CN114195824A - 一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物，具有如式(I)所示的结构。该化合物不仅具有良好的耐水性及阻燃性，作为添加剂加入到聚合物组合物时，不会明显的导致聚合物组合物的力学性能下降，并且可根据含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物的结构和制备原料的变化，得到透明或非透明性阻燃性聚合物组合物制品，并且添加量更低。本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，被证明对于增加聚合物组合物，特别是阻燃性聚合物组合物的阻燃性具有优异的效果，尤其适用于聚碳酸酯及其合金材料的阻燃，在聚碳酸酯阻燃领域具有极高的工业应用价值。而且本发明提供的制备路线工艺简单，可控性强，原料易得，更加适合工业化生产。

Description

一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、应用
技术领域
本发明属于聚合物阻燃剂领域，涉及一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、一种阻燃聚合物组合物，尤其涉及一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、在聚合物加工领域中的应用。
背景技术
环氧树脂、工程塑料及聚酯等高分子材料具有广泛的应用，但大部分高分子材料本身不阻燃，需要添加含卤(如溴、氯)阻燃剂使得高分子材料具有防火阻燃的功能。添加含卤阻燃剂的高分子材料在燃烧时，会释放大量有害有毒物质。这些年来，绿色环保的含磷阻燃剂，含氮阻燃剂成为科学工作者努力研究的方向，含磷阻燃剂中，10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)因含有P-H化学键，作为反应性含磷阻燃剂中间体成为一个热点的研究方向。三烯丙基异氰酸酯(TAIC)、三聚氰酸三烯丙酯(TAC)常被用于热固性树脂或合成橡胶的交联剂，可提升耐热性、抗水解性及机械性能。
近年来，含磷、含氮及含磺酸盐阻燃剂等绿色环保型阻燃剂均已有相关研究和报道。如专利US4962168公开了由DOPO分别与三丙烯基异氰酸酯(TAIC)、三聚氰酸三烯丙酯(TAC)加成反应后得到含磷及含氮的阻燃剂，该产品可广泛应用于热固性及热塑性树脂，但是在应用于聚碳酸酯(PC)及其合金中，需要添加高达8％重量的添加量才能获得满意的阻燃效果。专利CN1156539C公开了一种难燃性环氧树脂，该树脂结构中含有DOPO基团，在其权力要求描述中，该树脂结构可以含有磺酸基团，其专利内容没有对磺酸基团进行详细描述和解释，且该难燃树脂的应用仅局限于环氧树脂阻燃领域。中北大学硕士论文《膨胀型磺酸盐阻燃剂的合成及其阻燃聚碳酸酯的研究》(2014)及《氮磷硫复合型阻燃体系的制备及其在聚碳酸酯中的应用》(2015)以三聚氯氰、对氨基苯磺酸或氨基乙磺酸、氢氧化钾及DOPO为原料制备得到含磷、含氮、含磺酸盐且含P-H键的阻燃剂，制备工艺复杂，所得产品呈浅黄色，应用有限制，此外，该产品极易溶于水，耐水性差，较难在聚碳酸酯阻燃材料中实现工业应用。专利CN107652468B公开了一种含DOPO结构的咪唑磺酸盐离子液体阻燃剂，该阻燃剂是通过DOPO与多聚甲醛反应得到中间体Ⅰ，然后与取代磺酰氯反应得中间体Ⅱ，最后与取代咪唑反应得到目标产物，该制备工艺一个反应周期至少需要31小时，耗时长生产效率低，且产品收率较低，作为阻燃剂需要7％wt以上的添加量才能有满意的阻燃效果，且燃烧成碳性较差。专利CN108440598B公开了一种硫-氮-磷复合型阻燃剂的制备方法和应用，其采用马来酸酐和2,2-硫双(5-氨基苯磺酸)反应后，再与DOPO反应生产含DOPO、磺酸结构单元的硫-氮-磷复合型阻燃剂，该发明所使用2,2-硫双(5-氨基苯磺酸)原料市场上很难买到，其合成所需原料4,4′-二氨基二苯硫醚价格非常昂贵，由此方法制备的硫-氮-磷复合型阻燃剂仅适合科学研究，较难工业化应用。专利CN110945066A公开了塑料用阻燃剂和增塑剂——磺酸酯和亚磺酸酯，该阻燃剂或增塑剂为无卤素的磺酸氮杂醇和无卤素的亚磺酸氮杂醇酯，其以取代磺酰氯和含咪唑环类化合物反应，得到含磺酸酯、含氮阻燃剂产品，其作为阻燃剂使用时不能单独使用，需要与磷腈类、磷酸酯类等含磷阻燃剂复配，且仍需要添加较多含磷阻燃剂才能做到满意的阻燃效果。
因此，如何找到一种适宜的含磷、含氮且含磺酸盐的化合物，弥补其在耐水性及阻燃性能上的不足，进一步拓宽其应用的深度和宽度，已成为领域内诸多具有前瞻性的一线研究人员广为关注的焦点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、一种阻燃聚合物组合物，本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物作为聚合物材料的阻燃剂，不仅具有较好的耐水性，还具有优异的阻燃性能，特别是在聚碳酸酯阻燃领域具有极高的工业应用价值，此外，该产品的制备工艺简单，可控性强，原料易得，更加适合工业化生产和应用。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物，具有如式(I)所示的结构；
Figure BDA0003440346300000031
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
Figure BDA0003440346300000032
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
优选的，所述化合物包括阻燃剂；
所述化合物为固体；
所述M包括碱金属、碱土类金属和含氨基硅类化合物中的一种或多种。
优选的，所述R3与R4可形成饱和或不饱和的环状环；
所述环状环包括非取代的环状环或经C1～C6的烷基取代的环状环；
所述S元素在所述化合物中的质量百分含量为0.0001％～10％；
所述b为1。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，含有环氧基团且含氮化合物进行加成反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1`)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2`)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，再与，含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1``)将DOPO或其衍生物，与含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到含磷且含氮化合物中间体；
