃剂添加量为1.2份时，可以达到UL94V-0级，当阻燃剂添加量为1.5份时，可以达到UL94V-0级。
应用例5
分别将0.9份、1.5份、2份阻燃剂与100份尼龙66和6份二乙基次磷酸铝(AlPi)通过密炼机熔融共混，通过平板硫化机制备2mm样条。垂直燃烧测试结果表明，当阻燃剂添加量为0.9份时，可以达到UL94V-2级；当阻燃剂添加量为1.5份时，可以达到UL94V-1级；当阻燃剂添加量为2份时，可以达到UL94V-0级。
对照例
将100份PC与5份滑石粉通过密炼机熔融共混，图4为纯PC以及不加阻燃剂的样品燃烧后效果图，可以看到有明显的熔融滴落现象，未能形成致密规整的炭层，所以阻燃效果很差。

Claims (6)

1.一种含磷硅阻燃剂，其特征在于，所述含磷硅阻燃剂的结构式如下所示：
其中，R1为烷基，芳基；R2＝(CH2)x，x＝0-6；n＝3-11，m＝3-11。
2.一种根据权利要求1所述的含磷硅阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法按照下述步骤进行：
(1)将四氢呋喃除水，然后将端羟基硅油，缚酸剂和四氢呋喃加入到三口烧瓶中混合均匀，将苯基磷酰二氯和四氢呋喃加入到恒压滴液漏斗中得到混合液，通氮气后在冰水浴条件下，开始向三口烧瓶中滴加混合液，2-3h滴加完毕，并保持冰水浴反应；
(2)将步骤(1)的反应物升温继续反应，反应结束后，将产物抽滤除去缚酸剂，然后旋蒸除去四氢呋喃溶剂，再用二氯甲烷溶解产物，并多次水洗除去多余的四氢呋喃和缚酸剂，最后旋蒸除去二氯甲烷，产物为微黄色油状液体。
3.根据权利要求2所述的含磷硅阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述苯基磷酰二氯与端羟基硅油的摩尔比为1:(0.8-1.2)。
4.根据权利要求2所述的含磷硅阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的缚酸剂为三乙胺，且用量为反应时产生的HCl摩尔量的1-1.2倍。
5.根据权利要求2所述的含磷硅阻燃剂的制备方法，其特征在于，冰水浴时间为2-12h，加热反应时间为2-24h，反应温度为20-90℃。
6.一种根据权利要求1所述的含磷硅阻燃剂的应用，其特征在于，所述的含磷硅阻燃剂用于阻燃聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙66或聚丙烯。
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