CN110483663B - 一种改性壳聚糖阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

一种改性壳聚糖阻燃剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性壳聚糖阻燃剂及其制备方法，属于高效环保膨胀型阻燃剂领域，包括如下步骤：1)将壳聚糖进行改性生成磷酸化改性产物；2)将磷酸化改性产物分别与氯化亚砜和一元醇反应将其酰氯化得到酰氯化产物；3)将获得的酰氯化产物与三聚氰胺反应生成三聚氰胺磷酸酯，得到通过以共价键连接的高分子无卤膨胀型阻燃剂，即为改性壳聚糖阻燃剂。本发明将天然高分子壳聚糖作为碳源，解决了小分子阻燃剂易析出，耐久性差等问题；通过共价键连接合成的三聚氰胺磷酸酯比以往的阻燃剂有更好的分散性和相容性；将碳、磷、氮等元素引入同一阻燃剂，提高了膨胀型阻燃剂的阻燃效率。

Description

一种改性壳聚糖阻燃剂及其制备方法
技术领域
本发明属于高效环保膨胀型阻燃剂技术领域，具体涉及一种改性壳聚糖阻燃剂及其制备方法。
背景技术
传统的含卤阻燃虽然有不错的阻燃效果，但是在应用过程中会释放出一些有毒有害的气体，对人身健康和环境产生了严重的危害，不符合绿色可持续发展的要求。
随着人们的环保意识逐渐增强，开发出一种无卤、低毒、低烟高效的阻燃剂是当前研究的一个重要方向，其中膨胀型阻燃剂因其良好的阻燃性能备受关注，但是由于膨胀型阻燃剂的聚碳源主要是由小分子物质组成，导致在应用过程中很容易迁移析出，其耐久性比较差，并对复合材料的机械性能产生不良影响。
为了克服阻燃剂的上述缺点，科研人员通过利用纤维素、壳聚糖、淀粉等天然高分子作为膨胀型阻燃剂的碳源，合成了集酸源、碳源、气源于一体的膨胀型阻燃剂。这主要是由于天然高分子材料绿色环保，具有生物降解性和材料相容性。
许多研究人员对壳聚糖作为阻燃剂的碳源做了大量研究(M.Hassan,M.Nour,Y.Abdelmonem,G.Makhlouf,A.Abdelkhalik,Synergistic effect of chitosan-basedflame retardant and modified clay on the flammability properties of LLDPE，Polymer Degradation and Stability 133(2016)8-15.)，由于合成的阻燃剂是一种三聚氰胺磷酸盐，虽然阻燃效果比较好，但是用量较多，成本较高，分散性较差，耐久性也存在一定缺陷。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种改性壳聚糖阻燃剂，本发明的另一目的是提供其制备方法，合成一种阻燃效率好，用量少，分散性好，不易迁移的高分子膨胀型阻燃剂。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种改性壳聚糖阻燃剂，通式如下：
Figure BDA0002166118260000021
其中，
Figure BDA0002166118260000022
其中n为正整数。
一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将壳聚糖进行改性生成磷酸化改性产物；
2)将磷酸化改性产物分别与氯化亚砜和一元醇反应将其酰氯化得到酰氯化产物；
3)将获得的酰氯化产物与三聚氰胺反应生成三聚氰胺磷酸酯，得到通过共价键连接的高分子无卤膨胀型阻燃剂，即为改性壳聚糖阻燃剂。
进一步地，所述的步骤1)中，按重量份将2份的壳聚糖加入到6～12ml的甲烷磺酸中，然后在0～5℃的反应条件下，加入五氧化二磷2～4份，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用乙醚使产物沉淀，然后用丙酮，甲醇，乙醚分别洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物，相比以往直接用磷酸与壳聚糖反应产率更高，反应式为：
Figure BDA0002166118260000023
其中，R＝-PO(OH)2。
进一步地，所述的步骤1)中，在40～60℃的反应条件下，按重量份将2份的壳聚糖加入到10～20ml磷酸中，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用DMF洗涤，抽滤，然后放在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物，反应式为：
