CN117777192A - 一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂及其制备方法和应用，所述方法包括如下：通过水杨醛和硼酸单乙醇胺反应得到含硼席夫碱，然后通过次磷酸类物质上的P‑H和含硼席夫碱上的‑C＝N‑发生加成反应，制得磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂。该阻燃剂中含有多个‑OH，‑NH‑等基团，能在高分子材料中达到分子级分散，发挥高效阻燃作用。而且其具有气相凝聚相双相阻燃效果：在气相，发挥稀释、自由基捕捉作用；在凝聚相，可促进成炭并发挥阻隔效应。此外由于硼元素的引入，可以发挥磷硼协效阻燃效果，提高阻燃效率。该磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂应用前景广泛，可应用于聚氨酯和环氧树脂的阻燃改性。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂及其制备方法和应用。
背景技术
席夫碱(schiff base)是一种含有亚胺基团-C＝N-的一类有机化合物，通过伯胺和羰基化合物脱水缩合而成，公开号为CN 106496065 A、CN 106748879 A和CN 106496065A的专利,分别公开了邻苯二胺席夫碱、对硝基苯甲醛席夫碱、芳基席夫碱的制备方法，可以看出席夫碱化合物合成过程步骤简单，反应条件容易控制，且产率较高；亚胺基团为平面三角形结构，N原子属于sp2杂化，具有孤对电子，且其杂化轨道易发生变形，使得席夫碱及其衍生物在材料改性领域有广泛应用。近年来，席夫碱类化合物开始被广泛地应用在阻燃材料领域，公开号为CN 108948348 A、CN 108794745 A、CN 109111571 A和CN 109111570 A的专利公开了三嗪类席夫碱阻燃剂和含磷席夫碱阻燃剂的合成；专利号CN 113337006A和CN113264960 A公开了通过9,10-二氢-9-氧-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)上的活泼氢和席夫碱反应得到含磷席夫碱衍生物阻燃剂，而次磷酸盐类阻燃剂作为磷系阻燃剂的一种具有高效、低烟、无毒、无卤等优点，在阻燃领域有着广泛地应用，如德国科莱恩公司申请美国专利US7635785(2009)中公开的二乙基次磷酸铝(ADP)和Monsanto公司申请美国专利US4081463(1978)中公开的2-羧乙基苯基次磷酸(CEPPA)等。
硼系阻燃剂一般具有热稳定性好，低毒，抑烟等特点，常常和磷氮系阻燃剂复配使用，并且发挥着优异的阻燃效果。公开号为CN 114671916 A的专利公开公开了一种反应型磷氮硼协效阻燃剂及其制备方法，根据阻燃剂在棉织物上的阻燃效果，发现该阻燃剂具有高效，成炭性好，优异的抑烟性能。公开号为CN 112720748A的专利提出将八硼酸二钠和无机磷氮化合物按比例复配作为木材的阻燃剂使用，其阻燃效果明显优于工业上常用的胺基磷酸盐类化合物，而且成本较低。在已有的研究中，通过化学反应将含硼席夫碱和次磷酸类结合到一种分子上的研究尚未报道；本申请通过水杨醛、硼酸单乙醇胺和次磷酸类物质作为反应物，合成制备了一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术不足，提供一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，该阻燃剂可在高分子材料中分子级分散，发挥高效阻燃作用，在气相，一方面可通过酚羟基与胺基燃烧释放水和氨气发挥稀释作用，另一方面，其中次磷酸类物质燃烧释放磷氧自由基发挥自由基捕捉作用；在凝聚相，一方面，其中次磷酸类物质和硼酸类物质促进材料成炭，在凝聚相发挥阻燃效果，另一方面，燃烧过程中裂解产生酚类物质和醛类物质可在受热过程中继续通过加成反应得到酚醛树脂，可在凝聚相中发挥出色的阻隔效应。
本发明的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的化学结构如结构式(Ⅰ)所示：
R1为
本发明的另一个目的是提供一种上述磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法。
该制备方法包括步骤如下：
步骤(1).将水杨醛(如结构式Ⅱ所示)的质子性有机溶剂加入到硼酸单乙醇胺(如结构式Ⅲ所示)的质子性有机溶剂中，在惰性气体的保护下，60～80℃下搅拌2～4个小时。
步骤(2).将次磷酸类物质的质子性有机溶剂加入到步骤(1)反应后的质子性有机溶剂中，在惰性气体的保护下，60～80℃下搅拌8～10小时；
水杨醛的质子有机溶剂中水杨醛的浓度为0.5～1.5mol/L，硼酸单乙醇胺的质子性有机溶剂中硼酸单乙醇胺为0.5～1.5mol/L，次磷酸类物质的质子有机溶剂中次磷酸的浓度为0.5～1.5mol/L，且三者者采用同种质子性有机溶剂，加入的水杨醛、硼酸单乙醇胺，次磷酸类物质摩尔比例为：1：1：1；
所述的次磷酸类物质为次磷酸、甲基次磷酸、乙基次磷酸、叔丁基次磷酸、乙氧基次磷酸、苯基次磷酸、苯甲基次磷酸、中的一种或多种。
所述的惰性气体为氮气或者氩气；
所述的质子性有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、甲酸、乙酸、甲酰胺中的一种；
步骤(3).反应结束后，经过抽滤、洗涤、干燥，得到目标产物磷硼席夫碱衍生物阻燃剂(如结构式Ⅰ所示)。
本发明中的水杨醛，硼酸单乙醇胺，次磷酸类物质和质子有机溶剂均为工业化产品，可以通过市场购买取得。
