CN113637254A - 聚烯烃组合物的制备方法及哌嗪类化合物的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚烯烃组合物的制备方法及哌嗪类化合物的用途。该制备方法包括如下步骤：(1)将可溶性稀土无机盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A；(2)将中间产物A与磷酸反应得到中间产物B；(3)将包括60～95重量份的聚烯烃、10～30重量份的氮磷类膨胀型阻燃剂和2～10重量份的中间产物B的原料混合，得到聚烯烃组合物。该方法能够在添加较少的氮磷类膨胀型阻燃剂的条件下，提高聚烯烃的极限氧指数。

Description

聚烯烃组合物的制备方法及哌嗪类化合物的用途

技术领域

本发明涉及一种聚烯烃组合物的制备方法及哌嗪类化合物的用途。

背景技术

聚烯烃材料广泛应用于人们的日常生活中，但是其易燃，容易造成隐患，需要在其中加入阻燃剂以提高其阻燃性能。卤系阻燃剂添加量低，具有较好的阻燃效果，但是由于起阻燃作用的卤化氢是有毒的腐蚀性气体，对环境和人体有害，已逐渐被淘汰。氢氧化镁和氢氧化铝等无机阻燃剂具有阻燃和抑烟作用，且燃烧时不产生有毒气体和腐蚀性气体，但其添加量大，会降低聚烯烃材料的力学性能。氮磷类膨胀型阻燃剂不含卤素，是一种环保型阻燃剂，目前使用较为广泛。

CN110894319A公开了一种用于电池盖板的聚丙烯材料。该聚丙烯材料包括54～57重量份聚丙烯、30～32重量份氮磷类膨胀型阻燃剂、增韧剂、润滑剂、分散剂、抗氧剂、相容剂和流动改性剂。该聚丙烯材料中阻燃剂的添加量较高。

CN101638583A公开了一种含有阻燃增效剂的氮磷类膨胀型阻燃剂。该氮磷类膨胀型阻燃剂含有质量百分比90～99.95％的氮磷类膨胀型阻燃剂和0.05～10％的阻燃增效剂；所述氮磷类膨胀型阻燃剂包括氮磷类复配型膨胀阻燃剂或/和氮磷类单质型膨胀阻燃剂；所述阻燃增效剂选自磷酸镧、磷酸铈、焦磷酸锰、磷酸铁或/和焦磷酸铁。该阻燃剂中必须含有焦磷酸铁或磷酸铁。单独使用磷酸镧或磷酸铈并不能达到良好的增效效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚烯烃组合物的制备方法，该方法能够在添加较少氮磷类膨胀型阻燃剂的条件下，提高聚烯烃的极限氧指数。本发明的另一个目的在于提供一种哌嗪类化合物的用途。

上述技术目的通过如下技术方案实现。

一方面，本发明提供一种聚烯烃组合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将可溶性稀土无机盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A；

(2)将中间产物A与磷酸反应得到中间产物B；

(3)将包括60～95重量份的聚烯烃、10～30重量份的氮磷类膨胀型阻燃剂和2～10重量份的中间产物B的原料混合，得到聚烯烃组合物；

其中，所述可溶性稀土无机盐中的稀土金属选自镧、铈、钇或钐中的一种或多种；

其中，哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。

根据本发明的制备方法，优选地，所述哌嗪类化合物为哌嗪。

根据本发明的制备方法，优选地，所述哌嗪类化合物为2,5-二甲基哌嗪或2,6-二甲基哌嗪。

根据本发明的制备方法，优选地，所述可溶性稀土无机盐的稀土金属与哌嗪类化合物的摩尔比为1:(0.7～8)；所述可溶性稀土无机盐的稀土金属与磷酸的摩尔比为1:(2～7)。