Figure BDA0002166118260000031
其中，R＝-PO(OH)2。
进一步地，所述的步骤2)中，将磷酸化改性产物2份加入到5～15ml甲苯中，然后分别加1～4ml的氯化亚砜和2～8ml乙醇，在25～55℃磁力搅拌反应2～6h，整个反应在氮气条件下进行，将所得酰氯化产物用甲苯、乙醇洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h，得到酰氯化产物，反应式为：
Figure BDA0002166118260000032
其中，
Figure BDA0002166118260000033
进一步地，所述的步骤3)中，将酰氯化产物2份加入到15～25ml N,N-二甲基甲酰胺和5～15ml的吡啶中溶胀，N,N-二甲基甲酰胺和吡啶的体积总量为30ml，氮气保护下，在120～160℃反应2～6h，反应完冷却到室温，用N,N-二甲基甲酰胺，甲醇洗涤，抽滤，干燥后用甲醇溶解产物，然后用旋转蒸发仪使产物质量恒定，反应式为：
Figure BDA0002166118260000041
其中，
Figure BDA0002166118260000042
进一步地，当所述的壳聚糖与五氧化二磷改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与五氧化二磷的质量比为1:1；氯化亚砜与一元醇的体积比为1:2，酰氯化产物与三聚氰胺的质量比为1:1。
进一步地，当所述的壳聚糖与磷酸改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与磷酸的摩尔比为1:3。
发明原理：将壳聚糖作为碳源，通过与五氧化二磷反应制得磷酸化壳聚糖，然后将其酰氯化，最后通过三聚氰胺改性获得三聚氰胺磷酸酯高分子膨胀型阻燃剂，提高了其阻燃效率和耐久性。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种改性壳聚糖阻燃剂将壳聚糖作为碳源，解决了小分子阻燃剂易析出，耐久性差等问题；本发明的制备方法通过共价键连接合成的三聚氰胺磷酸酯比以往的阻燃剂有更好的分散性和相容性；将碳、磷、氮等元素引入同一阻燃剂，提高了膨胀型阻燃剂的阻燃效率。
附图说明
图1是实施例中逐步改性产物红外分析图；
图2是目标产物x射线衍射分析图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步说明。
一种改性壳聚糖阻燃剂，其特征在于，通式如下：
Figure BDA0002166118260000051
其中，
Figure BDA0002166118260000052
其中n为正整数。
一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将壳聚糖进行改性生成磷酸化改性产物；
2)将磷酸化改性产物分别与氯化亚砜和一元醇反应将其酰氯化得到酰氯化产物；
3)将获得的酰氯化产物与三聚氰胺反应生成三聚氰胺磷酸酯，得到通过共价键连接的高分子无卤膨胀型阻燃剂，即为改性壳聚糖阻燃剂。
步骤1)中，按重量份将2份的壳聚糖加入到6～12ml的甲烷磺酸中，然后在0～5℃的反应条件下，加入五氧化二磷2～4份，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用乙醚使产物沉淀，然后用丙酮，甲醇，乙醚分别洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物，相比以往直接用磷酸与壳聚糖反应产率更高，反应式为：
Figure BDA0002166118260000053
其中，R＝-PO(OH)2。
步骤1)中，在40～60℃的反应条件下，按重量份将2份的壳聚糖加入到10～20ml磷酸中，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用DMF洗涤，抽滤，然后放在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物，反应式为：
Figure BDA0002166118260000061
其中，R＝-PO(OH)2。
