CN111303434B - 一种高阻燃交联聚磷腈弹性体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高阻燃交联聚磷腈弹性体的制备方法,该技术方案具体为氮气保护,冰浴条件下先用乙二醇单钠和苯酚钠与六氯环三磷腈经取代反应制得羟乙氧基苯氧基环三磷腈,再用乙氧基苯氧基环三磷腈钠、苯酚钠与聚二氯磷腈经取代反应,制备乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体。本方案中合成的乙氧基苯氧基环三磷腈取代基体积大、位阻效应强、磷氮元素含量多,能够作为磷腈链段缠结的交联点,使得本产品在实现室温交联的同时具有优异的阻燃性、热稳定性和力学性能,有效优化了高阻燃高性能聚磷腈弹性体的合成工艺,对高性能交联聚磷腈弹性体的低成本、大规模工业生产具有重要意义。
Description
技术领域:
本发明制备了一种高阻燃交联聚磷腈弹性体,该聚磷腈弹性体的阻燃性能和耐热性能优异,且在室温下即能形成交联结构,无需添加交联剂,能有效简化阻燃聚磷腈弹性体的生产工艺,降低其生产成本。
背景技术:
聚磷腈及其衍生物的主链结构稳定、具有协同阻燃效应,侧链种类多、功能性好,在高阻燃、高性能聚合物材料方面具有突出优势。而作为弹性体材料,聚磷腈需要实现一定程度的交联才能具备回弹性等力学特征。目前常见的聚磷腈交联途径是化学交联法,通过引入官能化侧基,如端羟基类或端氨基类取代基,与异佛尔酮二异氰酸酯等交联剂反应,实现聚磷腈链段的交联。如北京化工大学的冯亚彬等以三氟乙醇钠和对甲氧基苯酚钠为亲核试剂与聚二氯磷腈进行取代反应,后经硼氢化钠将醛基还原,得到了含有羟基的氟代烷氧基取代聚磷腈,再以异佛尔酮二异氰酸酯为交联剂、三乙胺为催化剂,成功制得了交联型氟代烷氧基聚磷腈。化学交联法制备的聚磷腈弹性体结构稳定、交联效果好,但官能化侧基和交联剂的引入往往会影响聚磷腈的性能,使其阻燃性、热稳定性有一定程度降低。因此,探索能保持聚磷腈高阻燃性、热稳定性的交联方法成为聚磷腈弹性体研究的热点。
本发明制备了一种高阻燃交联聚磷腈弹性体,在合成过程中即实现交联,无需官能化侧基和交联剂的引入,极大简化了聚磷腈弹性体的合成工艺、降低了其生产成本。该聚磷腈产品的阻燃性能优异,热稳定性好且具有一定的力学强度,对聚磷腈弹性体的合成生产具有重要意义。
发明内容:
为了克服现有技术方法的不足,本发明提出了一种制备高阻燃高性能聚磷腈弹性体的新方法,并成功合成了一类高阻燃高性能聚磷腈弹性体。
本发明所采用的技术方案是:氮气保护,冰浴条件下先用乙二醇单钠和苯酚钠与六氯环三磷腈经取代反应制得羟乙氧基苯氧基环三磷腈,再用乙氧基苯氧基环三磷腈钠、苯酚钠与聚二氯磷腈经取代反应,制备乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体。本发明中合成的乙氧基苯氧基环三磷腈取代基体积大、位阻效应强、磷氮元素含量多,能够作为磷腈链段缠结的交联点,使得本产品在实现室温交联的同时具有优异的阻燃性、热稳定性和力学性能,有效优化了高阻燃高性能聚磷腈弹性体的合成工艺,对高性能交联聚磷腈弹性体的低成本、大规模工业生产具有重要意义。
一种高阻燃高性能聚磷腈弹性体的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
a.制备羟乙氧基苯氧基环三磷腈:以摩尔比7.2:1:5:1分别取氢化钠、乙二醇、苯酚和六氯环三磷腈,并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将乙二醇、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,反应直至体系由浊液变为澄清,再将六氯环三磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,反应4-8h后将反应液倒出,静置后分层,下层为乳白色杂质,上层为淡黄色的羟乙氧基苯氧基环三磷腈溶液,分离上层清液待用;
b.制备聚二氯磷腈:以质量比1000:10:1分别取六氯环三磷腈、氨基磺酸和二水合硫酸钙,混合均匀后溶解于1,2,4-三氯苯并置于三口烧瓶,通氮气保护,在206-210℃油浴下反应4-7h,将反应液倒入正庚烷中析出聚二氯磷腈,干燥后待用;
c.制备乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈:以摩尔比1:9:12:5分别取羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚、氢化钠和聚二氯磷腈,并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,直至体系内无气泡产生,调节体系温度至0-60℃,再将聚二氯磷腈溶液恒压下逐滴滴入反应体系,恒温反应8-24h;