根据本发明的制备方法，优选地，所述可溶性稀土无机盐以可溶性稀土无机盐水溶液的形式使用，所述可溶性稀土无机盐的浓度为0.05～3mol/L；

所述哌嗪类化合物以哌嗪类化合物水溶液的形式使用，所述哌嗪类化合物的浓度为0.05～8mol/L；

可溶性稀土无机盐水溶液与哌嗪类化合物水溶液的体积比为(0.2～4):1。

根据本发明的制备方法，优选地，步骤(1)中，将可溶性稀土无机盐水溶液加入温度为40～90℃的哌嗪类化合物水溶液中，反应0.5～7h，得到中间产物A。

根据本发明的制备方法，优选地，所述磷酸以磷酸溶液的形式使用，所述磷酸溶液的浓度为60～90wt％。

根据本发明的制备方法，优选地，将中间产物A与磷酸在90～150℃下反应3～10h，然后转入聚四氟乙烯反应釜，在170～250℃下反应1～10d，将反应物冷却，离心，过滤，在60～150℃下干燥0.5～36h，得到中间产物B。

根据本发明的制备方法，优选地，所述氮磷类膨胀型阻燃剂包括质量比为(1～5):2的焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵。

另一方面，本发明提供了一种哌嗪类化合物在提高聚烯烃组合物阻燃性中的用途，所述哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。

将采用本发明方法制成的中间产物B、氮磷类膨胀型阻燃剂和聚烯烃形成混合物，这样能够减少氮磷类膨胀型阻燃剂的用量，且能够达到较好的阻燃效果。阻燃剂用量的减少有助于保持材料的力学性能，这样既能提高聚烯烃树脂的阻燃性能，又能够保持其良好的力学性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

<聚烯烃组合物的制备方法>

本发明提供了一种聚烯烃组合物的制备方法，包括如下步骤：

(1)中间产物A制备步骤；(2)中间产物B制备步骤；(3)聚烯烃组合物制备步骤。下面进行详细介绍。

中间产物A制备步骤

将可溶性稀土无机盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A。

本发明的可溶性稀土无机盐中的稀土金属选自镧、铈、钇或钐中的一种或多种。优选地，稀土金属选自镧或钐中的一种或多种。本发明发现，采用这些稀土金属的可溶性盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A，然后与磷酸形成中间产物B，这样可以在较少氮磷类膨胀型阻燃剂用量的前提下提高聚烯烃组合物的极限氧指数。

本发明的可溶性稀土无机盐可以为稀土金属的氯化物或硝酸盐。可溶性稀土无机盐可以以相应的稀土无机盐的水合物作为原料。

可溶性稀土无机盐以可溶性稀土无机盐水溶液的形式使用。可溶性稀土无机盐水溶液中，可溶性稀土无机盐的浓度可以为0.05～3mol/L；优选为0.08～1.3mol/L；更优选为0.3～0.5mol/L。

本发明的哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。优选地，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C3的烷基。C1-C6的烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、异己基。在某些实施方案中，R₂和R₄为C1-C6的烷基；R₁和R₃为氢原子。在另一些实施方案中，R₂和R₃为C1-C6的烷基；R₁和R₄为氢原子。在再一些实施方案中，R₁、R₂、R₃和R₄为氢原子。本发明的哌嗪类化合物的实例包括但不限于哌嗪、2,5-二甲基哌嗪或、2,6-二甲基哌嗪。根据本发明的一个实施方式，哌嗪类化合物为哌嗪。

哌嗪类化合物以哌嗪类化合物水溶液的形式使用。哌嗪类化合物水溶液中哌嗪类化合物的浓度可以为0.05～8mol/L；优选为0.08～5mol/L；更优选为1～1.5mol/L。

可溶性稀土无机盐水溶液和哌嗪类化合物水溶液的体积可以为(0.2～4):1；优选为(0.5～2):1；更优选为(0.8～1.3):1。

可溶性稀土无机盐的稀土金属与哌嗪类化合物的摩尔比可以为1:(0.7～8)；优选为1:(0.9～5)；更优选为1:(2.5～3.5)。

本发明意外地发现，在制备过程中添加哌嗪类化合物可以改善稀土磷酸盐的阻燃效果。尽管原理尚不清楚，但实验结果证实确实如此。与未添加哌嗪类化合物的实验结果相比，添加哌嗪类化合物有助于提高聚烯烃组合物的极限氧指数。添加哌嗪类化合物可以提高阻燃效率，从而使得中间产物B对氮磷类膨胀型阻燃剂具有较好的阻燃协效作用以减少氮磷类膨胀型阻燃剂的使用量。

