本发明涉及环保型阻燃高分子材料，具体涉及一种基于星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂及其制备方法。
背景技术：
高分子材料相对于传统的无机金属材料有着自身独特的优势，在国民经济和人民生活中发挥的作用越来越大。但是大部分高分子材料都是易燃材料，对人们的财产和生命都会造成巨大的威胁，所以阻燃剂就显得至关重要。阻燃剂按属性可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂，无机阻燃剂具有低烟、低毒、无卤、稳定性好、价格低廉等优势，但存在添加量大、与材料相容性差、降低材料性能等缺点，受到一定程度的限制。目前常使用的传统有机磷系和有机卤系阻燃剂，虽然其具有良好的阻燃性能，但还存在着自身毒性以及加工和燃烧过程中产生有毒气体等问题。例如，有机卤素阻燃剂在材料的加工和燃烧过程中，释放出有毒性和腐蚀性的卤化氢气体等，易产生二次污染，对环境造成影响；有机磷阻燃剂自身具有较大的毒性，还具有较大的臭味。在评估有机阻燃剂的综合性能时，除了要考虑有机阻燃剂的阻燃性能，还要考虑有机阻燃剂本身是否有毒，以及在材料加工和燃烧过程中是否会产生大量的烟尘和有毒性气体。随着社会高度的发展和人们环保意识的不断增强，世界各国的新环保法规也在不断的出台，具有无毒或低毒、抑烟或低烟性能的新型绿色环保有机阻燃剂的使用是21世纪有机阻燃剂发展的必然趋势。
硼元素、磷元素和氮元素都属阻燃元素，有机分子结构中含有阻燃元素磷的有机磷阻燃剂虽然具有良好的阻燃性能，但其有一定的毒性。而有机分子结构中仅含有一种阻燃元素氮的有机氮阻燃剂虽然无毒，但它的阻燃性能相对较弱。如果有机硼系阻燃剂的分子结构中同时含有硼、氮阻燃元素，那么该阻燃剂有可能一方面综合了阻燃元素各自的阻燃性能，另一方面又提高了有机氮的阻燃性能。
硼系阻燃剂是一类无毒高效的阻燃剂，能够有效的促进高分子材料成炭，抑制燃烧；而膨胀型阻燃剂一般为高效无毒的阻燃剂，材料在燃烧时，表面生成一层均匀的多孔炭质泡沫层，能起到隔热、隔氧、抑烟、防熔滴的作用。本发明结合膨胀阻燃剂和硼系阻燃剂的特性，发明新型有机硼-氮阻燃剂。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供一种可作为阻燃剂的星型硼酸酯衍生物，该星型硼酸酯衍生物作为阻燃剂不仅具有高效阻燃、发烟量少、防滴落、无毒无害的特点，还具有合成简单、价格低廉的优势。
本发明目的通过如下技术方案实现：
星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂，该星型硼酸酯衍生物名称为1,3,5-三-{4,6-二-([1,3,2]二氧硼戊环-2-氧代)-1,3,5-三嗪-2-氧代}苯，简称为6BTP，用作膨胀型阻燃剂，具有如下的分子结构：
所述星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂的制备方法，包括如下的步骤：
第一步：将间苯三酚和N,N-二异丙基乙胺加入四氢呋喃溶液中；在-5-0℃的条件下，将混合后溶液滴加到三聚氯氰的四氢呋喃溶液中，充分搅拌3-5h，过滤；
第二步：将第一步滤液中的四氢呋喃除去，得到白色固体，以石油醚和丙酮混合液作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到中间产物1；
第三步：将乙二醇和甲苯搅拌混合并逐渐升温至40-60℃，加入硼酸，控制乙二醇和硼酸的摩尔比为1:1-2，继续升温至70-90℃，搅至硼酸完全溶解；回流至分水器内水分不再增加，保持该温度继续反应1-3h；减压除去甲苯，在60-80℃真空干燥，得到无色粘稠液体的中间产物2；
第四步：在氮气保护下，将中间产物2溶于四氢呋喃溶液中，然后加入氢氧化钠，在40-50℃下，加入溶有中间产物1的四氢呋喃溶液体积的40％-60％，反应2-4h，继续滴加剩余的溶有中间产物1的四氢呋喃溶液，然后升温至80-100℃，持续反应3-6h；
