IT9022454A1 - Cianurato di piperazina e composizioni polimeriche comprendenti il medesimo - Google Patents

Cianurato di piperazina e composizioni polimeriche comprendenti il medesimo Download PDF

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Description

Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: "CIANURATO DI PIPERAZINA E COMPOSIZIONI POLIMERICHE COMPRENDENTI IL MEDESIMO".
La presente invenzione concerne il cianurato di piperazina di formula
dove n varia da 1 a 2 e p da 0 a 3, e composizioni autoestinguenti a base di polimeri termoplastici o con proprietà elastomeriche, in particolare polimeri o copolimeri olefinici, comprendenti il prodotto di reazione tra acido cianurico e piperazina, detto prodotto comprendente o essendo costituito da uno o più dei composti rappresentati dalla formula (I) .
Sono note nell'arte diverse soluzioni per ridurre o eliminare la combustibilità dei polimeri. Alcune di tali soluzioni sono basate sull'impiego di composti metallici, specialmente di antimonio, bismuto o arsenico, in combinazione con composti organici parzialmente alogenati e termicamente instabili, come cere paraffiniche clorurate.
Altre soluzioni sono basate sull'utilizzo di sostanze capaci di produrre intumescenza. Le formulazioni di tipo intumescente sono in genere costituite dal polimero e da almeno tre additivi principali: un composto acido o in grado di generare acido durante la combustione, il cui scopo è di attivare il processo di formazione dell'intumescenza, un secondo contenente azoto che adempie alle funzioni di schiumogeno ed un terzo contenente carbonio che funziona da donatore di carbonio per la formazione di uno strato carbonioso cellulare isolante (char) tra polimero e fiamma.
Esempi di formulazioni intumescenti di questo tipo sono quelle riportate dai brevetti: USA 3.810.862
a base di melammina, di pentaeritrite ed ammonio polifosfato, USA 4.727.102 a base di cianurato di melammina, di un derivato idrossialchilico dell'acido isocianurico ed ammonio polifosfato, e dalla domanda di brevetto pubblicata WO 85/05626 a base di vari composti di fosforo e azoto tra cui, in particolare, una combinazione di fosfato di melammina, pentaeritrite ed ammonio polifosfato.
In formulazioni più recenti unitamente all'impiego di un composto organico o inorganico di fosforo è stato utilizzato un composto organico contenente azoto, generalmente una resina amminoplastica ottenuta mediante condensazione di urea, melammina o diciandiammide con formaldeide.
Esempio di formulazione a due additivi è quella riportata nel brevetto USA 4.193.945 (Montedison S.p.A.) a base di ammonio polifosfato e particolari composti organici azotati contenenti i gruppi >C=O e/o >C=S e >NH inseriti in una struttura ciclica.
E' anche possibile ottenere composizioni autoestinguenti usando additivi monocomponenti, contenenti nella molecola organica sia l'azoto che il fosforo, come descritto nel brevetto USA 4.201.705 e nel brevetto USA 4.599.375
E'però noto che i sali dell'acido pirofosforico (quali ad esempio quelli descritti nel brevetto USA 4.599.375) sono igroscopici e facilmente idrolizzabili; quindi, nel caso in cui essi vengano impiegati come ritardanti di fiamma per la preparazione di composizioni polimeriche autoestinguenti, il loro impiego può causare, almeno in certe applicazioni, fenomeni di migrazione superficiale ("blooming") ed appiccicosità dei manufatti.
Nella domanda di brevetto europea pubblicata No. 286.478 sono descritte composizioni autoestinguenti comprendenti sali formati dall'acido fosforoso e da ammine quali ad esempio s-triazina, 1,2,4 -triazolo, benzimidazolo, eptazina, pirimidina, morfolina o piperazina.