d.产物后处理:蒸馏浓缩反应体系后,将剩余反应液倒入正庚烷中析出产物,用正庚烷和去离子水分别洗涤两次后,先于40℃真空干燥箱中干燥24h,再于通风橱中自然干燥24h,得到棕褐色的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体。
本发明制备的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体UL-94垂直燃烧等级达到V-0等级,极限氧指数在30.6%到32.8%之间,起始分解温度在398.0℃到420.8℃之间,断裂伸长率在470%到620%之间,较之化学交联法制得的苯氧基聚磷腈弹性体的极限氧指数25.2%、断裂伸长率238%有明显提升。
与现有技术相比较,本发明具有如下优势:本发明中的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈产品合成工序和交联过程简单,聚二氯磷腈原料与两种亲核试剂的混合取代反应后,经过洗涤、干燥即制得最终产品。其交联过程在合成中即完成,由大体积、位阻效应强的乙氧基苯氧基环三磷腈作为交联点实现磷腈链段的缠结交联,无需添加额外的交联剂、官能化试剂,避免了小分子添加剂对磷腈弹性体产品力学性能的影响,其断裂伸长率达到470%,远优于苯氧基聚磷腈弹性体的238%。同时乙氧基苯氧基环三磷腈侧基含有大量具有协同阻燃效应的磷氮元素,有效提高磷腈弹性体的阻燃性能,本产品的极限氧指数在30.6%-32.8%之间,为难燃物,其水平较苯氧基聚磷腈弹性体的25.2%提升明显,UL-94垂直燃烧等级达到V-0等级,阻燃性能优异。产品热稳定性好,起始分解温度为398.0℃到420.8℃之间。本发明极大简化了磷腈弹性体的交联过程,在实现聚磷腈室温交联的同时提高了其阻燃性能、断裂伸长率,并保持了较好的热稳定性,对高性能阻燃交联聚磷腈弹性体的低成本、大规模工业生产具有重要意义。
具体实施方式:
为了更好的理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面实施例,实施例不应视作对本发明保护范围的限制。
实施案例1
取氢化钠0.72mol、乙二醇0.1molg、苯酚0.5mol、六氯环三磷腈0.1mol(摩尔比7.2:1:5:1),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将乙二醇、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,反应直至体系由浊液变为澄清,再将六氯环三磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,反应4h后将反应液倒出,静置后分层,下层为乳白色杂质,上层为淡黄色的羟乙氧基苯氧基环三磷腈溶液,分离上层清液待用;取六氯环三磷腈100.0g、氨基磺酸1.0g、二水合硫酸钙0.1g(质量比1000:10:1),混合均匀后溶解于120ml 1,2,4-三氯苯并置于250ml三口烧瓶,通氮气保护,在208℃油浴下反应5.5h,将反应液倒入正庚烷中析出聚二氯磷腈,干燥后待用;取羟乙氧基苯氧基环三磷腈0.023mol、苯酚0.207mol、氢化钠0.276mol、聚二氯磷腈0.115mol(摩尔比1:9:12:5),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,直至体系内无气泡产生,将体系温度升至60℃,将聚二氯磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,恒温反应8h,蒸馏浓缩反应液后将其倒入正庚烷中析出产物,用正庚烷和去离子水分别洗涤两次后,先于40℃真空干燥箱中干燥24h,再于通风橱中自然干燥24h,得到棕褐色的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体;经表征,该产品UL-94垂直燃烧等级达到V-0等级,极限氧指数为30.6%,起始分解温度为398.0℃,断裂伸长率达到470%。
实施案例2
取氢化钠1.44mol、乙二醇0.2mol、苯酚1.0mol、六氯环三磷腈0.2mol(摩尔比7.2:1:5:1),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将乙二醇、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,反应直至体系由浊液变为澄清,再将六氯环三磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,反应8h后将反应液倒出,静置后分层,下层为乳白色杂质,上层为淡黄色的羟乙氧基苯氧基环三磷腈溶液,分离上层清液待用;取六氯环三磷腈200.0g、氨基磺酸2.0g、二水合硫酸钙0.2g(质量比1000:10:1),混合均匀后溶解于240ml 