在某些实施方案中，将可溶性稀土无机盐水溶液加入温度为40～90℃的哌嗪类化合物水溶液中，反应得到中间产物A。哌嗪类化合物水溶液的温度优选为50～80℃；更优选为55～70℃。反应时间可以为0.5～7h；优选为0.8～4h；更优选为1.5～2.5。这样有助于获得阻燃效果更好的中间产物B。

中间产物B制备步骤

将中间产物A与磷酸反应得到中间产物B。

在本发明中，可溶性稀土无机盐的稀土金属与磷酸的摩尔比可以为1:(2～7)；优选为1:(2.5～5)；更优选为1:(3～4)。这样有利于促进中间产物A形成阻燃效率更高的中间产物B。

本发明的磷酸可以以磷酸溶液的形式使用。磷酸溶液的浓度可以为60～90wt％；优选为70～90wt％；更优选为80～87wt％。可溶性稀土无机盐水溶液与磷酸溶液的体积比可以为(2～60):1；优选为(3～50):1；更优选为(10～15):1。

在某些实施方式中，将中间产物A与磷酸进行一次反应，然后转入聚四氟乙烯反应釜进行二次反应得到反应物。一次反应的温度可以为90～150℃，优选为100～140℃，更优选为110～130℃；反应时间可以为3～10h，优选为4～8h，更优选为4～7h。二次反应的温度可以为150～250℃，优选为160～230℃，更优选为170～190℃；反应时间可以为1～10d，优选为2～5d，更优选为2～4d。采用两次反应，有利于使得提高中间产物B与聚烯烃的相容性，从而改善阻燃效率。

将反应物冷却，离心，过滤，干燥，得到中间产物B。冷却至室温为宜。离心的转速可以为5000～20000rpm；优选为7000～15000rpm；更优选为7000～9000rpm。干燥的温度可以为60～150℃，优选为70～130℃，更优选为70～90℃；干燥的时间可以为0.5～36h，优选为1.5～30h，更优选为20～25h。

聚烯烃组合物制备步骤

将包括聚烯烃、氮磷类膨胀型阻燃剂和中间产物B的原料混合得到聚烯烃组合物。混合的方式没有特别限定，例如熔融共混；混合的设备可以为流变仪、捏合机或螺杆挤出机等。在某些实施方式中，原料由聚烯烃、氮磷类膨胀型阻燃剂和中间产物B组成。

聚烯烃的用量可以为60～95重量份；优选为65～85重量份；更优选为70～75重量份。聚烯烃的实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶或乙烯-辛烯共聚物。优选地，聚烯烃为聚乙烯。

氮磷类膨胀型阻燃剂的用量可以为10～30重量份；优选为15～28重量份；更优选为20～27重量份。氮磷类膨胀型阻燃剂可以包括焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵。在某些实施方式中，氮磷类膨胀型阻燃剂由焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵组成。焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵的质量比可以为(1～5):2；优选为(2～4):2；更优选为(2.5～3.5):2。

中间产物B的用量可以为2～10重量份；优选为3～8重量份；更优选为4～6重量份。中间产物B如前所述。

采用上述组分，既能够使阻燃聚烯烃具有较高的极限氧指数，又能够降低氮磷类膨胀型阻燃剂的用量，以减少对聚烯烃力学性能的影响。本发明的中间产物B与焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵协同作用，具有更好的阻燃效果。

在某些实施方式中，将聚烯烃熔融，然后与氮磷类膨胀型阻燃剂和中间产物B熔融共混，得到聚烯烃组合物。

聚烯烃可以在温度为120～180℃和转速为30～80rpm的条件下熔融。聚烯烃的熔融温度优选130～170℃，更优选为140～160℃。转速优选为40～70rpm，更优选为45～60rpm。熔融时间可以为0.5～5min；优选为1～3min；更优选为1.5～2.5min。