Questi sistemi ritardanti intumescenti conferiscono al
polimero che li contiene la proprietà di dar luogo alla
formazione di un residuo carbonioso in seguito ad incendio o
all'applicazione di una fiamma. I sistemi ritardanti di questo
genere presentano numerosi vantaggi: assenza di fenomeni di
corrosioni nei macchinari in cui i polimeri vengono lavorati,
più bassa emissione di fumi rispetto ai sistemi contenenti * composti metallici ed idrocarburi alogenati, e soprattutto la ;possibilità di conferire ai polimeri soddisfacenti proprietà ;antifiamma con una minore quantità di additivo totale e quindi ;senza un eccessivo decadimento delle proprietà meccaniche dei ;polimeri stessi. ;Si è ora trovato che è possibile ottenere composizioni ;polimeriche dotate di migliorate proprietà antifiamma, ;impiegando il prodotto di reazione tra acido cianurico e ;piperazina. ;Detto prodotto, comprende o è costituito da uno o più dei ;composti rappresentati dalla formula seguente: ;; ;; dove n varia da l a 2 e p da 0 a 3. ;Il cianurato di piperazina di formula (I) costituisce un ;ulteriore oggetto delle presente invenzione. ;Le composizioni della presente invenzione comprendono in particolare: ;a) da 90 a 50, preferibilmente da 60 a 75, parti in peso di un polimero termoplastico o con proprietà elastomeriche; b) da 3 a 20, preferibilmente da 5 a 15, parti in peso del suddetto prodotto di reazione fra acido cianurico e piperazina, ed eventualmente ;c) da 5 a 30, preferibilmente da 10 a 20, parti in peso di uno o più fosfati di ammonio o di un'ammina, o di esteri fosforici. ;I polimeri che possono essere usati per preparare le composizioni della presente invenzione comprendono: polimeri e copolimeri, o loro miscele, ottenute mediante polimerizzazione sequenziale, delle olefine di formula ;R-CH=CH2, dove R è un atomo di idrogeno o un radicale alchilico con 1-6 atomi di carbonio o arilico. ;In particolare, dette poliolefine comprendono: ;1) polipropilene isotattico o prevalentemente isotattico; 2) polietilene HDPE, LLDPE e LDPE; ;3) copolimeri cristallini del propilene con l'etilene e/o altre alfa-olefine come ad esempio 1-butene, l-esene, 1-ottene e 4-metil-pentene; ;4) copolimeri elastomerici etilene/alfa-olef ina e terpolimeri etilene/alfa-olefina/diene contenenti proporzioni minori di diene, dove l'alfa-olefina è preferibilmente scelta tra propilene, 1-butene, 1-pentene, 1-esene, 4-metil-l-pentene e 3-metil-1-butene; (esempi di dieni tra i più comunemente presenti nei suddetti copolimeri elastomerici sono il butadiene, 11etilidene-norbornene e l'esadiene 1-4); ;5) polimeri eterofasici ottenuti mediante polimerizzazione sequenziale, costituiti da (A) una frazione omopolimerlca del propilene o da uno dei copolimeri di cui al punto (3) e da una frazione copolimerica (B) formata dai copolimeri elastomerici di cui al punto (4); ;6) polimeri ottenuti da di-olefine o cicloolefine, quali ad esempio poliisoprene e polibutadiene, policiclopentene, polinorbornene, e loro miscele e i loro copolimeri o terpolimeri. ;Altri esempi di polimeri comunemente utilizzabili sono il polistirene, le resine poliammidiche, il poliuretano (poliestere e polietere) , il polietilentereftalato e il polibutilentereftalato e i copolimeri ABS e SAN. ;Tra i fosfati sono preferiti i polifosfati di ammonio che rientrano nella formula generale in cui m rappresenta un numero intero eguale o maggiore di 2 ; preferibilmente il peso molecolare dei polifosfati deve essere sufficientemente elevato da garantire una bassa solubilità in acqua. Indicativamente, m varia di preferenza da 2 a 500. ;La composizione dei polifosfati aventi la formula sopra indicata/ nella quale n è un numero sufficientemente grande e di preferenza compreso tra 5 e 500, è praticamente quella che corrisponde alla