CN115353668B - 一种无卤抑烟型阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

一种无卤抑烟型阻燃剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及阻燃剂技术领域，具体公开了一种无卤抑烟型阻燃剂，所述无卤抑烟型阻燃剂由以下重量份的组分组成：无卤阻燃剂100份，含钼硅烷偶联剂1~5份。本发明的无卤抑烟型阻燃剂，具有优异的抑烟特性，可以提高钼化合物的利用率；与高分子材料具有较好的相容性，无需额外填加表面处理剂，能够减小阻燃剂对高分子材料力学性能的影响，同时降低成本；可应用于聚氯乙烯、丁腈橡胶、聚苯乙烯和不饱和树脂等高分子材料。

Description

一种无卤抑烟型阻燃剂及其制备方法
技术领域
本发明属于阻燃剂技术领域，特别涉及一种无卤抑烟型阻燃剂及其制备方法。
背景技术
近年来，合成高分子材料因其优异的特性，发展非常迅速，然而，大部分合成高分子材料易燃，且燃烧时产生大量的烟尘和有害气体，造成环境污染，难以满足日益严苛的环保要求，导致其在一些领域的应用受到限制。因此，为了改善高分子材料易燃的缺点，拓展其应用领域，满足人们日常生活安全的需求，环保抑烟型阻燃剂成为目前阻燃领域研究的重点。常用的环保型阻燃剂包括金属氧化物、金属氢化物、硼酸盐等无机阻燃剂都表现出良好的抑烟效果，其中，钼系化合物(如三氧化钼)是迄今为止具有最好抑烟效果的抑烟型阻燃剂，其特点不是由于“促进燃烧”而消烟，而是不损害材料阻燃性的同时达到低发烟的目的，但其价格较高，在工业使用中受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无卤抑烟型阻燃剂及其制备方法，无卤抑烟型阻燃剂具有优异的抑烟特性，能够提高钼化合物的利用率。
为实现上述目的，本发明提供了一种无卤抑烟型阻燃剂，由以下重量份的组分组成：无卤阻燃剂100份，含钼硅烷偶联剂1～5份。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述无卤阻燃剂为氢氧化镁、水镁石、氢氧化铝或水滑石中的一种或多种。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述含钼硅烷偶联剂的结构式为：
Figure BDA0003769676470000011
其中，R2为饱和烷基，碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述含钼硅烷偶联剂的合成路线为：
I：
Figure BDA0003769676470000021
II：
Figure BDA0003769676470000022
III：
Figure BDA0003769676470000023
其中，R1为饱和烷基基团，碳链长度为C1-C6；R2为饱和烷基，其碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述含钼硅烷偶联剂的合成方法包括以下步骤：
(1)将氯丙基烷氧基硅烷滴加入氨基甲酸酯中，在90～150℃下，反应3～8h，提纯后得到氨基甲酸酯基烷氧基硅烷；
(2)在步骤(1)得到的氨基甲酸酯基烷氧基硅烷中加入二乙醇胺，在110～150℃下搅拌2～5h；降至室温，加入三氧化钼、甲苯、N,N－二甲基甲酰胺，在115～120℃下回流反应3～8h，过滤，分离得到含钼硅烷偶联剂。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述步骤(1)中，氯丙基烷氧基硅烷与氨基甲酸酯的摩尔比为1:10～10:1。
优选的，上述无卤抑烟型阻燃剂中，所述步骤(2)中，二乙醇胺与氨基甲酸酯基烷氧基硅烷的摩尔比为1.1:1～1.5:1，三氧化钼与氨基甲酸酯基烷氧基硅烷的摩尔比为1.1:1～1.5:1。
一种上述的无卤抑烟型阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：
S1.将无卤阻燃剂加入高速搅拌机中，升温至50～90℃，开启搅拌，搅拌速度为100～800r/min，搅拌5～15min；
S2.按比例加入含钼硅烷偶联剂，搅拌速度调为100～1500r/min，继续搅拌5～30min；然后在鼓风干燥箱中，温度调整为90～120℃，干燥1～5h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明的无卤抑烟型阻燃剂，具有优异的抑烟特性，可以提高钼化合物的利用率；与高分子材料具有较好的相容性，无需额外填加表面处理剂，提高性能的同时降低成本。
2.本发明的无卤抑烟型阻燃剂，通过常规氨基硅烷偶联剂和三氧化钼反应得到含钼硅烷偶联剂，其对无卤阻燃剂进行表面处理时，含钼硅烷偶联剂可以在分子层面均匀包覆在无卤阻燃剂的表面，与常规三氧化钼和无机粉体混合后再进行表面处理相比，能够提高抑烟效果，提高钼化合物的利用率；同时有利于提高阻燃剂与高分子材料的相容性，减小阻燃剂对高分子材料力学性能的影响，相比直接添加三氧化钼和硅烷偶联剂的高分子材料，添加本发明的无卤抑烟型阻燃剂的高分子材料的拉伸强度和断裂伸长率都有明显的提高。
3.本发明的无卤抑烟型阻燃剂的制备方法，制备工艺简单、环保、成本低，制得的无卤抑烟型阻燃剂可应用于聚氯乙烯、丁腈橡胶、聚苯乙烯和不饱和树脂等高分子材料。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。以下实施例中含钼硅烷偶联剂的合成路线为：
