CN1626618A - 磷、氮体系复合阻燃剂 - Google Patents

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本发明的磷、氮体系复合阻燃剂,涉及阻燃防火材料,特别是用于建材、塑料、织物等多种高分子材料的阻燃剂和防火涂料的阻燃添加剂。旨在解决已有的阻燃剂含有卤素,在燃烧时产生有毒气体和大量烟雾等问题。本磷、氮体系复合阻燃剂按重量份计量的组份有:氢氧化铝55~67、磷酸8.5~20、磷酸氢二铵3.3~15、水20~30,将水和磷酸加热并搅拌,升温至85~95℃时,加入氢氧化铝,保温106~115℃,反应30~38分钟,加入磷酸氢二铵反应17~25分钟,冷却、过滤后获得。可广泛地应用于各种热固性、热塑性塑料以及涂料、橡胶、织物等多种高分子材料中,具有高效的阻燃效果。

Description

磷、氮体系复合阻燃剂
技术领域
本发明属于阻燃防火材料,特别是用于建材、塑料、织物等多种高分子材料的阻燃剂和防火涂料的阻燃添加剂。
背景技术
由于大多数建筑材料、特别是内装饰材料都是易燃的,因它们而引发的火灾问题,变得十分突出,因此使用阻燃剂对建材进行阻燃处理愈来愈引起人们的关注。阻燃剂的种类繁多,主要可分为有机和无机两大类。按组成大体可分为卤素系阻燃剂和磷系阻燃剂;按引入的方式又可分为添加型和反应型阻燃剂。迄今,建材、塑料等阻燃大都以有机卤化物和三氧化二锑并用,也有用有机磷化物阻燃。这些阻燃剂有良好的阻燃效果,对制品的物理性能影响较小,但较大的缺点是本身具有毒性,在燃烧时会产生有毒气体和烟雾,故在应用上受到一定的限制。无机阻燃剂不仅有良好的阻燃效果,且无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气、原料来源丰富、成本亦低。其中,膨胀型阻燃体系以磷和氮为有效阻燃组分,一般由炭源、酸源及气源组成,通常有混合型及单体型两种,其中单体型为炭源、酸源及气源三源同在单一分子内。当前已商品化的多为混合型阻燃剂。单体型阻燃剂仍处于实验室研究阶段,尤其含磷-氮键的所见报道很少。
已有的磷、氮体系类复合阻燃剂,有如在中国专利89105250.X《磷-氮-卤缩合型纤维材料阻燃剂》的公开说明书中的阻燃剂,由氮化物和水混合加热后再混入0.2~0.6倍摩尔量的磷酸盐和计量的氨吸收剂在110~160℃温度下搅拌缩合反应2~33小时,经冷却后而取得的。存在的主要问题是:它的体系中含有卤素,在燃烧时会产生有毒气体和大量烟雾,成本亦高,在应用上受到一定的限制。
发明内容
鉴于上述,本发明的目的就是提供一种热和水解稳定性好,熔点较高,吸湿性较低,且具有较佳的磷-氮协同效应的单体膨胀型的磷、氮体系复合阻燃剂。
本发明的磷、氮体系复合阻燃剂,有按重量份计量的组份:氢氧化铝55~67、磷酸8.5~20、磷酸氢二铵3.3~15、水20~30,将水和磷酸加热并搅拌,升温至85~95℃时,加入氢氧化铝,保温106~115℃,反应30~38分钟,加入磷酸氢二铵反应17~25分钟,冷却、过滤后获得。
按重量份计量,上述的氢氧化铝可以是工业品,Al2O3%≥64;磷酸可以是热法,工业品,H3PO4%≥85;磷酸氢二铵可以是工业品,总氮含量16~18%。
上述的氧化铝可以是55~65、磷酸可以是8.5~18、磷酸氢二铵可以是3.3~11.2。
本发明中各组份的配量能提供Al(OH)3与H3PO4的合理的摩尔比,铝磷的摩尔比对阻燃剂的贮存稳定性,对基材的附着性、耐水性、耐候性等都有直接影响。大量实验证明铝/磷比值一般维持在0.25~1较好,低于0.25则阻燃剂在室温不能固化,影响其使用;高于1则降低阻燃剂的稳定性。因此在阻燃剂制备中,对摩尔比的选择是很重要的。如用来作纸张、纤维板、织物等的阻燃剂,可先浸泡或涂敷,然后用碱性物质如氧化镁、氧化钙、硼砂等作进一步处理。这种情况一般铝/磷比值应控制低些,在0.28左右为宜。若需要室温自干,又不能加碱固化的,如添加在防火涂料中,则铝/磷比要高些,应大于0.38。
本发明中的反应条件,即反应温度、时间,是获得本阻燃剂优良性能的重要因素。
本发明的磷、氮体系复合阻燃剂具有如下性能:热和水解稳定性好,熔点较高,吸湿性较低,具有较佳的磷-氮协同效应,阻燃性甚佳,无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气、无环境污染。
本磷、氮体系复合阻燃剂的热分解机理可表示为:
本磷、氮体系复合阻燃剂的阻燃机理:
(1)本磷、氮体系复合阻燃剂含磷量较多,一方面磷与氧及碳氢化合物燃烧,生成磷化物、水蒸汽等物质,比碳直接生成二氧化碳的反应热小,所以可减缓燃烧而阻燃;另一方面磷在燃烧时形成焦磷酸至偏磷酸,反应如下:
偏磷酸能聚合成非常稳定的多聚态,成为易燃材料的保护层而将氧气隔绝。另外受热脱水生成焦磷酸、偏磷酸过程,可促使材料表面炭化物的生成而起阻燃作用,分解产物都为无毒物质。
(2)本磷、氮体系复合阻燃剂受火时,除上述磷的阻燃作用外,其中氢氧化铝即能达到它的分解温度,反应如下:
氢氧化铝脱水过程即吸收一部分燃烧热,将使材料的温度降低。再则脱出的水在燃烧温度下变成水蒸汽也需吸收热量。水汽一方面作为稀释剂而降低可燃烧气体的浓度;另一方面覆盖在基材表面起隔绝氧气的作用。另外反应产物Al2O3是耐火材料,与燃烧形成的其他碳化物,在材料周围形成隋性屏障,起到减缓燃烧速度和控制火势发展的作用,从而使本发明具有高效的阻燃性能。
另外由于本磷、氮体系复合阻燃剂热分解温度较高,因此添加该阻燃剂的塑料能承受更高的加工温度,而在塑料加工的过程中提高加工温度有利于加快挤塑速度,缩短模塑时间。
本磷、氮体系复合阻燃剂的分解能(1.17kJ/g)高,热容也高,这有助于提高阻燃效率;磷、氮体系复合阻燃剂的炭化作用强,炭化量大,因而提高了阻燃效率,减少了产烟量,该阻燃剂具有较强抑烟作用;由于该磷、氮体系复合阻燃剂是一种透明粘结性液体,因而与树脂的相容性好,可保持制品的透明性,可以提高材料的物理机械性能,耐候性和热稳定性等。
综上所述本发明与现有技术相比,具有的优点、特点和效果如下:
本发明的磷、氮体系复合阻燃剂是一种集炭源、酸源、气源三组分于同一分子内的单体膨胀型阻燃剂,其化合物分子中无卤原子存在,且含磷-氮键,热和水解稳定性好,熔点较高,吸湿性较低,具有较佳的磷-氮协同效应,阻燃效果甚佳,无毒,燃烧时不产生浓烟和毒气、无环境污染、是一种绿色环保型阻燃剂。因此,本阻燃剂,在热反应、分解温度、适用的聚合物、阻燃能力、抑烟能力、对酸的稳定性等几方面,均优于卤系、磷系阻燃剂。
本发明的磷、氮体系复合阻燃剂可广泛地应用于各种热固性、热塑性塑料以及涂料、橡胶、织物等多种高分子材料中,具有高效的阻燃效果。
下面,再用实施例对本发明作进一步地说明。
具体实施方式
实施例
本发明的一种磷、氮体系复合阻燃剂,各组份按重量份计的配量及工艺条件见下表。其制造方法:按表中的组份及配量、工艺条件,将水和磷酸倒入反应釜内加热,并开动搅拌器搅拌,液体温度升到表列数值时,慢慢倒入氢氧化铝,此时液体开始反应,保持液体温度到表列数值,反应至表列数值时间,加入磷酸氢二铵并反应到表列数值时间后,得具有粘结性的透明液体,停止加热,冷却、过滤后,即制成本发明的磷、氮体系复合阻燃剂。
表 各实施例组份、配量、工艺条件、应用于部分易燃材料中的阻燃处理后的主要技术性能。
      实施例     1     2   3     4     5
组份 氢氧化铝     55     65   57     61     59
磷酸     10     13   8.5     16     18
磷酸氢二铵     3.3     8   11.2     7     10
    20     25   28     24     30
条件 水、磷酸加热升温至(℃)     87     85   95     90     95
加入氢氧化铝后保温(℃)     115     110   106     113     108
加入氢氧化铝后反应(分钟)     30     32   28     35     33
加入磷酸氢二铵后反应(分钟)     19     17   20     25     20
阻燃LDP树脂技术性能 燃烧长度/mm     29     28   30     27     28
氧指数     38.8     40.1   39.2     39.5     39.7
拉伸强度/Mpa     55.8     56.7   55.3     56.2     57.5
硬度/HRR     90.1     90.6   91.2     90.8     91.0
阻燃纺织物涤纶印花布技术性能 氧指数     40.3     42   40.6     41.5     40.9
续燃时间(s)     1.5     0.8   1.3     1.2     1.0
顶破强力(N)     702     689   698     694     700
耐摩擦(级)     4     4   4     4     4
阻燃乳胶防火涂料技术性能 失重(g)     1.95     1.21   2.42     1.16     2.18