2``)将上述步骤得到的含磷且含氮化合物中间体，与磺化剂进行磺化反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
Figure BDA0003440346300000051
Figure BDA0003440346300000061
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
优选的，所述磺化剂包括浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸和三氧化硫中的一种或多种；
所述磺化反应的温度为0～150℃；
所述磺化反应的时间为0.5～10h。
优选的，所述含有环氧基团且含氮化合物包括异氰尿酸三缩水甘油酯、异氰尿酸二烯丙基一缩水甘油酯和异氰尿酸一烯丙基二缩水甘油酯中的一种或多种；
所述加成反应包括在催化剂的条件下进行加成反应；
所述催化剂包括酸性化合物、碱性化合物和有机过氧化物中的一种或多种；
所述酸性化合物包括甲基苯磺酸、甲基萘磺酸、冰醋酸和联苯磺酸中的一种或多种；
所述碱性化合物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨、脂肪胺、取代脂肪胺、芳胺、取代芳胺和氨基取代烷基硅烷中的一种或多种；
所述有机过氧化物包括过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮和过氧化甲乙酮中的一种或多种。
优选的，所述加成反应的温度为50～160℃；
所述加成反应的时间为2～25h；
所述加成反应的原料中还包括加成反应溶剂；
所述加成反应溶剂包括苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
优选的，所述金属化合物包括在溶剂中电离出金属离子的金属化合物；
所述金属化合物包括碱金属化合物、碱土类金属化合物、硫酸铝和硝酸铝中的一种或多种；
所述氨/胺类化合物包括氨、脂肪氨、芳香胺、取代脂肪胺、取代芳香胺和含氨基硅类化合物中的一种或多种；
所述含氨基硅类化合物包括氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基甲基聚硅氧烷和氨丙基甲基苯基聚硅氧烷中的一种或多种。
本发明还提供了一种阻燃聚合物组合物，包括上述技术方案任意一项所述的含磷、含氮及含磺酸盐化合物或上述技术方案任意一项所述的制备方法所制备的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
优选的，所述阻燃聚合物组合物的聚合物基体包括聚碳酸酯、环氧树脂、聚苯醚、聚对苯二甲酸亚烷基酯、乙烯基聚合物、聚链烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和硅橡胶中的一种或多种；
所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物在聚合物组合物中的重量含量为0.01％～30％；
所述聚合物组合物中还包括添加剂；
所述添加剂包括颜料、UV稳定剂、抗氧剂、抗滴落剂、热稳定剂、增强填料、扩链剂、着色剂和增韧剂中的一种或多种；
所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物作为聚合物组合物的阻燃剂，所述聚合物组合物中，还包括其他阻燃剂或阻燃体系。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物，具有如式(I)所示的结构。与现有技术相比，本发明针对现有的用于聚合物加工的阻燃剂，存在适用性窄，添加量大、耐水性差及阻燃性能不足等问题。本发明创造性的设计了一种具有特定结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，本发明的含磷、含氮及含磺酸盐基化合物不仅具有良好的耐水性及阻燃性，作为添加剂加入到聚合物组合物时，不会明显的导致聚合物组合物的力学性能下降，并且可根据含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物的结构和制备原料的变化，得到透明或非透明性阻燃性聚合物组合物制品。本发明的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，被证明对于增加聚合物组合物，特别是阻燃性聚合物组合物的阻燃性具有优异的效果。
本发明在科学研究过程中，研究认为由10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，再与含有环氧基团及含氮的化合物进行加成反应后与金属化合物、氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应，得到含磷、含氮及含磺酸盐的化合物。本发明利用9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物中的苯环可磺化及P-H键可与含有环氧基团及含氮的化合物发生加成反应的特点，得到了这种新型的含磷、含氮及含磺酸盐的化合物。本发明提供的制备路线工艺简单，可控性强，原料易得，更加适合工业化生产和应用。本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物不仅具有较好的耐水性，还具有优异的阻燃性能，不但能改善聚合物组合物阻燃性能，还能根据聚合物组合物的不同应用场合，制备出透明性或非透明性聚合物组合物制品，并且添加量更低，并且被证明特别适用于聚碳酸酯及其合金材料的阻燃，在聚碳酸酯阻燃领域具有极高的工业应用价值。
实验结果表明，本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物不仅具有较好的耐水性，还具有优异的阻燃性能，不但能改善聚合物组合物阻燃性能，还能根据聚合物组合物的不同应用场合，制备出透明性或非透明性聚合物组合物制品，并且添加量更低。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用分析纯或聚合物阻燃剂制备领域使用的常规纯度。
本发明所有名词表达、简称和牌号均属于本领域常规的名词表达、简称和牌号，每个名词表达、简称和牌号在其相关应用领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据该名词表达、简称和牌号，能够清楚准确唯一的进行理解。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物，具有如式(I)所示的结构；
Figure BDA0003440346300000091
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
Figure BDA0003440346300000101