I：
Figure BDA0003769676470000031
II：
Figure BDA0003769676470000032
III：
Figure BDA0003769676470000033
其中，R1为饱和烷基基团，碳链长度为C1-C6；R2为饱和烷基，其碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3。
实施例1
一种无卤抑烟型阻燃剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化铝(D50＝30μm)100份，含钼硅烷偶联剂5份。
含钼硅烷偶联剂结构式为：
Figure BDA0003769676470000041
含钼硅烷偶联剂的合成方法包括以下步骤：
(1)在无水或低水分(水分质量含量小于0.1％)环境中，将氯丙基三甲氧基硅烷滴加入氨基甲酸甲酯中，氯丙基三甲氧基硅烷与氨基甲酸甲酯的摩尔比为1:1，在100℃下，反应5h，提纯后得到氨基甲酸甲酯基烷氧基硅烷；
(2)在步骤(1)得到的氨基甲酸甲酯基烷氧基硅烷中加入二乙醇胺，二乙醇胺与氨基甲酸甲酯基烷氧基硅烷的摩尔比为1.2:1，在120℃下搅拌4h；降至室温，加入三氧化钼、甲苯、N,N－二甲基甲酰胺，三氧化钼与氨基甲酸甲酯基烷氧基硅烷的摩尔比为1.2:1，氨基甲酸甲酯基烷氧基硅烷与甲苯、N,N－二甲基甲酰胺摩尔体积比为1mmol:5ml:0.01ml，在120℃下回流反应5h，过滤，分离得到含钼硅烷偶联剂。
本实施例的无卤抑烟型阻燃剂制备方法，包括以下步骤：
S1.在高速搅拌机中加入氢氧化铝(D50＝30μm)，升温至90℃，在搅拌速度为300r/min下搅拌10min；
S1.按比例加入含钼硅烷偶联剂，调节搅拌速度为1000r/min，继续搅拌30min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为120℃，保温3h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
实施例2
一种无卤抑烟型阻燃剂，由以下重量份的组分组成：水滑石(D50＝10μm)100份，含钼硅烷偶联剂3份。
含钼硅烷偶联剂结构式为：
Figure BDA0003769676470000042
含钼硅烷偶联剂的合成方法与实施例1不同之处在于采用氯丙基甲基二丙氧基硅烷替换氯丙基三甲氧基硅烷，其他步骤和参数与实施例1相同。
本实施例的无卤抑烟型阻燃剂制备方法，包括以下步骤：
S1.在高速搅拌机中加入水滑石(D50＝10μm)，升温至50℃，在搅拌速度为500r/min下搅拌5min；
S1.按比例加入含钼硅烷偶联剂，调节搅拌速度为800r/min，继续搅拌5min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为90℃，保温5h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
实施例3
一种无卤抑烟型阻燃剂，由以下重量份的组分组成：水镁石(D50＝5μm)100份，含钼硅烷偶联剂1份。
含钼硅烷偶联剂结构式为：
Figure BDA0003769676470000051
含钼硅烷偶联剂的合成方法与实施例1不同之处在于采用氯丙基己基二甲氧基硅烷替换氯丙基三甲氧基硅烷，其他步骤和参数与实施例1相同。
本实施例的无卤抑烟型阻燃剂制备方法，包括以下步骤：
S1.在高速搅拌机中加入水镁石(D50＝5μm)，升温至70℃，在搅拌速度为100r/min下搅拌15min；
S1.按比例加入含钼硅烷偶联剂，调节搅拌速度为1000r/min，继续搅拌20min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为100℃，保温1h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
实施例4
一种无卤抑烟型阻燃剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化镁(D50＝1μm)100份，含钼硅烷偶联剂5份。
含钼硅烷偶联剂结构式为：
Figure BDA0003769676470000052
含钼硅烷偶联剂的合成方法与实施例1不同之处在于采用氯丙基二丙基乙氧基硅烷替换氯丙基三甲氧基硅烷，其他步骤和参数与实施例1相同。
本实施例的无卤抑烟型阻燃剂制备方法，包括以下步骤：
S1.在高速搅拌机中加入氢氧化镁(D50＝1μm)，升温至90℃，在搅拌速度为800r/min下搅拌15min；
S1.按比例加入含钼硅烷偶联剂，调节搅拌速度为1500r/min，继续搅拌30min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为120℃，保温5h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
对比例1
本对比例的阻燃剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化铝(D50＝30μm)100份，三氧化钼1.65份，γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)3.35份。