1,2,4-三氯苯并置于500ml三口烧瓶,通氮气保护,在210℃油浴下反应4h,将反应液倒入正庚烷中析出聚二氯磷腈,干燥后待用;取羟乙氧基苯氧基环三磷腈0.08mol、苯酚0.72molg、氢化钠0.96mol、聚二氯磷腈0.4mol(摩尔比1:9:12:5),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,直至体系内无气泡产生,将体系温度升至30℃,将聚二氯磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,恒温反应12h,蒸馏浓缩反应液后将其倒入正庚烷中析出产物,用正庚烷和去离子水分别洗涤两次后,先于40℃真空干燥箱中干燥24h,再于通风橱中自然干燥24h,得到棕褐色的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体;经表征,该产品UL-94垂直燃烧等级达到V-0等级,极限氧指数为32.8%,起始分解温度为420.8℃,断裂伸长率达到620%。
实施案例3
取氢化钠1.44mol、乙二醇0.2mol、苯酚1.0mol、六氯环三磷腈0.2mol(摩尔比7.2:1:5:1),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将乙二醇、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,反应直至体系由浊液变为澄清,再将六氯环三磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,反应6h后将反应液倒出,静置后分层,下层为乳白色杂质,上层为淡黄色的羟乙氧基苯氧基环三磷腈溶液,分离上层清液待用;取六氯环三磷腈200.0g、氨基磺酸2.0g、二水合硫酸钙0.2g(质量比1000:10:1),混合均匀后溶解于240ml 1,2,4-三氯苯并置于500ml三口烧瓶,通氮气保护,在206℃油浴下反应7h,将反应液倒入正庚烷中析出聚二氯磷腈,干燥后待用;取羟乙氧基苯氧基环三磷腈0.12mol、苯酚1.08mol、氢化钠1.44mol、聚二氯磷腈0.6mol(摩尔比1:9:12:5),并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,直至体系内无气泡产生,保持体系温度0℃,将聚二氯磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,恒温反应24h,蒸馏浓缩反应液后将其倒入正庚烷中析出产物,用正庚烷和去离子水分别洗涤两次后,先于40℃真空干燥箱中干燥24h,再于通风橱中自然干燥24h,得到棕褐色的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体;经表征,该产品UL-94垂直燃烧等级达到V-0等级,极限氧指数为31.7%,起始分解温度为408.0℃,断裂伸长率达到590%。
Claims (2)
1.一种聚磷腈弹性体的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
a.制备羟乙氧基苯氧基环三磷腈:以摩尔比7.2:1:5:1分别取氢化钠、乙二醇、苯酚和六氯环三磷腈,并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将乙二醇、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,反应直至体系由浊液变为澄清,再将六氯环三磷腈溶液恒压逐滴滴入反应体系,反应4-8h后将反应液倒出,静置后分层,下层为乳白色杂质,上层为淡黄色的羟乙氧基苯氧基环三磷腈溶液,分离上层清液待用;
b.制备聚二氯磷腈:以质量比1000:10:1分别取六氯环三磷腈、氨基磺酸和二水合硫酸钙,混合均匀后溶解于1,2,4-三氯苯并置于三口烧瓶,通氮气保护,在206-210℃油浴下反应4-7h,将反应液倒入正庚烷中析出聚二氯磷腈,干燥后待用;
c.制备乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈:以摩尔比1:9:12:5分别取羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚、氢化钠和聚二氯磷腈,并以四氢呋喃为溶剂配置成相应溶液,将氢化钠溶液置于三口烧瓶中,通氮气保护,在冰水浴条件下,将羟乙氧基苯氧基环三磷腈、苯酚溶液恒压逐滴滴入氢化钠溶液中,直至体系内无气泡产生,调节体系温度至0-60℃,再将聚二氯磷腈溶液恒压下逐滴滴入反应体系,恒温反应8-24h;
d.产物后处理:蒸馏浓缩反应体系后,将剩余反应液倒入正庚烷中析出产物,用正庚烷和去离子水分别洗涤两次后,先于40℃真空干燥箱中干燥24h,再于通风橱中自然干燥24h,得到棕褐色的乙氧基苯氧基环三磷腈苯氧基聚磷腈弹性体。
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