CN110922636B - 一种双酚酸基磷氮阻燃剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于阻燃剂材料技术领域，具体涉及一种双酚酸基磷氮阻燃剂及其制备方法与应用。所述双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：S1、双酚酸和磷酸三乙酯在催化剂作用下，于120‑150℃，搅拌反应1‑4h合成中间产物(I)；S2、中间产物(I)和正丁胺在70‑90℃下回流反应4‑10h，反应结束后，旋蒸除去正丁胺，产物经洗涤干燥后得到所述双酚酸基磷氮阻燃剂。双酚酸基磷氮型阻燃剂的制备原料简单、制备工艺条件温和，制备产物具有高效的阻燃效果。
Description
技术领域
本发明属于阻燃剂材料技术领域，具体涉及一种双酚酸基磷氮阻燃剂及其制备方法与应用。
背景技术
生物质资源不仅数量巨大而且能够再生，包括纤维素、淀粉、木质素等天然产物。乙酸丙酸是由纤维素或者淀粉等通过水解的方法得到的，是美国能源部在2004年提出的具有巨大应用前景的生物质平台化合物之一。双酚酸(DPA)由乙酰丙酸和苯酚在酸催化下合成的，其分子结构中含有两个酚羟基和一个羧基官能团，是个可设计性很强的分子。
基于双酚酸的阻燃剂传统合成方法主要以“三氯氧磷”、“二氯化磷酸苯酯”、“苯基磷酰二氯”等为原料之一进行，这些原料化学活泼性强，暴露在空气中时，极易与空气中的水发生反应，因此对储存和操作条件要求较高，且具有一定的危险性。需要寻找一种工艺条件比较温和的方法获得阻燃效果优异的双酚酸基阻燃剂。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，利用双酚酸独特的多官能团结构，提供一种基于双酚酸的磷氮型阻燃剂、其制备方法及用途，该磷氮型阻燃剂的制备原料简单、制备工艺条件温和，具有高效的阻燃效果。
本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：
一种双酚酸基磷氮阻燃剂，所述阻燃剂的化学结构式如下所示：
本发明的双酚酸基磷氮阻燃剂，含有双酚酸单元、磷酸三乙酯单元和正丁胺单元。双酚酸的分子结构中含有结构稳定的苯环，与脂肪族醇类相比有更好的热稳定性，可以提高阻燃材料的耐热性能；正丁胺单元在受热过程中释放氨气等不燃气体不仅带走热量降低材料的表面温度，而且不燃气体还起到了稀释空气中氧气和可燃气式浓度的作用；而磷酸三乙酯是典型的磷系阻燃剂。所述双酚酸基磷氮阻燃剂是一种具有良好协同阻燃作用的合成阻燃剂。
本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：
一种双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、双酚酸和磷酸三乙酯在催化剂作用下，于120-150℃，搅拌反应1-4h合成中间产物(I)，合成路线如下所示：
S2、中间产物(I)和正丁胺在70-90℃下回流反应4-10h，反应结束后，旋蒸除去正丁胺，产物经洗涤干燥后得到所述双酚酸基磷氮阻燃剂，合成路线如下所示：
以上产物优选选择乙醚作为洗涤剂，洗涤后过滤或者离心去除洗涤液，沉淀再次使用乙醚洗涤，反复多次以除去正丁胺以及未反应完全的物质，如双酚酸、磷酸三乙酯、中间产物I、其它杂质等等。采用乙醚作为洗涤剂时应注意需要快速搅拌，因为产物会微溶于乙醚中。洗涤结束后将产物放置在通风橱中过夜，让乙醚挥发，以防干燥时乙醚受热燃烧。
双酚酸的分子结构中含有两个酚羟基，与磷酸三乙酯在温和的条件下能发生酯交换反应，另外双酚酸中羧基的存在增加了酸源点，可与正丁胺单体反应，从而在温和条件下实现基于双酚酸的磷氮型阻燃剂的合成。
作为优选，所述双酚酸、磷酸三乙酯和正丁胺的摩尔比为1:(1-3)：(4-12)。反应过程中，磷酸三乙酯和正丁胺必须过量，以促进反应进行。
作为优选，步骤S1中所述催化剂为无水碳酸钾、硫酸、钛酸四丁酯、磷钨酸、氢氧化钾中的一种或多种。进一步优选为无水碳酸钾。
作为优选，所述催化剂的添加量为双酚酸质量的2-8％。
作为优选，步骤S1中的反应温度和时间为：130-140℃，搅拌反应2-3h。
作为优选，步骤S2中的反应温度和时间为：75-85℃下回流反应5-7h。
本发明的一个目的通过以下技术方案来实现：
一种热塑性聚合物包括所述的双酚酸基磷氮阻燃剂，双酚酸基磷氮阻燃剂的添加量≥14％(w/w)时，热塑性聚合物的阻燃等级达到UL 94V-0级，极限氧指数大于26％。所述热塑性聚合物可以为聚烯烃类树脂、苯乙烯类树脂、聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、热塑性聚酯、丙烯酸类树脂、聚苯醚等。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明先将双酚酸和磷酸三乙酯利用酯化反应合成中间产物(I)，再利用双酚酸中羧基基团，与正丁胺反应，制备出具有协同阻燃作用的氮磷阻燃剂。整个制备过程中所采用的原料简单、制备工艺条件温和。制备获得的双酚酸基氮磷阻燃剂应用于热塑性聚合物中，在较低的添加量下使得材料的垂直燃烧等级能够达到UL 94V-0级，阻燃效果优异。