本对比例的阻燃剂的制备方法为：在高速搅拌机中分别加入氢氧化铝(D50＝30μm)和三氧化钼，升温至90℃，在搅拌速度为300r/min下搅拌10min；加入KH540，调节搅拌速度为1000r/min，继续搅拌30min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为120℃，保温3h，得到阻燃剂。
对比例2
本对比例的阻燃剂，由以下重量份的组分组成：氢氧化铝(D50＝30μm)100份，γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)2份。
本对比例的阻燃剂的制备方法为：在高速搅拌机中加入氢氧化铝(D50＝30μm)，升温至90℃，在搅拌速度为300r/min下搅拌10min；加入KH540，调节搅拌速度为1000r/min，继续搅拌30min；然后在鼓风干燥箱中，调节温度为120℃，保温3h，得到阻燃剂。
将实施例1～4的无卤抑烟型阻燃剂和对比例1～2的阻燃剂分别与聚氯乙烯(PVC)颗粒、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、钙锌稳定剂按照表1中的配比加入开炼机中熔融混合后，在平板硫化机中压片，得到PVC材料样条。对制得的PVC材料板烟密度等级、极限氧指数等性能指标进行测试，烟密度等级参照标准GB/T 8627-2007建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法进行测试；阻燃等级参照美国《UL94防火标准》提供的方法用UL94常规型水平垂直燃烧仪测试；拉伸强度和断裂伸长率参照GB/T1040-1992《塑料拉伸性能试验方法》，采用拉力试验机(德国Zwick公司，ZwickZ010型)测试拉伸强度和断裂伸长率。具体测试结果见表2。
表1实验样品的质量配方
Figure BDA0003769676470000071
由表2可以看出，样品1与对比样1相比，烟密度等级明显下降，说明本发明的抑烟型阻燃剂中含钼硅烷偶联剂在分子层面均匀包覆在无卤阻燃剂的表面，与三氧化钼和无机阻燃剂简单混合相比，提高了钼化合物的利用率，充分发挥其抑烟特性，抑烟效果更好；拉伸强度和断裂伸长率都有明显提高，说明本发明的抑烟型阻燃剂与PVC材料具有更好的相容性。样品1与对比样2相比，极限氧指数明显增加，烟密度等级大幅下降，说明本发明制备的抑烟型阻燃剂与普通无机阻燃剂相比，阻燃抑烟效果更优。
表2不同PVC材料样条的性能测定结果
Figure BDA0003769676470000072
Figure BDA0003769676470000081
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，由以下重量份的组分组成：无卤阻燃剂100份，含钼硅烷偶联剂1~5份；所述含钼硅烷偶联剂的结构式为：
Figure QLYQS_1
其中，R2为饱和烷基，碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3。
2.根据权利要求1所述的无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，所述无卤阻燃剂为氢氧化镁、水镁石、氢氧化铝或水滑石中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，所述含钼硅烷偶联剂的合成路线为：
Figure QLYQS_2
其中，R1为饱和烷基基团，碳链长度为C1-C6；R2为饱和烷基，碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3。
4.根据权利要求3所述的无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，所述含钼硅烷偶联剂的合成方法包括以下步骤：
（1）将具有结构式一的化合物滴加入氨基甲酸酯中，在90~150℃下，反应3~8h，提纯后得到氨基甲酸酯基烷氧基硅烷；所述结构式一为：R2 aSiX(3-a)-(CH2)3-Cl，其中R2为饱和烷基，碳链长度为C1-C6；a为0到3的整数；X为饱和烷氧基基团，碳链长度为C1-C3；
（2）在步骤（1）得到的氨基甲酸酯基烷氧基硅烷中加入二乙醇胺，在110~150℃下搅拌2~5h；降至室温，加入三氧化钼、甲苯、N,N－二甲基甲酰胺，在115~120℃下回流反应3~8h，过滤，分离得到含钼硅烷偶联剂。
5.根据权利要求4所述的无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，所述步骤（1）中，氯丙基烷氧基硅烷与氨基甲酸酯的摩尔比为1:10~10:1。
6.根据权利要求4所述的无卤抑烟型阻燃剂，其特征在于，所述步骤（2）中，二乙醇胺与氨基甲酸酯基烷氧基硅烷的摩尔比为1.1:1~1.5:1。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的无卤抑烟型阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将无卤阻燃剂加入高速搅拌机中，升温至50~90℃，开启搅拌，搅拌速度为100~800r/min，搅拌5~15min；
S2.按比例加入含钼硅烷偶联剂，搅拌速度调为100~1500r/min，继续搅拌5~30min；然后在鼓风干燥箱中，温度调整为90~120℃，干燥1~5h，得到无卤抑烟型阻燃剂。
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