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
在本发明中，所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少有一个R2包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-中的一个。
在本发明中，所述a、b、c优选为取代基的个数，选自整数。具体的，所述8≥b≥1，具体可以为1，2，3，4，5，6，7或8。所述4≥a≥0，具体可以为0，1，2，3或4。所述4≥c≥0，具体可以为0，1，2，3或4。所述7≥a+c≥0，具体可以为0，1，2，3，4，5，6或7。所述a+b+c≤8，具体可以为1，2，3，4，5，6，7或8。其中，b更优选为1或2，最优选为1。
在本发明中，所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物，更优选为金属或氨/胺类化合物基团。在本发明中，氨/胺类化合物代表独立的材料名称。
在本发明中，所述M优选包括碱金属、碱土类金属和含氨基硅类化合物中的一种或多种，更优选为碱金属、碱土类金属或含氨基硅类化合物基团，进一步优选钠和钾，最优选钾。
在本发明中，所述R3、R4各自独立的优选选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种，更优选为卤素、硝基、C1～C15的烷基或C1～C15的烷氧基。具体的，所述C1～C15的烷基可以为C3～C12的烷基，或者为C5～C10的烷基，或者为C7～C9的烷基。所述C1～C15的烷氧基可以为C3～C12的烷氧基，或者为C5～C10的烷氧基，或者为C7～C9的烷氧基。
在本发明中，所述R3与R4优选可形成饱和或不饱和的环状环。即R3与R4优选可形成饱和环结构或不饱和的环结构。
在本发明中，所述环状环优选包括非取代的环状环或经C1～C6的烷基取代的环状环。具体的，所述C1～C6的烷基也可以为C2～C5的烷基，或者为C3～C4的烷基。
在本发明中，所述S元素在所述化合物中的质量百分含量优选为0.0001％～10％，更优选为0.001％～8％，更优选为0.01％～7％，更优选为0.1％～6％，更优选为1％～5％。
在本发明中，所述化合物的状态优选为固体。
在本发明中，所述化合物优选包括阻燃剂。
本发明上述步骤提供了一种具有特定结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
在本发明中，所述各R2彼此独立地与N原子相连接。
在本发明中，一价态基团的定义中可以包括H。
其中，所述各R1为彼此独立的与R2相连接的一价基团。所述R1选自H，且至少含有一个由式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构，该结构经P原子与R2相连接。具体的，所述R1至少有一个R1选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构，该结构经P原子与R2相连接，进一步优选为含有式(Ⅱ)所示结构。
Figure BDA0003440346300000121
在本发明中，式(Ⅱ)，式(Ⅲ)中所述磺酸盐(-SO3M)基团中的S元素彼此独立的与苯环上的碳相连接。其中，所述磺酸盐基团含量不能过高，否则会大大增加本发明产品的亲水性或水溶性，导致产品耐水性变差，如果含量过低，则影响产品阻燃性能，优选S元素占式(Ⅰ)化合物中的质量百分比为0.0001％～10％，进一步优选2％～6％。
在本发明中，所述各R3，R4均为彼此独立的与苯环上的碳原子相连接的一价基团，其包含H、卤素(F，Cl，Br，I)、硝基、C1～C15烷基、C1-C15烷氧基。而且所述R3与R4合起来可形成饱和或不饱和的环状环，其中所述饱和或不饱和的环状环可任选经C1～C6烷基取代。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法，包括以下步骤：
1)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，含有环氧基团且含氮化合物进行加成反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1`)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2`)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，再与，含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1``)将DOPO或其衍生物，与含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到含磷且含氮化合物中间体；
2``)将上述步骤得到的含磷且含氮化合物中间体，与磺化剂进行磺化反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
Figure BDA0003440346300000131
Figure BDA0003440346300000141
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
本发明提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法，包括的第一种制备路线中：
1)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，含有环氧基团且含氮化合物进行加成反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
需要指出的，本发明中，DOPO或其衍生物代表独立的材料名称；含磷且含磺酸基团化合物代表独立的材料名称；含有环氧基团且含氮化合物代表独立的材料名称；金属化合物代表独立的材料名称；氨/胺类化合物代表独立的材料名称；含磷、含氮及含磺酸盐化合物代表独立的材料名称。
本发明首先将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物。
在本发明中，所述磺化剂优选包括浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸和三氧化硫中的一种或多种，更优选为浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸或三氧化硫。
在本发明中，所述磺化反应的温度优选为0～150℃，更优选为30～120℃，更优选为60～90℃。
在本发明中，所述磺化反应的时间优选为0.5～10h，更优选为2～8h，更优选为4～6h。在本发明中，磺化反应的时间基于磺化剂的种类、反应溶剂的不同而不同。
