一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂及其制备方法和应用与流程

本发明属于阻燃剂合成及应用领域，具体涉及一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂及其制备方法和应用。

背景技术：

自从上世纪40年代硅橡胶商业化以来，硅橡胶产品的开发不断进步，各类新产品层出不穷，已成为国民经济的重要部分之一。硅橡胶由于其优异的生物相容性、耐化学腐蚀性、绝缘性、耐候性等，广泛应用于生物、医疗、交通、食品卫生、电子电器等领域。硅橡胶的结构主链是-Si-O-无机链段，理应不易燃烧，但是分子主链侧基上包含有大量的C和H，赋予了硅橡胶可燃性，而且极易发生阴燃，遇明火更是会持续燃烧，短时间内释放大量的热量。硅橡胶的易燃性限制了其在各个领域的应用范围，因此阻燃硅橡胶的开发显得尤为重要。

现今，卤素阻燃剂因其阻燃效率高而且性价比高，仍占据很大的市场份额，但是卤素阻燃剂燃烧时会分解产生腐蚀性烟和有毒气体，对环境和人们的生命安全造成二次伤害。欧盟国家早在2003年就公布了《限制有害物质指令》，近年我国新实施的建筑材料及其制品燃烧性能等级国家标准，也限制了卤系阻燃剂的应用。国内外法律法规对卤系阻燃剂的限制，使得人们对环保型无卤阻燃剂的需求日益强烈。

膨胀阻燃剂以其特有的阻燃作用和阻燃机理，以及低烟、低毒的优势在阻燃领域占有越来越重要的地位，是实现环保无卤阻燃的重要途径之一。膨胀阻燃体系主要是由酸源，碳源和气源三部分组成，酸源催化碳源碳化，气源释放出大量气体使碳化层膨胀，最终在聚合物表面生成均匀的炭质泡沫层，具有隔氧、隔热、抑烟，防熔滴的作用，提高聚合物基体的阻燃性能，应用前景非常广阔。

目前，最典型且应用最广泛的磷-氮系膨胀型阻燃剂是三聚氰胺、聚磷酸胺、季戊四醇系统，但这类混合型膨胀阻燃剂却存在与基体相容性差，而且本身易吸潮等缺点。因此，本发明公开了一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂及其制备方法。按照这种方法制备的膨胀阻燃剂集碳源、酸源、气源于一体，不仅减少添加量，还能降低吸潮性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统混合型磷-氮系膨胀阻燃剂与基体相容性差，而且本身易吸潮等缺点，提供了一种集碳源、酸源、气源于一体的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂及其制备方法，以其制备具备阻燃性能优异的无卤阻燃硅橡胶复合材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂，该磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂具有以下结构：

以上所述的一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将六羟甲基三聚氰胺和三氯氧磷在惰性气体导入下-10～10℃反应生成含氮磷的中间体HTP；

(2)将HTP和三聚氰胺按质量比6-9：1-3溶于水中，50～100℃下反应，然后加入无机碱调节PH至中性并冷却至室温，产物经过滤、洗涤、干燥，得淡黄色粉末，即磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂。

优选的，该方法的合成路线如下：

优选的，步骤(1)所述六羟甲基三聚氰胺和三氯氧磷的投料摩尔比为1：1-1：3；所述反应的时间为4～7h。

优选的，步骤(1)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。

优选的，步骤(2)所述HTP和三聚氰胺的质量比为(6-9)：(1-3)。

优选的，步骤(2)所述反应的时间为5～10h。

优选的，步骤(2)所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾和三乙胺中的任一种或多种。

以上所述的一种磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂在制备无卤阻燃硅橡胶复合材料中的应用，该无卤阻燃硅橡胶复合材料的组分和各组分的质量百分比如下：

硅橡胶：70.5-80％，

硫化剂：0.4-4％，

磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂：18-27.5％。

优选的，所述的硅橡胶为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅橡胶、腈硅橡胶和二乙基硅橡胶中的一种以上；所述的硫化剂为2,4-二氯过氧化苯甲酰、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化苯甲酰和过氧化二异苯丙中的一种以上。

优选的，所述的无卤阻燃硅橡胶复合材料的制备包括以下步骤：将硅橡胶、磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂和硫化剂在15-40℃下于开炼机或密炼机中混炼15-20min，然后用平板硫化仪于100-140℃下进行平板硫化10-20min，得无卤阻燃硅橡胶复合材料。

本发明制备的一种集碳源、酸源、气源于一体的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂能够有效的提高硅橡胶基体的阻燃性能，并可以应用到其他聚合物阻燃体系领域，这对阻燃剂的合成和复合材料的阻燃改性，都具有深远的意义。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的合成工艺简单，不需要复杂的后处理步骤，制备过程采用水作溶剂，符合环保发展要求，具有相当大的应用发展前景，便于工业化的实现；

(2)本发明的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂集碳源、酸源、气源于一体，解决了传统混合型膨胀阻燃剂相容性差，易吸潮的缺点，另外也减轻应用时繁琐的加料过程，同时也为膨胀阻燃剂的结构设计提供了另一种思路。