第五步：将第四步所得的反应混合液抽滤，液相旋干，得到星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂粗产物；以二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂。
为进一步实现本发明目的，优选地，第一步所述间苯三酚和N,N-二异丙基乙胺的摩尔比为1:3.5-4。
优选地，第一步中，每摩尔间苯三酚加入在20-60mL的四氢呋喃溶液。
优选地，第一步所述间苯三酚和三聚氯氰的摩尔比为1:4-5。
优选地，第一步中，每4-5摩尔三聚氯氰加入50-100mL的四氢呋喃溶液。
优选地，所述石油醚和丙酮混合液的体积比为5:1-5。
优选地，第三步中，乙二醇和甲苯的体积比为10-40：1。
优选地，第四步中，每克中间产物2加入在10-50mL的四氢呋喃溶液；中间产物2与氢氧化钠的质量比为1:0.4-0.6；中间产物1和中间产物2的质量比为1:1.0-1.2。
优选地，第五步中，所述旋干用旋转蒸发仪进行；所述冲洗液中二氯甲烷和乙酸乙酯的体积比为1:1-5。
本发明星型硼酸酯衍生物主要用作阻燃剂，是一种膨胀型阻燃剂；随着星型硼酸酯衍生物主阻燃剂在环氧树脂中质量比的增加，LOI逐渐增加，热释放速率和生烟总量逐渐降低。星型硼酸酯衍生物含量为20％时，达到了UL94V-1等级。当星型硼酸酯衍生物在环氧树脂中加入量达到30％后，LOI达到了30.3％，同时达到了UL94V-0等级，热释放速率由781kW/m2降为378kW/m2，生烟总量由50.4m2降为23.3m2。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
1)本发明所提供的一种基于星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂，其分子结构中含有硼酸酯基团、三嗪环和苯氧基，在燃烧过程中脱水并释放出难燃气体，可吸收热量，降低基材表面温度，稀释可燃物的浓度，促进高分子材料形成稳定膨胀的炭层，覆盖在基材的表明，充当隔热层，隔绝热和氧的传播，阻止可燃物的燃烧；同时能够捕捉高聚物分解产生的活性自由基，抑制连锁反应。随着星型硼酸酯衍生物主阻燃剂在环氧树脂中质量比的增加，LOI逐渐增加，热释放速率和生烟总量逐渐降低。星型硼酸酯衍生物含量为20％时，达到了UL94V-1等级。当星型硼酸酯衍生物在环氧树脂中加入量达到30％后，LOI达到了30.3％，同时达到了UL94V-0等级，热释放速率由781kW/m2降为378kW/m2，生烟总量由50.4m2降为23.3m2。
2)本发明可解决现有阻燃剂存在的易滴落的缺点。当星型硼酸酯衍生物在环氧树脂中的含量仅为10％的时候，燃烧过程就可以实现无滴落，随着阻燃剂用量的增加，无滴落的效果更好，这主要归因于B-O-C结构的形成，使炭层更加稳定，同时形成的炭层较为膨胀，能有效的防止滴落。
3)本发明可解决现有阻燃剂存在的毒性大、发烟量大、热稳定性差等缺点，本发明膨胀型阻燃剂形成的稳定膨胀的炭层，能够有效的隔绝热量，吸附烟和吸收可燃颗粒，从而降低热释放速率，阻碍烟的扩散，达到阻燃和抑烟的作用。本发明星型硼酸酯衍生物的膨胀型阻燃剂有望成为优良的环保型有机阻燃剂。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。
实施例1：
第一步：将2.58g间苯三酚和9.11gN,N-二异丙基乙胺溶解在40ml四氢呋喃溶液中(混合液1)，将16.79g三聚氯氰溶解在80ml四氢呋喃溶液中，并在冰水浴中充分搅拌31min(混合液2)，将混合液1逐滴加入混合液2中，在5℃搅拌3h，过滤；
第二步：用旋转蒸发仪除去第二步滤液中的四氢呋喃，得到白色固体，以石油醚和丙酮的混合液(体积比为3:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到中间产物1；