炭化体积(cm3)     0.89     0.42   0.97     0.12     0.92
附着力(级)     1     1   1     1     1
柔韧性(mm)     1     1   1     1     1
耐冲击强度(kg.cm)     50     45   50     50     50
续表
      实施例     6     7     8     9     10
组份 氢氧化铝(工业品,Al2O3%≥64)     58     56     63     67     60
磷酸(热法,工业品,H3PO4%≥85)     20     18     10     15     13
磷酸氢二铵(工业品,总氮含量16~18%)     5     8     10     15     9
    24     20     22     30     27
条件 水、磷酸加热升温至(℃)     85     90     87     95     93
加入氢氧化铝后保温(℃)     108     106     109     115     113
加入氢氧化铝后反应(分钟)     30     38     36     35     35
加入磷酸氢二铵后反应(分钟)     19     20     25     17     22
阻燃LDP树脂技术性能 燃烧长度/mm     25     29     30     27     28
氧指数     38     39.5     40.1     37.9     38.5
拉伸强度/Mpa     55.5     57     56.3     56.0     56.5
硬度/HRR     90.5     91.0     91.1     90.8     91.0
阻燃纺织物涤纶印花布技术性能 氧指数     41     41.5     40     42.5     41.7
续燃时间(s)     0.9     1.5     1.3     0.8     1.1
顶破强力(N)     694     683     697     700     691
耐摩擦(级)     4     4     4     4     4
阻燃乳胶防火涂料技术性能 失重(g)     1.87     2.10     2.09     1.94     1.89
炭化体积(cm3)     0.56     0.87     0.49     0.96     0.76
附着力(级)     1     1     1     1     1
柔韧性(mm)     1     1     1     1     1
耐冲击强度(kg.cm)     48     47     50     50     49
使用本发明的各实施例的磷、氮体系复合阻燃剂,对部份易燃材料进行阻燃处理的方法:
1、阻燃LDPE树脂(低密度聚乙烯树脂):分别在100重量份LDPE树脂中加入12重量份的各本发明的磷、氮体系复合阻燃剂,制成各实施例相对应的阻燃的LDPE树脂。
2、阻燃纺织物涤纶印花布:将本发明的各实施例的磷、氮体系复合阻燃剂和水,按30%:70%配料,倒入容器中搅匀后放入纺织物涤纶印花布,加热到35℃,30分钟后取出纺织物涤纶印花布凉干,制成各实施例相对应的阻燃纺织物涤纶印花布。
3、阻燃乳胶防火涂料:将本发明的各实施例的磷、氮体系复合阻燃剂23.7%,聚磷酸铵18.9%,三聚氰胺5.7%,季戊四醇5.4%,氯化石腊3%,聚乙酸乙烯乳液(60%)18.7%,水27.5%,倒入高速分散机分散10min后,转移至砂磨机内研磨至涂料细度为50u~80u,制成各实施例相对应的阻燃乳胶防火涂料。
上述阻燃LDPE树脂、阻燃纺织物涤纶印花布、阻燃乳胶防火涂料的技术性能见表。

Claims (2)

1、一种磷、氮体系复合阻燃剂,其特征在于按重量份计量的组份有:氢氧化铝55~67、磷酸8.5~20、磷酸氢二铵3.3~15、水20~30,将水和磷酸加热并搅拌,升温至85~95℃时,加入氢氧化铝,保温106~115℃,反应30~38分钟,加入磷酸氢二铵反应17~25分钟,冷却、过滤后获得。
2、根据权利要求1所述的磷、氮体系复合阻燃剂,其特征在于按重量份计量,上述氢氧化铝为55~65、磷酸为8.5~18、磷酸氢二铵为3.3~11.2。
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