将熔融后的聚烯烃与氮磷类膨胀型阻燃剂和中间产物B在温度120～180℃和转速为30～80rpm的条件下熔融共混。熔融共混的温度优选为130～170℃，更优选为140～160℃。转速优选为40～70rpm，更优选为45～60rpm。熔融共混时间可以为4～20min；优选为5～15min；更优选为6～10min。

采用上述方法制备的聚烯烃组合物的极限氧指数在31以上；优选为32以上。

<哌嗪类化合物的用途>

本申请的发明人意外地发现，哌嗪类化合物可以提高聚烯烃组合物的阻燃性。因此，本发明提供了一种哌嗪类化合物在提高聚烯烃组合物阻燃性中的用途。具体地，在制备过程中添加哌嗪类化合物可以改善稀土磷酸盐的阻燃效果。与未采用哌嗪类化合物的实验结果相比，添加哌嗪类化合物有助于提高聚烯烃组合物的极限氧指数。哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。C1-C6的烷基的实例包括但不限于甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、新戊基、正己基、异己基。在某些实施方案中，R₂和R₄为C1-C6的烷基；R₁和R₃为氢原子。在另一些实施方案中，R₂和R₃为C1-C6的烷基；R₁和R₄为氢原子。在再一些实施方案中，R₁、R₂、R₃和R₄为氢原子。本发明的哌嗪类化合物的实例包括但不限于哌嗪、2,5-二甲基哌嗪或、2,6-二甲基哌嗪。根据本发明的一个实施方式，哌嗪类化合物为哌嗪。

在某些实施方式中，将可溶性稀土无机盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A。将中间产物A与磷酸反应得到中间产物B；将包括60～95重量份的聚烯烃、10～30重量份的氮磷类膨胀型阻燃剂和2～10重量份的中间产物B的原料混合，得到聚烯烃组合物。具体方法及参数如前文所述，在此不再赘述。

下面介绍测试方法：

将聚烯烃组合物置于平板硫化机中，在160℃和14MPa下热压4min，然后冷压4min，制成阻燃聚烯烃片材。将阻燃聚烯烃片材裁成130mm×6.5mm×1.6mm和130mm×13mm×3mm的标准样条后进行测试。

极限氧指数值：将130mm×6.5mm×1.6mm的标准样条，按ASTM D2863标准在SC-LOIB型氧指数仪上测试。SC-LOIB型氧指数仪购自高特威尔科学仪器(青岛)有限公司。

垂直燃烧级别：将130mm×13mm×3mm的标准样条，按ASTM D3801标准在SC-7057-9GB型水平垂直燃烧测试仪上测试。SC-7057-9GB型水平垂直燃烧测试仪购自高特威尔科学仪器(青岛)有限公司。

实施例1～4

(1)将可溶性稀土无机盐溶解于50mL去离子水中，形成可溶性稀土无机盐水溶液。将哌嗪溶解于50mL去离子水中，形成哌嗪水溶液。将可溶性稀土无机盐水溶液加入哌嗪水溶液中进行反应，得到中间产物A。

(2)向中间产物A中加入浓度为85wt％的磷酸水溶液进行一次反应，然后转入聚四氟乙烯反应釜中进行二次反应，得到反应物。将反应物自然冷却至室温，离心，过滤，得到固体反应物；将固体反应物干燥，得到中间产物B。

(3)将70重量份聚乙烯加入到哈克转矩流变仪中，在温度为150℃和转速为50rpm的条件下熔融2min；然后加入15重量份焦磷酸哌嗪、10重量份三聚氰胺多聚磷酸铵和5重量份中间产物B，熔融共混8min，得到聚烯烃组合物。

表1

比较例1

除中间产物B的制备步骤如下所述外，其余同实施例1:

将7.06g LaCl₃·6H₂O溶解于50mL去离子水中，形成可溶性稀土无机盐水溶液。将4.1mL浓度为85wt％的磷酸水溶液加入可溶性稀土无机盐水溶液中，在60℃下反应5h，得到反应物。将反应物在8000rpm条件下离心，然后过滤，得到固体反应物。将固体反应物在80℃下干燥24h，得到中间产物B。