本发明随后将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，含有环氧基团且含氮化合物进行加成反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
在本发明中，所述含有环氧基团且含氮化合物优选包括异氰尿酸三缩水甘油酯、异氰尿酸二烯丙基一缩水甘油酯和异氰尿酸一烯丙基二缩水甘油酯中的一种或多种，更优选为异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)、异氰尿酸二烯丙基一缩水甘油酯(DAGIC)、异氰尿酸一烯丙基二缩水甘油酯(MADGIC)，最优选为异氰尿酸三缩水甘油酯(简称TGIC)。
在本发明中，所述加成反应优选包括在催化剂的条件下进行加成反应。
在本发明中，所述催化剂优选包括酸性化合物、碱性化合物和有机过氧化物中的一种或多种，更优选为酸性化合物、碱性化合物或有机过氧化物，更优选为有机过氧化物。具体可以为过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮或过氧化甲乙酮。
在本发明中，所述酸性化合物优选包括甲基苯磺酸、甲基萘磺酸、冰醋酸和联苯磺酸中的一种或多种，更优选为甲基苯磺酸、甲基萘磺酸、冰醋酸或联苯磺酸。
在本发明中，所述碱性化合物优选包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨、脂肪胺、取代脂肪胺、芳胺、取代芳胺和氨基取代烷基硅烷中的一种或多种，更优选为氢氧化钠、氢氧化钾、氨、脂肪胺、取代脂肪胺、芳胺、取代芳胺或氨基取代烷基硅烷。
在本发明中，所述有机过氧化物优选包括过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮和过氧化甲乙酮中的一种或多种，更优选为过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮或过氧化甲乙酮。
在本发明中，所述加成反应的温度优选为50～160℃，更优选为70～140℃，更优选为90～120℃。
在本发明中，所述加成反应的时间优选为2～25h，更优选为7～20h，更优选为12～15h。
在本发明中，所述加成反应的原料中优选包括加成反应溶剂。
在本发明中，所述加成反应溶剂优选包括苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种，更优选为苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺。
在本发明中，所述金属化合物优选包括在溶剂中电离出金属离子的金属化合物。
在本发明中，所述金属化合物优选包括碱金属化合物、碱土类金属化合物、硫酸铝和硝酸铝中的一种或多种，更优选为碱金属化合物、碱土类金属化合物、硫酸铝或硝酸铝。
在本发明中，所述氨/胺类化合物优选包括氨、脂肪氨、芳香胺、取代脂肪胺、取代芳香胺和含氨基硅类化合物中的一种或多种，更优选为氨、脂肪氨、芳香胺、取代脂肪胺、取代芳香胺或含氨基硅类化合物。
在本发明中，所述含氨基硅类化合物优选包括氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基甲基聚硅氧烷和氨丙基甲基苯基聚硅氧烷中的一种或多种，更优选为氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基甲基聚硅氧烷或氨丙基甲基苯基聚硅氧烷。
本发明还提供了含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法，另外两种制备路线，包括：
1`)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2`)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，再与，含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
或者：
1``)将DOPO或其衍生物，与含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到含磷且含氮化合物中间体；
2``)将上述步骤得到的含磷且含氮化合物中间体，与磺化剂进行磺化反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
在本发明中，上述两种制备路线中的原料选择、具体反应过程以及过程参数，及其相应的优选原则，与第一种制备路线中的原料选择、具体反应过程以及过程参数，及其相应的优选原则，可以一一对应，在此不再一一赘述。
本发明为完整和细化整体技术方案，更好的保证含磷、含氮及含磺酸盐化合物的结构和性能，进一步提高含磷、含氮及含磺酸盐化合物的阻燃性等综合性能，上述含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法具体可以为以下步骤：
本发明的所述式(Ⅰ)化合物，其包含由以下制备方法制备：
(1)由10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物，与磺化剂进行磺化反应，生成式(Ⅳ)和/或式(Ⅴ)所示含磷、含磺酸基团的化合物，然后与一种含有环氧基团及含氮的化合物进行加成反应，最后与金属化合物、氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应得到。
(2)由10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物，与磺化剂进行磺化反应，生成式(Ⅳ)和/或式(Ⅴ)所所示含磷、含磺酸基团的化合物，然后与金属化合物、氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应，最后与含有环氧基团及含氮的化合物进行加成反应得到。
(3)由10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物与含有环氧基团及含氮的化合物进行加成反应，得到含磷、含氮化合物中间体，然后与磺化剂进行磺化反应，最后与金属化合物、氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应得到。
Figure BDA0003440346300000191
式(Ⅳ)，式(Ⅴ)中，所述各R3，R4，a，b，c与上述描述相同。
本发明，优选制备方法(1)，(2)，进一步优选制备方法(1)。
本发明所述10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物，优选DOPO。
