CN115785526A - 一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：将哌嗪和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，之后加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将收集得到的磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得哌嗪聚磷酸铝粉末；将三聚氰胺和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得三聚氰胺聚磷酸铝粉末；将哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末混合均匀，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂。本发明提供的阻燃剂不仅具有优异的阻燃性能，且在高温高湿条件下也很难从聚合物基体中透失和析出，可以长期保持阻燃级别。

Description

一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻燃技术领域，具体涉及一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂及其制备方法。

背景技术

目前，聚烯烃材料应用广泛但其容易燃烧且燃烧发热量大，产生的熔滴又极易传播火焰，提高其阻燃性是急迫需要解决的难题。添加阻燃剂是提高聚烯烃材料的主要方法。传统含卤阻燃剂具有一定的阻燃效果，但是会产生大量有毒烟雾和腐蚀性刺激性气体，随着环保压力增大，新型绿色无卤环保阻燃剂必将成为今后研究开发的热点，并且随着下游市场需求的增加，我国无卤环保阻燃剂行业将会迎来一个繁荣发展的时期。

膨胀型阻燃剂是以磷、氮、碳为主要组成的阻燃剂，其无卤、无毒、低烟、无腐蚀性气体排放，不仅更有利于火灾救助，还更加环保。膨胀型阻燃剂是将酸源、碳源和气源类物质按一定的配比，组合成有效的阻燃复合物。含有膨胀型阻燃剂的高聚物受热时，表面能生成一层均匀的炭质泡沫，炭质泡沫层隔热、隔氧、抑烟，并能防止产生熔滴，从而产生良好的阻燃性能，特别对于聚乙烯PE、聚丙烯PP、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS等聚烯烃材料以及热可塑性弹性体TPE，具有非常重要的意义。

目前用于聚烯烃以及TPE材料体系的膨胀型阻燃剂包括混合型膨胀型阻燃剂和单一组分膨胀型阻燃剂。混合型膨胀型阻燃剂由酸源、炭源、气源三种物质通过复配组成，调节其配比可组成不同阻燃效果的混合型膨胀阻燃剂，常见的配比为酸源、炭源、气源以3：1：1的质量比复配混合得到的阻燃剂阻燃效果最佳。目前最常作为酸源的是聚磷酸铵APP、磷酸铵镁和硼酸锌；最常作为炭源的为多羟基化合物如季戊四醇PER、甘露醇、聚酰胺、淀粉等；气源主要有三聚氰胺MA、双氰胺、硼酸胺、氯化石蜡等。混合型膨胀型阻燃剂存在的问题主要包括以下方面(1)相容性很差。阻燃剂组分与大多数聚烯烃及TPE树脂的相容性很差，进而使得聚合物的力学性能大幅下降，尤其是拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度，往往导致工程上难以应用；(2)易吸潮。聚磷酸铵APP、季戊四醇PER有一定的吸水性，并且容易进行醇解反应，制得的阻燃聚合物易吸潮，导致阻燃失效。单一组分膨胀型阻燃剂是集酸源、炭源、气源于一体的“三位一体”膨胀阻燃剂，同一个分子结构中包含了酸源、炭源、气源，分为环状、笼状及非环非笼三大类。环状单一组分膨胀型阻燃剂主要是以季戊四醇磷酸酯或新戊二醇磷酸酯为主，笼状单一组分膨胀型阻燃剂主要是1-氧代-4-羟甲基-2,6,7-三氧杂-1-磷杂双环[2.2.2]辛烷PEPA为中间体的一系列笼状化合物，非环非笼类单一组分膨胀型阻燃剂由于热稳定温度稍低，难以承受一般聚合物200℃以上的加工温度，因此很少有研究报道。在实际使用时，单一组分膨胀型阻燃剂在树脂相容性上相较于混合型膨胀型阻燃剂有了很大改善，吸湿性也降低较多，但由于单一组分膨胀型阻燃剂中三源比例较最优的三源比例有较大的差距，因此其阻燃效率较低，国内外形成商品化的产品较少。

综上所述，目前不论是混合型还是单一组分膨胀型阻燃剂，其用于聚烯烃及TPE材料时在析出实验中，测试表现很差，即阻燃树脂不耐水煮、不耐高温高湿。究其原因，现有的磷氮膨胀阻燃剂具有一定的水溶解度，在高温高湿或水煮条件下，阻燃剂从树脂中被洗脱，从而在表面析出或脱除，导致阻燃失效。而且现有的磷氮膨胀阻燃剂均呈现一定的酸性，其在树脂加工时对加工设备和模具有一定的腐蚀性，影响了磷氮膨胀阻燃剂的大规模推广使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂及其制备方法，该膨胀阻燃剂不仅阻燃效率高，且在高温高湿或水煮条件下低析出，可解决混合型膨胀型阻燃剂相容性差、易吸湿的缺点，相较单一组分膨胀型阻燃剂阻燃效率大大提高，本发明制得的磷氮膨胀阻燃剂用于聚烯烃及TPE树脂中，在较少添加量的条件下制得的材料的阻燃性能可达UL94-V0标准。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将哌嗪和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，之后加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将收集得到的磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得哌嗪聚磷酸铝粉末；