本发明通过水杨醛和硼酸单乙醇胺发生醛胺缩合反应，得到一种带有特征基团-C＝N-的含硅席夫碱，然后再与次磷酸类物质上与磷原子相连接的活泼氢发生加成反应，得到一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，该阻燃剂有如下特点：(1)阻燃剂中含有多个-OH，-NH-等基团，能与某些高分子材料发生分子间相互作用，如与热塑性聚氨酯弹性体之间形成分子间氢键，以及与环氧树脂交联反应，从而在高分子材料中达到分子级分散，发挥高效阻燃作用。(2)具有气相凝聚相双相阻燃效果。在气相，一方面通过酚羟基与胺基燃烧释放水和氨气发挥稀释作用，另一方面，次磷酸类物质燃烧释放磷氧自由基发挥自由基捕捉作用；在凝聚相，一方面，次磷酸类物质和硼酸类物质促进材料成炭，在凝聚相发挥阻燃效果，另一方面，燃烧过程中裂解产生酚类物质和醛类物质可在受热过程中继续通过加成反应得到酚醛树脂，可在凝聚相中发挥出色的阻隔效应。(3)由于硼元素的引入，可以发挥磷硼协效阻燃效果，提高阻燃效率。
该磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂应用前景广泛，可应用于聚氨酯和环氧树脂的阻燃改性。
附图说明
图1为磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的热失重曲线。
附表说明
表1对照例和实施例1制得的阻燃剂阻燃TPU材料垂直燃烧测试结果；
表2实施例制得的阻燃剂阻燃TPU材料的极限氧指数值和垂直燃烧测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步地详细说明。
对照例
将6.01g(0.1mol)乙二胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的500ml的四口烧瓶中，然后将24.42g(0.2mol)水杨醛和100ml的无水乙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将28.42g(0.2mol)苯基次磷酸溶于100ml无水乙醇中，加入到上述四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用无水乙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，制得不含硼的席夫碱衍生物阻燃剂，作为对照例。结构式如下：
实施例1
将20.98g(0.2mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的500ml的四口烧瓶中，然后将24.42g(0.2mol)水杨醛和100ml的无水乙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将28.42g(0.2mol)苯基次磷酸溶于100ml无水乙醇中，加入到上述四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用无水乙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硅型席夫碱衍生物阻燃剂，产率65.5％，制得磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的热失重曲线如附图1所示。表1对照例和实施例1制得的阻燃剂阻燃TPU材料垂直燃烧测试结果；
表1
实施例2
将20.98(0.2mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的500ml的四口烧瓶中，然后将24.42g(0.2mol)水杨醛和100ml的甲醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至60℃，并在氮气氛围下，反应4h，然后在45℃超声分散的条件下将13.20(0.2mol)次磷酸溶于100ml甲醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应8h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用甲醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率40.4％。
实施例3
将10.49g(0.1mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的250ml的四口烧瓶中，然后将12.21g(0.1mol)水杨醛和50ml的无水乙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将6.60g(0.1mol)次磷酸溶于50ml无水乙醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用无水乙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率63.9％。
实施例4
将10.49g(0.1mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的250ml的四口烧瓶中，然后将12.21g(0.1mol)水杨醛和50ml的无水乙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应4h，然后在45℃超声分散的条件下将15.61g(0.1mol)苯甲基次磷酸溶于50ml无水乙醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用无水乙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率55.8％。
实施例5