本发明所述式(Ⅳ)，式(Ⅴ)化合物，可以在一定条件下相互转化，与DOPO及其水解物的结构转化情况类似。比如，式(Ⅳ)化合物在水及一定温度条件下，可以水解为式(Ⅴ)所示结构化合物，式(Ⅴ)化合物在一定温度和压力条件下脱水，转化为式(Ⅳ)所示结构化合物。本发明进一步优选式(Ⅳ)化合物。
本发明所述含有环氧基团及含氮的化合物，选自：异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)、异氰尿酸二烯丙基一缩水甘油酯(DAGIC)、异氰尿酸一烯丙基二缩水甘油酯(MADGIC)，进一步优选TGIC。
本发明中，所述磺化反应是工业生产中常用的反应手段之一，可参照张大国编著的《精细有机单元反应合成技术手册》。
本发明中，对磺化剂的选择没有特别的要求，比如93％以上浓度的硫酸(浓)，发烟硫酸，氯磺酸，三氧化硫，优选浓硫酸，发烟硫酸，氯磺酸，进一步优选浓硫酸，氯磺酸，最优选氯磺酸。本发明中，对磺化温度没有特别的要求，磺化温度可以在低于60℃下进行，也可以在高于120℃的温度进行，温度不能太低，否则影响磺化反应速率，温度过高，会引起过多磺化、氧化、砜和树脂的生成等副反应，但允许部分氧化、砜及树脂的存在在本发明的含磷，含氮及含磺酸盐化合物中。本发明中，如果采用浓硫酸、发烟硫酸作为磺化剂时，由于磺化剂中含有水，在磺化反应过程中也会产生水，水的存在会使得部分DOPO及其衍生物全部或者部分水解，产生式(Ⅳ)、式(Ⅴ)所示化合物，及其混合物。对所用磺化剂的量没有特别的要求，以满足一分子DOPO及其衍生物中至少产生一个磺酸基团为宜。
本发明中，由上述式(Ⅳ)、式(Ⅴ)所示化合物，及其混合物作为原料与含有环氧基团及含氮化合物进行加成反应时，对反应溶剂没有特别的要求，可以根据反应体系的不同选择添加或不添加，如添加反应溶剂，比如：苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺等。需要特别说明的是，同时含有环氧基团及含氮的化合物在一般的有机溶剂中具有较高的溶解度，不需要特别的有机溶剂，而DOPO及其衍生物经磺化、成盐后得到的中间体化合物，在有机溶剂中的溶解度偏低，可根据具体所用化合物的不同，选择相对应的适合的反应溶剂。此外，如果反应体系中没有水，最终所得阻燃剂产品以含有式(Ⅱ)所示结构的式(Ⅰ)化合物为主，如果反应体系中含有水，则根据水的量、具体的反应条件，调节所得阻燃剂产品中式(Ⅱ)、式(Ⅲ)所示结构的化合物的比例，一般情况下，含式(Ⅲ)结构的化合物较式(Ⅱ)结构的化合物具有更高的亲水性或者水溶性，本发明优选产品中含有式(Ⅱ)所示结构。
本发明中，对所使用催化剂没有特别的限制，比如：甲基苯磺酸、甲基萘磺酸，冰醋酸，联苯磺酸等酸性化合物，氢氧化钠、氢氧化钾、氨、脂肪胺、取代脂肪胺、芳胺、取代芳胺、氨基取代烷基硅烷等碱性化合物；过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮、过氧化甲乙酮等有机过氧化物，进一步优选有机过氧化物；所述用量，比如参加反应单体的化合物重量百分比范围为0.01～6％，优选0.1～2％，更优选0.5～1.5％。本发明中，由于DOPO及其衍生物经磺化反应后，中间体产物带有-SO3H基团，具有自催化作用，根据实际情况，可选择添加或不添加催化剂。此外，对反应温度没有特别的限制，以能催化或引发本发明中，P-H键与环氧基团的加成反应即可。
本发明中，由上述式(Ⅳ)、式(Ⅴ)所示化合物，及其混合物作为原料与同时含有环氧基团及含氮的化合物，以及它们的混合物进行加成反应后，得到含磷、含氮及磺酸基团的化合物中间体，可以进一步将该中间体分离出来，也可以不提取该中间体，本发明优选在原有体系中，加入金属化合物、或氨或胺类化合物，进行中和或沉淀反应，得到本发明的含磷、含氮及含磺酸盐化合物产品。
所述金属化合物，优选能在溶剂中电离出金属离子的金属化合物，比如：氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化钾等碱金属化合物，氢氧化钙、氢氧化钡、氯化钙、氯化钡、氯化镁、硝酸镁等碱土类金属化合物，二价以上金属离子化合物，比如：硫酸铝，硝酸铝等。所述氨或胺类化合物，比如氨，脂肪氨，芳香胺，取代脂肪胺、取代芳香胺等，氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基甲基聚硅氧烷、氨丙基甲基苯基聚硅氧烷等含氨基硅类化合物。本发明进一步优选氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨丙基三乙氧基硅烷等碱性化合物，进一步优选氢氧化钾。
本发明中，所述中和反应，是指碱性化合物与本发明式(Ⅳ)、式(Ⅴ)所示化合物进行的酸碱中和反应。
本发明中，所述沉淀反应，具有特别的定义，由于所使用金属化合物、氨或胺类化合物，式(Ⅳ)、式(Ⅴ)所示化合物，以及产品中磺酸盐中S元素含量的不同等，所得到的本发明式(Ⅰ)所示化合物物理化学性质(比如：热稳定性、耐水性及是否影响阻燃材料的机械性能及透明性等)及其在反应体系中的溶解度各不相同，有些产品会直接以沉淀的方式从反应体系中分离出来，有时产品则需要通过结晶或重结晶的方式从反应体系中分离出来，结晶或重结晶的方法是化工行业熟知的方法。
本发明中，由式(Ⅰ)所示的含磷、含氮及含磺酸盐化合物的结构，可根据加入的同时含有环氧基团及含氮化合物原料的比例不同，得到含有环氧基团、含磷、含氮及含磺酸盐的可反应性阻燃剂产品。式(Ⅰ)所示化合物结构，不是单一结构，任何结构的删减或者合成原料的不同组合，金属元素及S元素含量(本文一般是指磺酸盐结构中的S元素)的变化等，所得到的式(Ⅰ)所示化合物在阻燃性、水溶性、熔融温度及所得阻燃材料的机械性能及透明性等性能也会变化，本发明者尽可能的在后续的实施例中进行详细阐述和说明，本领域技术人员应该了解，本技术发明的范畴并不局限于本发明实施例。
本发明提供了一种阻燃聚合物组合物，包括上述技术方案中任意一项所述的含磷、含氮及含磺酸盐化合物或上述技术方案中任意一项所述的制备方法所制备的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
在本发明中，所述阻燃聚合物组合物的聚合物基体优选包括聚碳酸酯、环氧树脂、聚苯醚、聚对苯二甲酸亚烷基酯、乙烯基聚合物、聚链烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和硅橡胶中的一种或多种，更优选为聚碳酸酯、环氧树脂、聚苯醚、聚对苯二甲酸亚烷基酯、乙烯基聚合物、聚链烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或硅橡胶。
在本发明中，所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物在聚合物组合物中的重量含量优选为0.01％～30％，更优选为0.1％～10％，更优选为0.1％～6％。
在本发明中，所述聚合物组合物中优选包括添加剂。