第三步：在三口烧瓶中加入7.5ml乙二醇和20ml甲苯(做为带水剂)溶液，搅拌并逐渐升温至42℃，加入7.34g硼酸，继续升温至88℃，搅拌47分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应2.5h；减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得到无色粘稠液体的中间产物2；
第四步：在氮气保护下，称取9.32g中间产物2溶于100ml四氢呋喃溶液中，然后加入4.68g氢氧化钠；将8.29g中间产物1溶于80ml四氢呋喃溶液中，在50℃下，加入该溶有中间产物1的四氢呋喃溶液体积的一半，反应4h，继续滴加剩余的四氢呋喃溶液，然后升温至100℃，持续反应6h；
第五步：将第四步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液(体积比为4:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体6BTP。
利用质谱和核磁共振氢谱表征所得到的产物，结构表征数据如下：
MS:m/z 879.20(M+)
1H NMR(600MHz,DMSO-d6,ppm):δ4.07(t,24H),5.76(s,3H)
其中δ＝4.07ppm为烷基链峰，δ＝5.76ppm为苯环上的峰。1,3,5-三-{4,6-二-([1,3,2]二氧硼戊环-2-氧代)-1,3,5-三嗪-2-氧代}苯(6BTP)的理论分子量为879.20，结合质谱我们得出，该产物为6BTP。
实施例2：
第一步：将5.23g间苯三酚和18.37gN,N-二异丙基乙胺溶解在80ml四氢呋喃溶液中(混合液1)，将35.31g三聚氯氰溶解在80ml四氢呋喃溶液中，并在冰水浴中充分搅拌31min(混合液2)，将混合液1逐滴加入混合液2中，在5℃搅拌3h，过滤；
第二步：用旋转蒸发仪除去第二步滤液中的四氢呋喃，得到白色固体，以石油醚和丙酮的混合液(体积比为3:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到中间产物1；
第三步：在三口烧瓶中加入14ml乙二醇和40ml甲苯(做为带水剂)溶液，搅拌并逐渐升温至42℃，加入14.89g硼酸，继续升温至88℃，搅拌47分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应2.5h；减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得到无色粘稠液体的中间产物2；
第四步：在氮气保护下，称取18.69g中间产物2溶于200ml四氢呋喃溶液中，然后加入9.59g氢氧化钠；将17.26g中间产物1溶于160ml四氢呋喃溶液中，在50℃下，加入该溶有中间产物1的四氢呋喃溶液体积的40％，反应4h，继续滴加剩余的四氢呋喃溶液，然后升温至100℃，持续反应6h；
第五步：将第四步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液(体积比为4:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体6BTP。
实施例3：
第一步：将7.76g间苯三酚和27.29gN,N-二异丙基乙胺溶解在120ml四氢呋喃溶液中(混合液1)，将49.63g三聚氯氰溶解在240ml四氢呋喃溶液中，并在冰水浴中充分搅拌37min(混合液2)，将混合液1逐滴加入混合液2中，在3℃搅拌5h，过滤；
第二步：用旋转蒸发仪除去第二步滤液中的四氢呋喃，得到白色固体，以石油醚和丙酮的混合液(体积比为3:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离，得到中间产物1；