步骤2)中，将磷酸化改性产物2份加入到5～15ml甲苯中，然后分别加1～4ml的氯化亚砜和2～8ml乙醇，在25～55℃磁力搅拌反应2～6h，整个反应在氮气条件下进行，将所得酰氯化产物用甲苯、乙醇洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h，得到酰氯化产物，反应式为：
Figure BDA0002166118260000062
其中，
Figure BDA0002166118260000063
步骤3)中，将酰氯化产物2份加入到15～25ml N,N-二甲基甲酰胺和5～15ml的吡啶中溶胀，N,N-二甲基甲酰胺和吡啶的体积总量为30ml，氮气保护下，在120～160℃反应2～6h，反应完冷却到室温，用N,N-二甲基甲酰胺，甲醇洗涤，抽滤，干燥后用甲醇溶解产物，然后用旋转蒸发仪使产物质量恒定，反应式为：
Figure BDA0002166118260000064
其中，
Figure BDA0002166118260000071
当壳聚糖与五氧化二磷改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与五氧化二磷的质量比为1:1；氯化亚砜与一元醇的体积比为1:2，酰氯化产物与三聚氰胺的质量比为1:1。当壳聚糖与磷酸改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与磷酸的摩尔比为1:3。
本发明同时要求保护上述技术方案所得三聚氰胺磷酸酯高分子膨胀型阻燃剂。
实施例一
(1)称取2.0g的壳聚糖于100ml的四口烧瓶中，加入12ml甲烷磺酸使其完全溶胀，然后缓慢加入2.0g的P2O5，在冰水浴中机械搅拌反应3h，该反应在氮气氛围下进行，反应机理如下式：
Figure BDA0002166118260000072
或者采用壳聚糖与磷酸反应，反应步骤为：在40～60℃的反应条件下，按重量份将2份的壳聚糖加入到10～20ml磷酸中，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用DMF洗涤，抽滤，然后放在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物：
Figure BDA0002166118260000073
反应结束后用乙醚使产物沉淀，然后抽滤，并先后用丙酮洗三次，甲醇洗三次，乙醚洗一次，于60℃真空干燥12h，得到磷酸化壳聚糖。
(2)称量2.0g磷酸化壳聚糖于100ml的四口烧瓶中，加入5ml甲苯溶胀，然后分别加1.0ml的氯化亚砜和2ml一元醇，在40℃条件下各反应2h，反应机理如下：
Figure BDA0002166118260000081
整个反应在氮气条件下进行，将所得酰氯化产物用甲苯、乙醇洗涤，抽滤，在60℃下真空干燥24h，得到酰氯化产物。
(3)称量酰氯化产物2.0g于100ml四口烧瓶中，然后加入到20ml N,N-二甲基甲酰胺和10ml的吡啶中溶胀，氮气保护下，在140℃反应4h，反应机理如下式：
Figure BDA0002166118260000082
反应完冷却到室温，用N,N-二甲基甲酰胺，甲醇洗涤，抽滤，干燥后用甲醇溶解产物，然后用旋转蒸发仪使产物质量恒定，得到三聚氰胺磷酸酯高分子膨胀型阻燃剂。
对逐步改性产物进行红外表征，如图1，未改性的壳聚糖CS在3421cm-1处可以出现了强吸收峰，为O-H和N-H的重叠伸缩振动吸收峰，在2940cm-1处为C-H不对称伸缩振动吸收峰。磷酸化后的PCS谱图出现了一些变化，在O-H和N-H重叠峰处变窄了，表明羟基和氨基发生了酯化反应，1657cm-1处的氨基吸收峰消失，在1640cm-1处出现新的吸收峰，是由于NH3 +而生成的吸收峰，在C-O吸收峰区域附近1208cm-1处出现新的吸收峰，可能是P＝O伸缩振动吸收峰，在1070cm-1处出现吸收峰，由于P-O单键伸缩振动吸收引起的，在778cm-1处出现起强的吸收峰，是由于P-O单键面内弯曲引起的，进一步说明了用P2O5对壳聚糖改性成功。对于进一步酰氯化后的壳聚糖TPCS，在3422cm-1左右峰宽变窄强度变弱，表明发生取代反应，并且在568cm-1处有吸收峰变得更强，表明可能是P-Cl的伸缩振动吸收峰。对于最终产物MTPCS可以看到，三聚氰胺上的N-H在3135-3498cm-1出现伸缩振动吸收峰，1627cm-1,1561cm-1和1417cm-1为三嗪环特征吸收峰，并且在568cm-1处P-Cl的吸收峰消失，表明目标产物成功制备。