在本发明中，所述添加剂优选包括颜料、UV稳定剂、抗氧剂、抗滴落剂、热稳定剂、增强填料、扩链剂、着色剂和增韧剂中的一种或多种，更优选为颜料、UV稳定剂、抗氧剂、抗滴落剂、热稳定剂、增强填料、扩链剂、着色剂或增韧剂。
在本发明中，所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物作为聚合物组合物的阻燃剂，所述聚合物组合物中，优选包括其他阻燃剂或阻燃体系。
本发明提供的上述聚合物组合物，其包含至少一种聚合物基体，其分散有本发明所述的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
本发明中，所述聚合物基体，举例但不限于：如聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯等乙烯基聚合物，如聚乙烯、聚丙烯等聚链烯烃，如聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等聚对苯二甲酸亚烷基酯，如聚丙烯酸甲酯等聚丙烯酸酯，如聚甲基丙烯酸甲酯等聚甲基丙烯酸酯，聚苯醚，聚砜，聚碳酸酯，聚苯乙烯、尤其是高冲击强度聚苯乙烯，聚酰胺如尼龙6、尼龙66，聚酰亚胺，苯乙烯-丙烯腈共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物/聚碳酸酯共混物，聚苯乙烯/聚苯醚共混物，热塑性聚酯/聚碳酸酯共混物如对苯二甲酸丁二醇酯/聚碳酸酯共混物，硅橡胶，环氧树脂以及它们的混合物。
根据本发明，聚合物组合物中可以加入任何常规的添加剂，比如：颜料、UV稳定剂、抗氧剂、抗滴落剂、热稳定剂、增强填料、扩链剂、着色剂、增韧剂等。
本发明所述聚合物组合物，优选还含有阻燃剂，即优选是阻燃的聚合物组合物。所述阻燃性聚合物组合物具有改进的加工性能、分散性能、阻燃性能及力学性能。对于阻燃剂没有特别的限制，可以使用任何已知的聚合物组合物用阻燃剂体系。聚合物组合物所用阻燃剂可单一使用，也可以组合使用，比如将卤代芳族化合物、特别是溴化化合物和氧化锑的组合使用，具有协同阻燃的效果。
具体的，本发明通过将所述聚合物组合物挤出、注塑、吹塑及硫化等得到制品。
所述聚合物组合物的制备方法，可以采用任何已知的方法将组分混合。通常，有两个不同的混合步骤：预混和熔融混合。所述预混，就是将干组分相混合，一般采用转鼓混合机或带状掺和机进行预混，如需要，也可使用高剪切混合机制备该预混物；预混之后，通常是熔融混合。也可以不经过预混步骤，将原料中各组分直接添加到熔融混合装置的进料部分中。在熔融混合中，一般将聚合物组合物各组分在单螺杆或双螺杆挤出机中熔融混和，以标准技术挤出并切成模制物，比如，常规的颗粒、团粒等。然后将组合物在常规用于模制的任意设备，比如在注塑机中进行模制。
本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐基化合物不仅具有良好的耐水性及阻燃性，作为添加剂加入到聚合物组合物时，不会明显的导致聚合物组合物的力学性能下降，并且可根据含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物的结构和制备原料的变化，得到透明或非透明性阻燃性聚合物组合物制品。
本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，被证明对于增加聚合物组合物，特别是阻燃性聚合物组合物的阻燃性是特别有用的。该化合物不但能改善聚合物组合物阻燃性能，还能根据聚合物组合物的不同应用场合，制备出透明性或非透明性聚合物组合物制品，并且添加量更低，并且被证明特别适用于聚碳酸酯及其合金材料的阻燃。
本发明上述步骤提供了一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、在聚合物加工领域中的应用。该具有特定结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，本发明的含磷、含氮及含磺酸盐基化合物不仅具有良好的耐水性及阻燃性，作为添加剂加入到聚合物组合物时，不会明显的导致聚合物组合物的力学性能下降，并且可根据含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物的结构和制备原料的变化，得到透明或非透明性阻燃性聚合物组合物制品。本发明的含磷、含氮及含磺酸盐化合物，被证明对于增加聚合物组合物，特别是阻燃性聚合物组合物的阻燃性具有优异的效果。
本发明将10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，再与含有环氧基团及含氮的化合物进行加成反应后与金属化合物、氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应，得到含磷、含氮及含磺酸盐的化合物。本发明利用9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)及其衍生物中的苯环可磺化及P-H键可与含有环氧基团及含氮的化合物发生加成反应的特点，得到了这种新型的含磷、含氮及含磺酸盐的化合物。本发明提供的制备路线工艺简单，可控性强，原料易得，特别适合工业化生产和应用。本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物不仅具有较好的耐水性，还具有优异的阻燃性能，不但能改善聚合物组合物阻燃性能，还能根据聚合物组合物的不同应用场合，制备出透明性或非透明性聚合物组合物制品，并且添加量更低，并且被证明特别适用于聚碳酸酯及其合金材料的阻燃，在聚碳酸酯阻燃领域具有极高的工业应用价值。
实验结果表明，本发明提供的含磷、含氮及含磺酸盐化合物不仅具有较好的耐水性，还具有优异的阻燃性能，不但能改善聚合物组合物阻燃性能，还能根据聚合物组合物的不同应用场合，制备出透明性或非透明性聚合物组合物制品，并且添加量更低。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、一种阻燃聚合物组合物进行了详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
在本发明中，含磷、含氮及磺酸盐化合物中S元素含量测试采用紫外荧光测硫仪(型号WMTS-5000)测得，聚合物组合物的简支梁缺口冲击强度按照ISO179标准测试，燃烧试验按照UL 94标准规定的方法进行，透光率测试按照ASTMD1003标准测得。
式(Ⅳ)所示含磷、含磺酸基团化合物中间体的制备
将21.62g DOPO，20.81g氯仿加入到装有氮气保护，温度计，回流冷凝管，恒压滴液漏斗及机械搅拌的反应容器中，室温搅拌充分溶解后，于5℃下，将12.82g氯磺酸及15g氯仿混合物经恒压滴液漏斗缓慢滴加至反应容器中，控制反应温度不超过60℃，滴加结束后，于35℃下，反应1h，最后经减压抽除氯仿和氯化氢，得到含磷、含磺酸基团化合物中间体35.68g晶体，收率97％，其中DOPO：氯磺酸：氯仿摩尔比例为1：1.1：3。