(2)将三聚氰胺和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，之后加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将收集得到的磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得三聚氰胺聚磷酸铝粉末；

(3)将哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末混合均匀，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂。

作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述哌嗪、磷酸、氢氧化铝的摩尔比为1：(1-3)：(0.1-1)。

作为上述技术方案的优选，步骤(1)、步骤(2)中升温搅拌反应的温度为40-85℃，时间为0.5-5h。

作为上述技术方案的优选，步骤(1)、步骤(2)中，所述干燥脱水缩合的温度为200-300℃，时间为0.5-5h。

作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述三聚氰胺、磷酸、氢氧化铝的摩尔比为1：(1-3)：(0.1-1)。

作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述哌嗪聚磷酸铝粉末、三聚氰胺聚磷酸铝粉末的质量比为1：9～9：1。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明以哌嗪、磷酸、氢氧化铝为原料制备哌嗪聚磷酸铝，以三聚氰胺、磷酸、氢氧化铝为原料制备三聚氰胺聚磷酸铝，上述制备方法简单，制备过程中没有添加有机溶剂，污染低、能耗低，更加经济环保。

(2)本发明将制得的哌嗪聚磷酸铝和三聚氰胺聚磷酸铝以一定的比例复配得到磷氮膨胀阻燃剂，该产品为中性，无腐蚀性，使用更加安全，其阻燃效率高，在聚烯烃及TPE树脂中较低添加量就能达到阻燃UL94-V0标准。

(3)本发明制备的哌嗪聚磷酸铝和三聚氰胺聚磷酸铝混合组成磷氮膨胀阻燃剂，膨胀型阻燃剂包括脱水剂为酸源、成炭剂为炭源、膨胀剂为气源，而对于本发明制得的膨胀阻燃剂脱水剂为磷酸铝盐，成炭剂为哌嗪部分，膨胀剂为三聚氰胺部分；将其添加到树脂中，火焰点燃树脂时，膨胀型阻燃剂受热，哌嗪部分在磷酸铝盐作用下生成酯类化合物，随后酯类化合物继续脱水交联形成炭化物，炭化物在三聚氰胺部分作用下受热分解产生的气体，形成蓬松封闭发泡结构的炭层，该炭层为无定形炭结构，非常难燃，并可阻止聚合物与热源间的热传导，抑制下层聚合物基体的降解和燃烧，另外多孔炭层可以阻止气体扩散，阻止聚合物热解产生的可燃气体扩散，同时阻止外部氧气扩散到未裂解聚合物表面，当燃烧得不到足够的氧气和热能时，燃烧的聚合物就会自熄，从而起到阻燃的作用。相对于现有技术的哌嗪磷酸、三聚氰胺磷酸盐和聚磷酸铵，本发明的哌嗪聚磷酸铝和三聚氰胺聚磷酸铝混合物为中性而不是酸性，对聚合物树脂加工机器没有腐蚀性，使用更加安全。本发明的阻燃剂其中酸源、炭源、气源的比例更合理，使其阻燃效率高，在聚烯烃及TPE材料中添加量低，特别是在PP树脂中添加15％-20％就能使PP树脂达到阻燃UL94-V0标准。

(4)现有技术的磷氮膨胀阻燃剂水溶解度高、吸湿性强，主要原因是磷酸铵、磷酸哌嗪等磷酸盐的水溶解性太好，亲水性强，在高温高湿环境中容易从聚合物基体中被水带走和析出，导致放置一段时间后阻燃下降，而本发明提供的膨胀型磷氮阻燃剂在制备中加入氢氧化铝引入铝盐，其水溶解度很低，不吸湿，改善了现有磷氮膨胀阻燃剂的吸湿性和酸性，在高温高湿条件下也很难从聚合物基体中透失和析出，可以长期保持阻燃级别。

具体实施方式

下面结合实施例进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

下述实施例中，如无特别说明，原料均通过商业途径购买。

其中，85％磷酸、无水哌嗪、六八哌嗪、三聚氰胺、氢氧化铝购自阿拉丁试剂(上海)有限公司。

如无特别说明，实施例中反应均为室温下进行。

实施例1

S1：称取86.14克无水哌嗪(1mol)和230.58克85％磷酸(2mol)加入到三口烧瓶中，升温至40℃搅拌反应2小时，之后加入39.0克氢氧化铝(0.5mol)继续搅拌进行中和反应，1小时后反应结束，停止加热，将混合物倒出进行过滤，将收集得到的滤饼放置于干燥箱中进行干燥脱水2小时，干燥温度200℃，缩合成为聚磷酸盐，降温取出后通过气流粉碎制得哌嗪聚磷酸铝粉末约270克；