对目标产物MTPCS进行x射线衍射分析，如图2所示，有在2θ＝20o处出现一个宽峰，说明经过逐步改性，壳聚糖中的氢键数目减少，从而使分子间作用力减弱，导致其结晶程度降低。
实施例二～五
室温下，将E-51环氧树脂与所得阻燃剂和有机蒙脱土，按照如下表1的配比称量相应的质量，并用机械搅拌充分混合均匀，然后抽真空脱泡，将混合的试样注入定制尺寸的亚克力模具中，然后放于60℃的真空干燥箱中固化16h，最后修正所得的EP样条，除去样品边角毛刺，制得标准试样。分别按照GB/T2406-2008和GB/T2408-2008的方法测试其极限氧指数(LOI)和燃烧等级(UL-94)。
表1EP的复配方案
样品 环氧树脂/％ 阻燃剂/％ 有机蒙脱土/％
EP(实施例二) 100 0 0
EP1(实施例三) 92 5 3
EP2(实施例四) 87 10 3
EP3(实施例五) 82 15 3
测得结果如下表2所示，未加阻燃添加剂的环氧树脂的极限氧指数为20.5％，没有获得燃烧等级，并出现严重熔滴；当阻燃添加剂为18％时，极限氧指数达30.6％，阻燃等级为V-0，没有出现熔滴。
表2阻燃测试数据
样品 阻燃添加剂/％ LOI/％ UL-94 熔滴
EP(实施例二) 0 20.5 NR Yes
EP1(实施例三) 8 23.8 V-1 No
EP2(实施例四) 13 26.4 V-1 No
EP3(实施例五) 18 30.6 V-0 No
经过添加壳聚糖改性后的阻燃环氧树脂，其燃烧后的形貌发生了显著变化。观察燃烧后环氧树脂，未添加阻燃剂的环氧树脂基本完全燃烧，当加入18％的阻燃剂复合环氧树脂，燃烧后体积显著增大。

Claims (7)

1.一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将壳聚糖进行改性生成磷酸化改性产物；
2）将磷酸化改性产物分别与氯化亚砜和一元醇反应；
3）将步骤2）获得的产物与三聚氰胺反应得到通过共价键连接的高分子无卤膨胀型阻燃剂，即为改性壳聚糖阻燃剂。
2.根据权利要求1所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中，将壳聚糖加入到甲烷磺酸中，然后在0～5℃的反应条件下，加入五氧化二磷，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用乙醚使产物沉淀，然后洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物。
3.根据权利要求1所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1）中，在40～60℃的反应条件下，将壳聚糖加入到磷酸中，在氮气的环境下机械搅拌反应2～4h，反应结束后用DMF洗涤，抽滤，然后放在60～80℃真空干燥12～24h，得到磷酸化改性产物。
4.根据权利要求2或3所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤2）中，将磷酸化改性产物加入到甲苯中，然后分别加的氯化亚砜和一元醇，在25～55℃磁力搅拌反应2～6h，整个反应在氮气条件下进行，将所得产物用甲苯、乙醇洗涤，抽滤，在60～80℃真空干燥12～24h。
5.根据权利要求4所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）中，将步骤2）所得到的产物加入到N,N-二甲基甲酰胺和吡啶中溶胀，氮气保护下，在120～160℃反应2～6h，反应完冷却到室温，用N,N-二甲基甲酰胺，甲醇洗涤，抽滤，干燥后用甲醇溶解产物，然后用旋转蒸发仪使产物质量恒定。
6.根据权利要求2所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：当所述的壳聚糖与五氧化二磷改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与五氧化二磷的质量比为1:1；氯化亚砜与一元醇的体积比为1:2，步骤2）获得的产物与三聚氰胺的质量比为1:1。
7.根据权利要求3所述的一种改性壳聚糖阻燃剂的制备方法，其特征在于：当所述的壳聚糖与磷酸改性生成磷酸化改性产物时，壳聚糖与磷酸的摩尔比为1:3。
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