formula dei metafostati (NH4P03)m. ;Un esempio di tali polifosfati è quello noto con il nome commerciale di "Phos-Chek P/40" (Monsanto Chemical) ed avente la composizione (NH4P03)m in cui m è maggiore di 50; un altro esempio è il prodotto noto col marchio "Exolit 422" (prodotto e venduto dalla Società Hoechst) ed avente composizione analoga. ;Un altro polifosfato vantaggiosamente utilizzabile, soprattutto per la ridotta solubilità in acqua, è quello con il nome commerciale di "Exolit 462" (prodotto e venduto dalla Hoechst) e corrispondente all'Exolit 422 microincapsulato in resina melammina-formaldeide. ;Altri fosfati utilizzabili sono quelli derivanti da ammine, come ad esempio fosfato di dimetilammonio o di dietilammonio, fosfato di etilendiammina, orto- o pirofosfato di melammina. ;Esempi di esteri fosforici utilizzabili sono: fosfiti, fosfati o fosfonati organici, quali ad esempio trifenilfosfato, dietilmetilfosfonato, dietilfenilfosf onato, trifenilfosf ito, fenildifenilfosfonato, fenil-bis- (2-etilesil) fosfonato, tris- (2-etilesil) fosfato e trinonilfenilfosfato. ;Le composizioni della presente invenzione possono inoltre contenere gli additivi comunemente impiegati per i polimeri, in particolare stabilizzanti, quali ad esempio antiossidanti fend ici, fosfiti o fosfati, fosfonati o fosfoniti organici; stabilizzanti alla luce, come per esempio, animine stericamente impedite (HALS) ; composti sinergici dei ritardanti di fiamma, come per esempio gli ossidi di arsenico, antimonio e bismuto; pigmenti e cariche. ;Il cianurato di piperazina di formula (I) può essere preparato facendo reagire l'acido cianurico (C3H3N3O3) e la piperazina (C4N2H10) in soluzione acquosa o di solventi organici polari, per esempio metanolo. ;Dalla soluzione acquosa dei reagenti precipita un prodotto che può comprendere o essere costituito, a seconda delle condizioni di reazione, da uno o più composti di formula (I). Preferibilmente la reazione viene condotta alla temperatura di ebollizione della soluzione di acido cianurico e piperazina. ;Le composizioni della presente invenzione possono essere preparate secondo metodi convenzionali, per esempio miscelando il polimero con gli additivi in un turbomiscelatore ad una temperatura equivalente o superiore a quella di rammollimento del polimero ed estrudendo la miscela in un estrusore alla temperatura più adatta per ottenere il prodotto in granuli. ;I seguenti esempi sono dati a tìtolo illustrativo e non limitativo della presente invenzione. ;Esempi 1-2 ;In un pallone da 1 litro, munito di agitatore, di refrigerante a ricadere e di presa per il vuoto vengono caricati 200 mi di acqua, una quantità opportuna di acido cianurico (C3H3N303) ed una quantità opportuna di piperazina (C4N2H10) a temperatura ambiente. Si porta quindi la soluzione alla temperatura di ebollizione e si agita per 2 ore a ricadere. ;Si lascia quindi raffreddare la miscela e si*filtra il prodotto ottenuto come polvere bianca.
Le quantità di reagenti impiegati, e l'analisi elementare del prodotto ottenuto sono riportati in Tabella 1.
Per entrambi i prodotti ottenuti (Esempio 1 ed Esempio 2), la TGA (Termogravimetria) evidenzia un picco netto tra 140°C e 150 °C pari ad una perdita in peso del 4,90% rispetto al peso iniziale. Entrambi i prodotti ottenuti (Esempio 1 e Esempio 2) presentano una larga banda di assorbimento tra 2000 e 3600 nm attribuibile al legame 0-H dell'acqua.
Da tutti i dati sperimentali si deduce quindi che il prodotto ottenuto negli Esempi 1 e 2 è il composto di formula (I) in cui n è 2 e p è l ed avente le seguente composizione percentuale in peso: .
Tale prodotto viene poi utilizzato per preparare le composizioni della presente invenzione, approntando dei provini su cui valutare le proprietà di estinguenza alla fiamma.