S2：将126.15克三聚氰胺(1mol)和115.29克85％磷酸(1mol)加入到三口烧瓶中，升温至70℃搅拌反应2小时，之后加入39.0克氢氧化铝(0.5mol)进行中和反应，1小时后反应结束，停止加热，将混合物倒出进行过滤，将收集得到的滤饼放置于干燥箱中进行干燥脱水2小时，干燥脱水温度280℃，缩合成为聚磷酸盐，降温取出后通过气流粉碎制得三聚氰胺聚磷酸铝粉末；

S3：将哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末按照6：4的质量比混合均匀，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C1。

实施例2

本实施例采用126.68克六八哌嗪(1mol)替代实施例1中的86.14克无水哌嗪，其他条件和实施例1相同，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C2。

实施例3

本实施例将实施例1的S1中搅拌反应设置为80℃，其他条件和实施例1相同，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C3。

实施例4

本实施例将实施例1的S2中干燥脱水温度设置为250℃，其他条件和实施例1相同，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C4。

实施例5

本实施例将实施例1的S3中哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末的混合质量比设置为9：1，其他条件和实施例1相同，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C5。

实施例6

本实施例将实施例1的S3中哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末的混合质量比设置为1：9，其他条件和实施例1相同，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，记为C6。

对比例1

市售阻燃剂D1(焦磷酸哌嗪与三聚氰胺聚磷酸盐以质量比为6：4组成的混合物)。

对比例2

将市售阻燃剂D2(聚磷酸铵、三聚氰胺聚磷酸盐与季戊四醇以质量比为3：1：1组成的混合物⁾。

应用实施例

将上述实施例1至6制得的低析出高效磷氮膨胀阻燃剂C1-C6以及对比例1-2提供的市售阻燃剂D1、D2分别按15％、20％、25％的添加量与PP聚丙烯进行共混、挤出、切粒，得到添加阻燃剂的树脂粒子。使用注塑机对添加阻燃剂的树脂粒子进行1.6mm样条注塑。将一部分样条按照可燃性UL94标准测试方法进行阻燃性能测试，将另一部分样条放置于恒温恒湿箱中在温度为85℃、湿度为85％下进行高温高湿析出测试，观察168小时后样条的表面析出情况。

将上述实施例1至6制得的低析出高效磷氮膨胀阻燃剂C1-C6以及对比例1-2提供的市售阻燃剂D1、D2分别放置于恒温恒湿箱中按照国标GBT16913-2008粉尘物性试验方法第六部分吸湿性测试的方法测试样品在温度85℃、湿度85％下的吸湿率。

测试结果如表1所示。

表1

从表1测试结果可以看出，PP基体树脂中添加本发明制得的低析出高效磷氮膨胀阻燃剂在15-20％的添加量下就达到UL94测试最高V0级别，而对比例的阻燃剂在15％添加量下没有阻燃级别，对比例1中的D1需要添加到25％才能达到V0级别，对比例2中的D2即使添加到25％也只能达到V1级别，相比较之下，本发明提供的磷氮膨胀阻燃剂阻燃性能更为优异。

从高温高湿析出测试可以看出在15-25％添加量下，PP树脂添加本发明制得的低析出高效磷氮膨胀阻燃剂均未出现表面析出现象，因为本发明提供的阻燃剂水溶性极低，不会在高温高湿情况下被带出树脂，而对比例的阻燃剂在此条件下析出明显，而且添加量越大析出越明显，组分中含有聚磷酸铵的对比例2的D2因为聚磷酸铵的水溶性较高，所以D2的析出比D1还要严重。

吸湿性测试结果也与高温高湿析出测试相对应，样品C1-C6的168小时吸湿率均在1％以下，而D1、D2的吸湿率均在10％以上，差距十分明显，显示本发明的阻燃剂吸湿性极低，这给阻燃剂产品提供了使用前更长的保质时间和使用后有效保持阻燃性能的功效时间。

此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将哌嗪和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，之后加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将收集得到的磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得哌嗪聚磷酸铝粉末；

(2)将三聚氰胺和磷酸加入到反应器内升温搅拌反应，之后加入氢氧化铝进行中和反应，反应结束后过滤，将收集得到的磷酸盐沉淀进行干燥脱水缩合成为聚磷酸盐，最后粉碎制得三聚氰胺聚磷酸铝粉末；

(3)将哌嗪聚磷酸铝粉末和三聚氰胺聚磷酸铝粉末混合均匀，得到低析出高效磷氮膨胀阻燃剂。

2.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述哌嗪为无水哌嗪、六八哌嗪中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述哌嗪、磷酸、氢氧化铝的摩尔比为1：(1-3)：(0.1-1)。

4.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(2)中，升温搅拌反应的温度为40-85℃，时间为0.5-5h。

5.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)、步骤(2)中，所述干燥脱水缩合的温度为200-300℃，时间为0.5-5h。

6.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述三聚氰胺、磷酸、氢氧化铝的摩尔比为1：(1-3)：(0.1-1)。

7.根据权利要求1所述的一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述哌嗪聚磷酸铝粉末、三聚氰胺聚磷酸铝粉末的质量比为1：9～9：1。

8.一种低析出高效磷氮膨胀阻燃剂，其特征在于，由权利要求1至7任一所述的方法制得。