附图说明
图1为本发明实施例1的双酚酸基磷氮阻燃剂的红外谱图；
图2为实施例1的双酚酸基磷氮阻燃剂燃烧前后对比图；
图3为加入20份实施例1的双酚酸基磷氮阻燃剂前后聚丙烯的热失重谱图对比。
具体实施方式
在下文中，将通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明以下具体实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例的双酚酸基磷氮阻燃剂的合成步骤：
首先在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器的250mL三口瓶中，加入14.316g(0.05mol)的双酚酸，17.1mL(0.10mol)的亚磷酸三乙酯，0.8g无水碳酸钾催化剂，升温至135℃，搅拌反2h，减压蒸出乙醇和未反应的亚磷酸三乙酯，得到中间产物(I)。待其冷却至约80℃左右，加入正丁胺40ml在80℃下回流反应6h，后在70℃下旋蒸1h，将未反应的正丁胺蒸出，蒸好后倒入烧杯中，用乙醚洗涤4次，洗的过程中应注意需要快速搅拌。洗涤结束后将产物放置在培养皿中，放在通风橱内过夜，让乙醚挥发，防止烘干时乙醚受热燃烧，再放在真空干燥箱内70℃下烘约48h。得到双酚酸基磷氮阻燃剂。
获得的双酚酸基磷氮阻燃剂红外谱图如图1所示，红外谱图中出现与双酚酸的一些特征峰，如：在1700cm-1处峰说明结构中含有C＝O键；在1602cm-1和1513cm-1处出现的峰说明其含有苯环。另外，还同时发现阻燃剂红外谱图中在1178cm-1有较强的新吸收峰出现，归因于P＝O键产生的吸收峰，而这也说明了双酚酸和磷酸三乙酯发生了反应；在3300-3500cm-1处的吸收峰变宽变强，说明有N—H键存在，即正丁胺参与了反应。
图2为双酚酸基磷氮阻燃剂燃烧前后对比图，从图2可以明显看出样品在燃烧后产物留下的碳层膨胀起来很高，说明其本身在燃烧后能形成膨胀型的炭层，这将有助于其在聚合物基体中呈现出较好的阻燃作用。
实施例2
本实施例的双酚酸基磷氮阻燃剂的合成步骤：
首先在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器的250mL三口瓶中，加入14.316g(0.05mol)的双酚酸，22.1mL(0.13mol)的亚磷酸三乙酯，1.0g无水碳酸钾催化剂，升温至140℃，搅拌反2.5h，减压蒸出乙醇和未反应的亚磷酸三乙酯，得到中间产物(I)。待其冷却至约82℃左右，加入正丁胺60ml在82℃下回流反应5.5h，后在70℃下旋蒸1h，将未反应的正丁胺蒸出，蒸好后倒入烧杯中，用乙醚洗涤4次，洗的过程中应注意需要快速搅拌。洗涤结束后将产物放置在培养皿中，放在通风橱内过夜，让乙醚挥发，防止烘干时乙醚受热燃烧，再放在真空干燥箱内70℃下烘约48h。得到双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例2的双酚酸基磷氮阻燃剂的红外谱图显示的特征峰同实施例1相同，表明双酚酸、磷酸三乙酯和正丁醇成功合成双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例3
本实施例的双酚酸基磷氮阻燃剂的合成步骤：
首先在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器的250mL三口瓶中，加入14.316g(0.05mol)的双酚酸，13.6mL(0.08mol)的亚磷酸三乙酯，0.6g无水碳酸钾催化剂，升温至130℃，搅拌反3h，减压蒸出乙醇和未反应的亚磷酸三乙酯，得到中间产物(I)。待其冷却至约85℃左右，加入正丁胺35ml在78℃下回流反应6.5h，后在70℃下旋蒸1h，将未反应的正丁胺蒸出，蒸好后倒入烧杯中，用乙醚洗涤4次，洗的过程中应注意需要快速搅拌。洗涤结束后将产物放置在培养皿中，放在通风橱内过夜，让乙醚挥发，防止烘干时乙醚受热燃烧，再放在真空干燥箱内70℃下烘约48h。得到双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例3的双酚酸基磷氮阻燃剂的红外谱图显示的特征峰同实施例1相同，表明双酚酸、磷酸三乙酯和正丁醇成功合成双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例4
本实施例的双酚酸基磷氮阻燃剂的合成步骤：