比较例1所得的聚烯烃组合物的极限氧指数为26.8，垂直燃烧级别为UL94V-2。

比较例2

除中间产物B的制备步骤如下所述外，其余同实施例1:

将7.06g LaCl₃·6H₂O溶解于50mL去离子水中，形成可溶性稀土无机盐水溶液。将4.1mL浓度为85wt％的磷酸水溶液加入可溶性稀土无机盐水溶液中，在60℃下反应2h，然后转入聚四氟乙烯反应釜中，在180℃下反应3d，得到反应物。将反应物自然冷却，然后在8000rpm下离心、过滤，得到固体反应物。将固体反应物在80℃下干燥24h，得到中间产物B。

比较例2所得的聚烯烃组合物的极限氧指数为27，垂直燃烧级别为UL94V-2。

比较例3

将70重量份聚乙烯加入到哈克转矩流变仪中，在温度为150℃和转速为50rpm的条件下熔融2min；然后加入18重量份焦磷酸哌嗪和12重量份三聚氰胺多聚磷酸铵，熔融共混8min，得到聚烯烃组合物。

比较例3所得的聚烯烃组合物的极限氧指数为28.5，垂直燃烧级别为UL94V-0。

由实施例1和比较例1-2可知，哌嗪可以提高聚烯烃组合物的极限氧指数。鉴于中间产物B和比较例1-2的磷酸镧用量相同，因而在制备过程中添加哌嗪的中间产物B具有更高的阻燃效率。由实施例1-4和比较例3可知，中间产物B对氮磷类膨胀型阻燃剂具有较好的阻燃协效作用，可以减少氮磷类膨胀型阻燃剂的使用量，显著提高阻燃聚烯烃的极限氧指数。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种聚烯烃组合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将可溶性稀土无机盐与哌嗪类化合物反应得到中间产物A；

(2)将中间产物A与磷酸反应得到中间产物B；

(3)将包括60～95重量份的聚烯烃、10～30重量份的氮磷类膨胀型阻燃剂和2～10重量份的中间产物B的原料混合，得到聚烯烃组合物；

其中，所述可溶性稀土无机盐中的稀土金属选自镧、铈、钇或钐中的一种或多种；

其中，哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述哌嗪类化合物为哌嗪。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述哌嗪类化合物为2,5-二甲基哌嗪或2,6-二甲基哌嗪。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性稀土无机盐的稀土金属与哌嗪类化合物的摩尔比为1:(0.7～8)；所述可溶性稀土无机盐的稀土金属与磷酸的摩尔比为1:(2～7)。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

所述可溶性稀土无机盐以可溶性稀土无机盐水溶液的形式使用，所述可溶性稀土无机盐的浓度为0.05～3mol/L；

所述哌嗪类化合物以哌嗪类化合物水溶液的形式使用，所述哌嗪类化合物的浓度为0.05～8mol/L；

可溶性稀土无机盐水溶液与哌嗪类化合物水溶液的体积比为(0.2～4):1。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将可溶性稀土无机盐水溶液加入温度为40～90℃的哌嗪类化合物水溶液中，反应0.5～7h，得到中间产物A。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述磷酸以磷酸溶液的形式使用，所述磷酸溶液的浓度为60～90wt％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将中间产物A与磷酸在90～150℃下反应3～10h，然后转入聚四氟乙烯反应釜，在170～250℃下反应1～10d，将反应物冷却，离心，过滤，在60～150℃下干燥0.5～36h，得到中间产物B。

9.根据权利要求1～8任一所述的制备方法，其特征在于，所述氮磷类膨胀型阻燃剂包括质量比为(1～5):2的焦磷酸哌嗪和三聚氰胺多聚磷酸铵。

10.一种哌嗪类化合物在提高聚烯烃组合物阻燃性中的用途，其特征在于，所述哌嗪类化合物具有如下所示的化学结构：

式中，R₁、R₂、R₃和R₄分别独立地选自氢原子或C1-C6的烷基。