(3)在加工制备硅橡胶复合材料的过程中，本发明的氮磷膨胀阻燃剂与硅橡胶的相容性及加工性能好，制备方法简单易行，得到的复合材料具有良好的阻燃性能。

附图说明

图1是实施例1中磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的红外谱图。

图2是实施例2中磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的热失重曲线。

图3是实施例4中无卤阻燃硅橡胶复合材料的热失重曲线。

具体实施方式

为了更好地叙述和理解本发明,下面结合实施例和附图对本发明的具体实施作进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

第一步：将25g六羟甲基三聚氰胺加入到500ml四口烧瓶中，控制温度在-10℃，用恒压滴液漏斗逐滴滴加12.5g三氯氧磷，并通氮气，恒温反应7h，反应结束后得棕黄色粘稠状中间体HTP。第二步：将300ml去离子水加入到45g中间体HTP中，搅拌至中间产物HTP完全溶解后,加入15g三聚氰胺，并升温至50℃反应5h。用三乙胺调节PH值至中性，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥后，得到淡黄色粉末，即磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂(HTPME)。本实施例制备的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的红外谱图如图1所示。HTPME的红外谱图中，3555-3030cm^-1处宽峰是由大量伯胺的N-H伸缩振动引起的；2943cm^-1处为亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰；2980cm^-1左右和2800～2400cm^-1范围内的一系列弱的、尖锐的谱带是取代的铵NH₃⁺的吸收峰；1630cm^-1处的强峰为-NH₂的弯曲振动峰；1550cm^-1处强峰、812cm^-1处较弱的吸收峰为三氰杂环的特征谱带；1130～920cm^-1范围内的新峰为磷酸盐中P＝O的特征谱带；1333cm^-1处为P-O-C的C-O键的伸缩振动峰。由此表明合成了磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂。

实施例2

第一步：将25g六羟甲基三聚氰胺加入到500ml四口烧瓶中，控制温度在0℃，用恒压滴液漏斗逐滴滴加25g三氯氧磷，并通氩气，恒温反应5h，反应结束后得棕黄色粘稠状中间体HTP。第二步：将300ml去离子水加入到30g中间体HTP中，搅拌至中间产物HTP完全溶解后,加入5g三聚氰胺，并升温至75℃反应7h。用氢氧化钠调节PH值至中性，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥后，得到淡黄色粉末，即磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂。本实施例制备的磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的热失重曲线如图2所示。在700℃时，残碳量为21.5％。膨胀型阻燃剂的成炭能力越强，越易形成可保护深层硅橡胶基体的多孔炭层，从而赋予硅橡胶良好的阻燃性能。

实施例3

第一步：将25g六羟甲基三聚氰胺加入到500ml四口烧瓶中，控制温度在10℃，用恒压滴液漏斗逐滴滴加37.5g三氯氧磷，并通氦气，恒温反应4h，反应结束后得棕黄色粘稠状中间体HTP。第二步：将400ml去离子水加入到35g中间体HTP中，搅拌至中间产物HTP完全溶解后,加入10g三聚氰胺，并升温至100℃反应5h。用氢氧化钾调节PH值至中性，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥后，得到淡黄色粉末，即磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂。第三步：按质量比70.5：27.5：2将甲基乙烯基硅橡胶、磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷在25℃下于开炼机中混炼20min，然后用平板硫化仪于100℃下进行平板硫化20min得到无卤阻燃硅橡胶复合材料。表1是关于纯的硅橡胶和无卤阻燃硅橡胶复合材料阻燃性能的数据。

表1

从表1中可以发现，与纯的硅橡胶相比，添加了磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂的无卤阻燃硅橡胶复合材料具有更好的阻燃性能。

实施例4

第一步：将25g六羟甲基三聚氰胺加入到500ml四口烧瓶中，控制温度在10℃，用恒压滴液漏斗逐滴滴加37.5g三氯氧磷，并通氦气，恒温反应6h，反应结束后得棕黄色粘稠状中间体HTP。第二步：将300ml去离子水加入到40g中间体HTP中，搅拌至中间产物HTP完全溶解后,加入7.5g三聚氰胺，并升温至100℃反应10h。用氢氧化钾调节PH值至中性，冷却至室温后，经过滤、洗涤、干燥后，得到淡黄色粉末，即磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂。第三步：按质量比80：19：1将二乙基硅橡胶、磷酸酯密胺盐类氮磷膨胀阻燃剂、2,4-二氯过氧化苯甲酰在25℃下于密炼机中混炼15min，然后用平板硫化仪于140℃下进行平板硫化10min得到无卤阻燃硅橡胶复合材料。本实施例制备的无卤阻燃硅橡胶复合材料的热失重曲线如图3所示。膨胀阻燃剂的添加促进硅橡胶的炭化层提前形成、完善，阻碍了更深层硅橡胶更严重的降解，起到了阻燃作用。