实施例1
将7.41g(约0.025mol)含磷、含磺酸基团化合物中间体及20g乙醇加入到装有氮气保护，温度计，回流冷凝管，恒压滴液漏斗及机械搅拌的反应容器中，回流温度下，将2.53g(1：1.02)TGIC、50g乙醇、10g二氯乙烷及0.1g过氧化苯甲酰(BPO)混合物经恒压滴液漏斗缓慢滴加至反应容器中，滴加完毕后继续反应12h，冷却至室温后，经恒压滴液漏斗缓慢加入氢氧化钾与乙醇的混合溶液，调节反应体系pH为中性，50℃反应2.5h，最后经减压脱出溶剂及低沸后，经研磨后，得到含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物固体10.58g(理论10.89g)，收率97％，经荧光测硫仪测试，S元素质量含量为6.6％。
实施例2
将7.41g(约0.025mol)含磷、含磺酸基团化合物中间体及20g乙醇加入到装有氮气保护，温度计，回流冷凝管，恒压滴液漏斗及机械搅拌的反应容器中，回流温度下，将2.53g(1：1.02)TGIC、50g乙醇、10g二氯乙烷及0.1g过氧化苯甲酰(BPO)混合物经恒压滴液漏斗缓慢滴加至反应容器中，滴加完毕后继续反应12h，冷却至室温后，加入3.75g(3.68g，1：1.02)氨丙基二甲基甲氧基硅烷，50℃反应2.5h，最后经减压脱出溶剂后，得到含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物固体13.08g(理论13.69g)，收率96％，经元素分析仪测试，S元素质量含量为5.0％。
实施例3
将7.41g(约0.025mol)含磷、含磺酸基团化合物中间体及20g乙醇加入到装有氮气保护，温度计，回流冷凝管，恒压滴液漏斗及机械搅拌的反应容器中，回流温度下，将2.53g(1：1.02)TGIC、50g乙醇、10g二氯乙烷及0.1g过氧化苯甲酰(BPO)混合物经恒压滴液漏斗缓慢滴加至反应容器中，滴加完毕后继续反应12h，冷却至室温后，加入含有氯化钙约1.39g的乙醇溶液，50℃反应2h，得到悬浮液，最后经减压脱出溶剂及低沸物后或通过洗涤过滤，得到含磷、含氮及含磺酸盐基团化合物固体9.98g(理论10.42g)，收率96％，经元素分析仪测试，S元素质量含量为7.2％。
对比例1
在装有加样管、温度计、冷凝器、氮气保护装置的500ml三口瓶中加入108克DOPO及30克二甲基乙酰胺，通入氮气，搅拌并加热温度到150℃后，通过加样管混匀50.5克TGIC及2g过氧化苯甲酰，经6小时慢慢加入到三口瓶中，反应完成后，将溶剂蒸除，得到产品150.58，收率95％。
对比例2
将18.40g(0.1mol)的三聚氯氰加入装有100mL丙酮的四口烧瓶中，维持体系的温度在0～3℃，搅拌使其充分溶解。将13.78g(0.11mol)氨基乙磺酸、6.16g(0.11mol)氢氧化钾溶于100mL水中，然后缓慢的加入三聚氯氰的丙酮溶液中。反应过程中，用浓度1mol/L的氢氧化钾水溶液调节反应体系的pH值，使体系的pH值维持在8～9，反应3h。反应完成后，抽滤，用丙酮(50mL×3)、冰水(50mL×2)洗涤滤饼，常温下干燥得白色固体TCT-S。
将10.83g(0.05mol)的DOPO加入装有50mL去离子水的四口烧瓶中加入，加热到75℃，反应4h使DOPO充分水解，加入6.00g(0.06mol)的碳酸氢钾，待溶液澄清后加入1mol/L盐酸中和至中性。用旋转蒸发仪除去溶剂，并于80℃下干燥6h，得到白色粉末HAPP-K。
将5.45g(0.02mol)的HAPP-K加入装有100mL的去离子水的四口烧瓶中，将3.11g(0.01mol)的TCT-S溶于100mL去离子水中，并用恒压滴液漏斗将TCT-S的水溶液缓慢滴加到HAPP-K的水溶液中，维持体系温度在45℃左右，反应过程中用浓度为1mol/L的KOH的水溶液调节反应体系的pH值在9～10。当反应体系pH值不再变化时，将体系的温度逐渐升高至90℃，反应过程中用浓度为1mol/L的KOH的水溶液调节反应体系的pH值在9～10。当体系温度不再变化后，停止反应，趁热抽滤，并将滤液浓缩后，在真空干燥箱中干燥，得浅黄色固体。将得到的浅黄色固体溶于无水甲醇中，过滤除去不溶物，并向甲醇溶液中缓慢加入4倍于甲醇溶液体积的乙酸乙酯，并不断搅拌，静置15min后，减压抽滤，并用乙酸乙酯(50mL×3)洗涤滤饼，取滤饼烘干碾碎，得5.90g的白色固体粉末NPS-K。
实施例4
取实施例1、2、3各5g分别放入室温条件下及100℃条件下的10g水中，搅拌1分钟，实施例1、2部分溶解，实施例3几乎无溶解。
取背景技术下的对比例1，2样品各5g分别放入室温条件下及100℃条件下的10g水中，搅拌1分钟，对比例1无溶解，对比例2均全部溶解。
取市场上广泛使用的KSS、FR-2025磺酸盐阻燃剂5g分别放入室温条件下及100℃条件下的10g水中，搅拌1分钟，均全部溶解。
由此可见，本发明提供的含磷、含氮及磺酸盐化合物，对比市场上广泛使用的KSS、FR-2025阻燃剂及对比技术下的含磷、含氮及磺酸盐化合物，本发明提供的含磷、含氮及磺酸盐化合物具有更好的耐水溶解性。
实施例5～7和对比例3～7
将本发明实施例1～3制备的含磷、含氮及磺酸盐化合物以及对比例1～2制备的化合物，作为阻燃剂，再与常用阻燃剂和阻燃型基体进行性能对比检测。
将相应组分经混合机混合后，确认混合均匀后使用双螺杆挤出机挤出造粒，将所得粒料经注塑机注射成所需标准样条，最后进行相关标准测试。PC使用前，120℃下干燥4h。所使用双螺杆挤出机，其长径比为40，并带有精准的温控和真空排气设备，螺杆转速在100-700转/分钟，挤出工作温度为：一区230℃-260℃，二区230℃-270℃，三区230℃-270℃，四区240℃-280℃，停留时间1-2分钟。并对制备的聚合物组合物的透光率(成型80mm*40mm*3.2mm厚的板片，依照ASTM D1003)、阻燃性能及聚合物组合物样片经沸水蒸煮处理1h后的阻燃性能进行表征。
参见表1，表1为本发明实施例5～7和对比例3～7制备的聚合物组合物的配方及性能数据。
表1
Figure BDA0003440346300000281
Figure BDA0003440346300000291
其中，在实施例5～7和对比例3～7中制备如表1所示中，聚碳酸酯(PC)(来自SABIC)，ABS(来自奇美)和本发明的含磷、含氮及磺酸盐化合物、KSS、对比例中的含磷、含氮及磺酸盐化合物，含磷及含氮化合物的聚合物组合物。
根据表1测试结果可知，本发明的含磷、含氮及磺酸盐化合物阻燃剂可以根据所引入的磺酸盐种类的不同，制备出适合透明PC或本色非透明PC的V0阻燃，如实施例1，2产品阻燃的PC具有较高的透光率，实施例3产品则更适合本色非透明PC的阻燃。由于磷、氮和磺酸盐的协同阻燃效果，在相同添加量情况下，本发明的产品具有更好的阻燃效果，并且由于不同磺酸盐结构的引入，制备的阻燃性聚合物组合物具有更好的耐水析出性及阻燃持久性。