第三步：在三口烧瓶中加入20.5ml乙二醇和60ml甲苯(做为带水剂)溶液，搅拌并逐渐升温至47℃，加入22.67g硼酸，继续升温至70℃，搅拌55分钟至硼酸完全溶解；待分水器内水分不再增加，继续反应3h；减压蒸馏除去甲苯，在70℃真空干燥，得到无色粘稠液体的中间产物2；
第四步：在氮气保护下，称取27.79g中间产物2溶于300ml四氢呋喃溶液中，然后加入13.88g氢氧化钠；将25.61g中间产物1溶于150ml四氢呋喃溶液中，在44℃下，加入该溶有中间产物1的四氢呋喃溶液体积的60％，反应4h，继续滴加剩余的四氢呋喃溶液，然后升温至80℃，持续反应3h；
第五步：将第四步所得的反应混合液抽滤，液相用旋转蒸发仪旋干，得到粗产物；以二氯甲烷和乙酸乙酯的混合液(体积比为4:1)作为冲洗液，用色谱柱进行分离得到白色固体6BTP。
阻燃性能测试
通过阻燃性能的测试进一步说明本发明，本发明有关的检测指标的测定方法如下。
(1)极限氧指数(LOI)
按照ASTM D 2863标准测试，测试选用的样条标准为：80mm×10mm×4mm。
(2)垂直燃烧测试(UL-94)
根据ASTM D 3801标准测试，样条的尺寸标准为：125mm×12.7mm×3.2mm。根据样条的燃烧时间，是否有滴落物，滴落物能否引燃脱脂棉等实验结果，将材料定为V-2，V-1，V-0三个阻燃级别。
(3)锥形量热仪(CONE)
根据ISO 5660测试标准测试，样条的尺寸为100mm×100mm×3mm，辐射热流强度为35kW/m2(740℃)。
环氧树脂(epoxy resin，简称EP)是一类用量大、应用广的热固性树脂，它因其优良的介电性、耐药性、粘结性、物理机械性而被广泛应用，可作为涂料、胶黏剂、模压剂、浇注料等用于土木、建筑、电子、航空等众多领域，渗透到国民经济的各个方面。EP虽然具有较多优异性能，但其极限氧指数较低，易燃，且燃烧时容易滴落，使其在工业、生活中的应用隐藏着巨大隐患。因此，当务之急，改善环氧树脂的阻燃性，提高火灾安全性，成为现阶段扩大其应用范围的主要趋势。
应用实施例1：
称取制备方法实施例1中的阻燃剂(6BTP)5g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将各个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体测试数据如表1所示。
应用实施例2：
称取实施例2中的阻燃剂(6BTP)10g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将各个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体测试数据如表1所示。
应用实施例3：
称取实施例3中的阻燃剂(6BTP)15g，将其加入到50g E-44环氧树脂中，升温至100℃充分搅拌至阻燃剂完全混合均匀。逐渐冷却至室温，然后加入3.5ml室温固化剂乙二胺，充分搅拌，并通过超声仪进一步将各个成分分布均匀，最后将环氧树脂浇注到聚四氟乙烯模具中，常温固化12小时，加热到60℃后固化2小时。样品放置5天，测试其阻燃性能，具体测试数据如表1所示。
表1阻燃环氧树脂的测试数据
由表1可知，随着6BTP阻燃剂质量比的增加，LOI逐渐增加，热释放速率和生烟总量逐渐降低。6BTP含量为20％时，达到了UL94V-1等级。当加入30％6BTP后，LOI达到了30.3％，同时达到了UL94V-0等级，热释放速率由781kW/m2降为378kW/m2，生烟总量由50.4m2降为23.3m2。当6BTP的含量仅为10％的时候，燃烧过程无滴落，这主要归因于B-O-C结构的形成，使炭层更加稳定，同时形成的炭层较为膨胀，能有效的防止滴落。另外，形成的稳定膨胀的炭层，能够有效的隔绝热量，吸附烟和吸收可燃颗粒，从而降低热释放速率，阻碍烟的扩散，达到阻燃和抑烟的作用。