La preparazione di tali provini viene effettuata miscelando a freddo Moplen FL F20 (polipropilene isotattico in "flakes" avente MIL 12 g/10 min e indice di isotatticità di circa 96%), con opportune quantità del prodotto precedentemente preparato e dei seguenti additivi:
Exolit 422,
- idrotalcite sintetica (SHT),
Tio2
tri(2,4-di-ter-butil-fenil) fosfito venduto dalla CIBA-GEIGY con il marchio Irgafos 168,
pentaeritrit il-tetra [3 - (3 ,5-di-ter-butil-4 -idrossifenil)propanoato] venduto dalla CIBA-GEIGY con il marchio Irganox 1010.
Tale miscela viene poi estrusa in un estrusore monovite.
I granuli così ottenuti vengono presso-fusi in piastrine di circa 1,6 min di spessore e da queste si ricavano i provini per le prove di resistenza alla fiamma.
Sui provini si determina il livello di resistenza alla fiamma sia mediante misura dell'indice di ossigeno (secondo la norma ASTM 2863) sia applicando le norme UL 94 (edite dagli Underwriters Laboratories-USA) .
La misura dell'indice di ossigeno esprìme la minima concentrazione di ossigeno (espressa in %vol), in una miscela ossigeno-azoto che permette al campione del materiale in esame di bruciare continuativamente, dopo una accensione dì fiamma alimentata da gas butano, per 3 minuti e/o 50 mm di lunghezza del provino.
Il test UL 94 va condotto su provini sistemati verticalmente e di spessore indicato, esso consìste nel porre a contatto di una estremità del campione una sorgente alta 3 mm ed inclinata di 45 gradì.
Dal momento dell’allontanamento della sorgente si controlla il tempo di spegnimento e se il materiale gocciola o no durante la combustione.
Il materiale in base alle misure viene classificato; V-0 quando il tempo medio di estinzione della fiamma è minore o uguale a 5 secondi (5 provini per 2 accensioni ognuno) V-l quando il tempo medio di estinzione della fiamma è minore o uguale a 25 secondi.
V-2 quando segue il comportamento V-l ed in più lascia cadere gocce di polìmero fuso incendiato in grado di accendere un batuffolo di cotone posto 5 mm sotto.
Per ogni campione le prove effettuate sono 3.
Le quantità e i tipi di reagenti usati per la preparazione delle composizioni sono riportati in Tabella 1 insieme ai risultati delle prove resistenza alla fiamma
TABELLA 1

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. cianurato di piperazina di formula:
  2. 2. Cianurato di piperazina secondo la rivendicazione 1, in cui n è 2 e p è 1.
  3. 3. Composizione autoestinguente a base di polimeri termoplastici o con proprietà elastomeriche compredenti il prodotto di reazione tra acido cianurico e piperazina, detto prodotto comprendente o essendo costituito da uno o più composti di formula (I), come riportata nella rivendicazione 1.
  4. 4. Composizione autoestinguente secondo la rivendicazione 3 comprendente : a) da 90 a 50 parti in peso di uno o più polimeri termoplastici o con proprietà elastomeriche; b) da 3 a 20 parti in peso del prodotto di reazione fra acido cianurico e piperazina, ed eventualmente c) da 5 a 30 parti in peso di uno o più fosfati di ammonio o di un'ammina, o di esteri fosforici.
  5. 5. Composizione autoestinguente secondo la rivendicazione 3 o 4 in cui i polimeri termoplastici o con proprietà elastomeriche sono scelti tra polimeri o copolimeri, o loro miscele ottenute mediante polimerizzazione sequenziale, di olefine di formula R-CH=CH2, dove R è un atomo di idrogeno o un radicale alchilico con 1-6 atomi di carbonio o arilico.
  6. 6. Composizione autoestinguente secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui il prodotto di reazione fra acido cianurico e piperazina è costituito dal cianurato di piperazina di formula (I) come riportato nella rivendicazione 1, in cui n è 2 e p è 1.
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