以上对本发明提供的一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物及其制备方法、在聚合物加工领域中的应用进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物，其特征在于，具有如式(I)所示的结构；
Figure FDA0003440346290000011
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
Figure FDA0003440346290000012
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述化合物包括阻燃剂；
所述化合物为固体；
所述M包括碱金属、碱土类金属和含氨基硅类化合物中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述R3与R4可形成饱和或不饱和的环状环；
所述环状环包括非取代的环状环或经C1～C6的烷基取代的环状环；
所述S元素在所述化合物中的质量百分含量为0.0001％～10％；
所述b为1。
4.一种含磷、含氮及含磺酸盐化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，含有环氧基团且含氮化合物进行加成反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1`)将DOPO或其衍生物，与磺化剂进行磺化反应后，得到具有式(IV)和/或式(Ⅴ)所示结构的含磷且含磺酸基团化合物；
2`)将上述步骤得到的含磷且含磺酸基团化合物，与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，再与，含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
或者：
1``)将DOPO或其衍生物，与含有环氧基团且含氮的化合物进行加成反应后，得到含磷且含氮化合物中间体；
2``)将上述步骤得到的含磷且含氮化合物中间体，与磺化剂进行磺化反应后，再与，金属化合物和/或氨/胺类化合物进行中和或沉淀反应后，得到具有式(I)所示结构的含磷、含氮及含磺酸盐化合物；
Figure FDA0003440346290000031
Figure FDA0003440346290000041
所述R2各自独立的选自-CH2-CH2＝CH-、-CH2-CH2-CH2-、-CH2-CH(CH3)-、-CH2-CH(CH3)-CH2-、-CH2-C(CH3)＝CH-、-CH2-CH2-O-C(O)-CH＝CH-、-CH2-CH(OH)-CH2-、-CH2-CH2-CH(OH)-或-CH2-CH(O)CH-，且至少包含-CH2-CH(OH)-CH2-或-CH2-CH2-CH(OH)-；
所述R1各自独立的选自H、式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示的结构，且至少一个选自式(Ⅱ)或式(Ⅲ)所示结构；
其中，所述a、b、c为取代基的个数，选自整数，且8≥b≥1，4≥a≥0，4≥c≥0，且7≥a+c≥0，a+b+c≤8；
所述M包括金属和/或，氨/胺类化合物；
所述R3、R4各自独立的选自卤素、硝基、C1～C15的烷基和C1～C15的烷氧基中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磺化剂包括浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸和三氧化硫中的一种或多种；
所述磺化反应的温度为0～150℃；
所述磺化反应的时间为0.5～10h。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含有环氧基团且含氮化合物包括异氰尿酸三缩水甘油酯、异氰尿酸二烯丙基一缩水甘油酯和异氰尿酸一烯丙基二缩水甘油酯中的一种或多种；
所述加成反应包括在催化剂的条件下进行加成反应；
所述催化剂包括酸性化合物、碱性化合物和有机过氧化物中的一种或多种；
所述酸性化合物包括甲基苯磺酸、甲基萘磺酸、冰醋酸和联苯磺酸中的一种或多种；
所述碱性化合物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨、脂肪胺、取代脂肪胺、芳胺、取代芳胺和氨基取代烷基硅烷中的一种或多种；
所述有机过氧化物包括过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化环己酮和过氧化甲乙酮中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加成反应的温度为50～160℃；
所述加成反应的时间为2～25h；
所述加成反应的原料中还包括加成反应溶剂；
所述加成反应溶剂包括苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基亚砜和N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属化合物包括在溶剂中电离出金属离子的金属化合物；
所述金属化合物包括碱金属化合物、碱土类金属化合物、硫酸铝和硝酸铝中的一种或多种；
所述氨/胺类化合物包括氨、脂肪氨、芳香胺、取代脂肪胺、取代芳香胺和含氨基硅类化合物中的一种或多种；
所述含氨基硅类化合物包括氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、氨丙基甲基聚硅氧烷和氨丙基甲基苯基聚硅氧烷中的一种或多种。
9.一种阻燃聚合物组合物，其特征在于，包括权利要求1～3任意一项所述的含磷、含氮及含磺酸盐化合物或权利要求4～8任意一项所述的制备方法所制备的含磷、含氮及含磺酸盐化合物。
10.根据权利要求9所述的阻燃聚合物组合物，其特征在于，所述阻燃聚合物组合物的聚合物基体包括聚碳酸酯、环氧树脂、聚苯醚、聚对苯二甲酸亚烷基酯、乙烯基聚合物、聚链烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚砜、聚酰胺、聚酰亚胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和硅橡胶中的一种或多种；
所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物在聚合物组合物中的重量含量为0.01％～30％；
所述聚合物组合物中还包括添加剂；
所述添加剂包括颜料、UV稳定剂、抗氧剂、抗滴落剂、热稳定剂、增强填料、扩链剂、着色剂和增韧剂中的一种或多种；
所述含磷、含氮及含磺酸盐化合物作为聚合物组合物的阻燃剂，所述聚合物组合物中，还包括其他阻燃剂或阻燃体系。
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