首先在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器的250mL三口瓶中，加入14.316g(0.05mol)的双酚酸，23.8mL(0.14mol)的亚磷酸三乙酯，0.7g磷钨酸催化剂，升温至136℃，搅拌反2.5h，减压蒸出乙醇和未反应的亚磷酸三乙酯，得到中间产物(I)。待其冷却至约75℃左右，加入正丁胺45ml在75℃下回流反应7h，后在70℃下旋蒸1h，将未反应的正丁胺蒸出，蒸好后倒入烧杯中，用乙醚洗涤4次，洗的过程中应注意需要快速搅拌。洗涤结束后将产物放置在培养皿中，放在通风橱内过夜，让乙醚挥发，防止烘干时乙醚受热燃烧，再放在真空干燥箱内70℃下烘约48h。得到双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例4的双酚酸基磷氮阻燃剂的红外谱图显示的特征峰同实施例1相同，表明双酚酸、磷酸三乙酯和正丁醇成功合成双酚酸基磷氮阻燃剂。
实施例5
为了考察本发明双酚酸基磷氮阻燃剂的阻燃作用，选用聚丙烯作为基体，将实施例1制得的阻燃剂按照以下配方(见表1)加入到聚丙烯中，并加入一定量的相容剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP-MAH)，采用密炼机混合均匀后再利用热压机制备测试样条。对样条进行阻燃性能测试(UL 94参考标准：ASTM D3801-1，氧指数参考标准：ASTM D2863-06A)，其测试结果见表1。
表1实施例1的双酚酸基磷氮阻燃剂在聚丙烯中的阻燃性能
从表1中可以看出，当双酚酸基磷氮阻燃剂的添加份数为18份时，氧指数可以达到28.1％，垂直燃烧通过UL94 V0级，说明本发明所述的双酚酸基磷氮阻燃剂对PP具有较好的阻燃效果。
图3为加入20份阻燃剂前后聚丙烯的热失重谱图对比(即表1中编号1和编号5的聚丙烯材料对比)，从图3中可以看出，加入20份双酚酸基磷氮阻燃剂的PP样条的热稳定性与未添加阻燃剂的PP相比有明显提高。其中最快分解速率温度提高了约7℃左右，600℃的残炭率也提高到7％以上，这说明阻燃剂对PP基体的热稳定性有一定的改善作用，可以抑制PP的分解。
实施例6
为了考察本发明双酚酸基磷氮阻燃剂在EVA中的阻燃作用，将实施例2制得的阻燃剂按照以下配方(见表2)加入到EVA中，采用密炼机混合均匀后再利用热压机制备测试样条。对样条进行阻燃性能测试(UL 94参考标准：ASTM D3801-1，氧指数参考标准：ASTMD2863-06A)，其测试结果见表2。
表2实施例2的双酚酸基磷氮阻燃剂在EVA中的阻燃性能
从表2中可以看出，当双酚酸基磷氮阻燃剂的添加份数为18份时，氧指数可以达到29.2％，垂直燃烧通过UL94 V0级，说明本发明所述的双酚酸基磷氮阻燃剂对EVA具有较好的阻燃效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种双酚酸基磷氮阻燃剂，其特征在于，所述阻燃剂的化学结构式如下所示：
2.一种如权利要求1所述的双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、双酚酸和磷酸三乙酯在催化剂作用下，于120-150℃，搅拌反应1-4h合成中间产物(I)，合成路线如下所示：
S2、中间产物(I)和正丁胺在70-90℃下回流反应4-10h，反应结束后，旋蒸除去正丁胺，产物经洗涤干燥后得到所述双酚酸基磷氮阻燃剂，合成路线如下所示：
步骤S1中所述催化剂为无水碳酸钾、硫酸、钛酸四丁酯、磷钨酸、氢氧化钾中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述双酚酸、磷酸三乙酯和正丁胺的摩尔比为1:(1-3)：(4-12)。
4.根据权利要求2所述的双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述催化剂的添加量为双酚酸质量的2-8％。
5.根据权利要求2所述的双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中的反应温度和时间为：130-140℃，搅拌反应2-3h。
6.根据权利要求2所述的双酚酸基磷氮阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中的反应温度和时间为：75-85℃下回流反应5-7h。
7.一种热塑性聚合物，包括权利要求1所述的双酚酸基磷氮阻燃剂。
8.根据权利要求7所述的一种热塑性聚合物，其特征在于，所述双酚酸基磷氮阻燃剂的添加量≥14％时，热塑性聚合物的阻燃等级达到UL 94V-0级，极限氧指数大于26％。
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