将10.49g(0.1mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的250ml的四口烧瓶中，然后将12.21g(0.1mol)水杨醛和50ml的甲酸加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将14.21g(0.1mol)苯基次磷酸溶于50ml甲酸中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应8h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用甲酸洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面100℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率55.6％。
实施例6
将20.98(0.2mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的500ml的四口烧瓶中，然后将24.42g(0.2mol)水杨醛和100ml的无水乙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至70℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将28.42g(0.2mol)苯基次磷酸溶于100ml无水乙醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应8h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用无水乙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率49.3％。
实施例7
将10.49g(0.1mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的250ml的四口烧瓶中，然后将12.21g(0.1mol)水杨醛和50ml的甲醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至60℃，并在氮气氛围下，反应4h，然后在45℃超声分散的条件下将11.01g(0.1mol)乙氧基次磷酸溶于50ml甲醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用甲醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面80℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率56.7％。
实施例8
将10.49g(0.1mol)硼酸单乙醇胺加入到一个带有冷凝回流装置和搅拌装置的250ml的四口烧瓶中，然后将12.21g(0.1mol)水杨醛和50ml的丙醇加入到四口烧瓶中，利用油浴装置把体系温度升至80℃，并在氮气氛围下，反应2h，然后在45℃超声分散的条件下将14.21g(0.1mol)苯基次磷酸溶于50ml丙醇中，并加入到四口烧瓶中，保持反应温度不变，在氮气氛围下，继续反应10h，然后将体系降至室温。对混合物初步过滤，得到的固体再使用丙醇洗涤5次，得到的产物在真空烘箱里面90℃烘干12h，即得到目标产物——磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，产率65.5％。
各实施例制得的阻燃剂阻燃TPU材料的极限氧指数值和垂直燃烧测试结果如表2。
表2
以上所述的实施例只是本发明的部分较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂，其化学结构式如下：
R1为
2.权利要求1所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)将含水杨醛的质子性有机溶剂加入到含硼酸单乙醇胺的质子性有机溶剂中，在惰性气体氛围中，60～80℃下搅拌2～4个小时，得到中间产物含硼席夫碱；
步骤(2)将含次磷酸类物质的质子性有机溶剂加入到中间产物含硼席夫碱中，在惰性气体的保护下，60～80℃下搅拌8～10个小时；
步骤(3)反应结束得到的产物，经过过滤、洗涤、真空干燥，得到磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂；
上述的质子性有机溶剂均采用同一种质子性有机溶剂。
3.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的次磷酸类物质为次磷酸、甲基次磷酸、乙基次磷酸、叔丁基次磷酸、乙氧基次磷酸、苯基次磷酸、苯甲基次磷酸中的一种。
4.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的含硼酸单乙醇胺的质子性有机溶剂浓度在0.5～1.5mol/L。
5.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述含水杨醛的质子性有机溶剂浓度为0.5～1.5mol/L。
6.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的含次磷酸类物质的质子有机溶剂中次磷酸根浓度为0.5～1.5mol/L。
7.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的硼酸单乙醇胺、水杨醛、次磷酸类物质摩尔比例为1：1：1。
8.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气或氩气。
9.根据权利要求2所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述的质子性有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、甲酸、乙酸、甲酰胺中的一种。
10.如权利要求1所述的磷硼型席夫碱衍生物阻燃剂的应用，其特征在于，用于对聚氨酯或环氧树脂进行阻燃改性。
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