专利名称：一种用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂及其合成方法
技术领域：
本发明属于环保型无卤阻燃产品的技术领域，具体地说，本发明涉及一种包含三嗪结构和苯环结构的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂及其合成方法。
背景技术：
有机高分子材料的广泛应用给人们的生产生活带来了极大的便利。然而由于大多数有机高分子材料都属易燃材料，大大限制了其在众多场合的使用，因此，阻燃剂成为了高分子材料应用的重要助剂之一。传统的高效阻燃剂中，一般含有卤素，尤其是溴，当此类阻燃剂与三氧化二锑复配后对高分子材料具有良好的阻燃效果。但是此类阻燃剂在燃烧或加工时会释放出大量有毒有害物质，造成二次污染，从而严重地破坏了周围环境，因此，逐渐遭到禁用。膨胀型阻燃剂(IFR)是近年来新发展的环保型无卤阻燃剂之一，其在燃烧时能形成致密的炭层，减少有毒有害气体和烟雾的释放，并能有效地防止高分子材料燃烧过程中熔滴现象的产生，因此特别适用于烯烃类聚合物的阻燃。IFR在阻燃剂领域中越来越受到重视，是一种非常有应用前景的绿色环保型阻燃剂。膨胀型阻燃剂(IFR)通常由炭源、酸源和气源三种组份构成。当三源匹配合理时， 膨胀阻燃剂燃烧将形成致密的炭层，起到阻隔热量的传递，切断空气和可燃性气体的供给， 保护下层聚合物的作用，从而达到阻燃的目的。传统的膨胀型阻燃剂中，成炭剂主要使用季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇、淀粉等多羟基化合物，此类成炭剂容易迁移，水溶性大， 热稳定性不高，加工过程中容易与多聚磷酸盐反应，因此，新型成炭剂的开发是当前膨胀型阻燃剂研究的一个重要方向。三嗪类衍生物是一类富含叔氮结构的化合物，其优良的成炭性能引起了研究人员的广泛关注。三嗪类衍生物的合成一般是采用三聚氯氰为起始原料。三聚氯氰分子结构中含有三个氯原子，具有较高的反应活性，并且三个氯原子的反应活性不同，在不同的反应条件下可以分别激活，发生亲核取代反应，因此，采用不同的工艺可以得到不同用途和性质的三嗪类衍生物；并且三聚氯氰的合成工艺简单成熟，廉价易得，因此，以三聚氯氰为原料制备三嗪类衍生物具有成本优势。日本专利JP. Pat. No. 0，583，065，Al (1994)中公开了采用三聚氯氰为起始物，以丙酮为溶剂，氢氧化钠为缚酸剂，在0-5°C下，先与二胺类物质发生二取代反应，反应时间为 10左右小时，反应结束后过滤，洗涤后在真空干燥箱中70°C条件下烘干。以二甲苯为溶剂， 二取代中间体与二胺类物质在回流条件下反应发生三取代反应，回流时间为16小时以上， 经过过滤、洗涤和干燥，得到最终产物，产率约为91%，总反应时间在四小时以上，操作复
ο专利ZL200510010243. 4《大分子三嗪系成炭-发泡剂及其合成方法》描述了一种大分子三嗪系成炭-发泡剂及其合成方法。该方法以三聚氯氰为原料，丙酮和水的混合液为溶剂，碱为缚酸剂，分三步合成了大分子三嗪成炭-发泡剂，该成炭-发泡剂与多聚磷酸铵(APP)复配后添加到聚丙烯(PP)中，IFR添加量为22%时，材料能通过UL-94V-0级测试。专利《三嗪系齐聚物及其合成方法》(授权号CN100500657C)，描述了一种以三聚氯氰、 二胺为原料制备的三嗪齐聚物，具有良好的热稳定性和成炭性能。专利《含芳香族链结构的三嗪成炭剂及其制备方法》(公开号CN101586033A)，公开了一种含芳香族链结构的三嗪成炭剂，采用“一锅法”工艺制备，中间体不需要处理，产率高，有很好的成炭性和热稳定性，但是需要使用大量的溶剂，并且芳香族WKN-Ar-NH2, H0-Ar-0H,HS-Ar-SH溶解性能和反应活性较差，需要使用强极性溶剂，如DMF、DMS0等，反应温度也较高。此外，还有一些三嗪类成炭剂的合成报道。如胡小平等(Journal of Applied Polymer Science94,1556-1561, 2004)等，但是合成的三嗪类齐聚物热稳定性差，在100°C 失重已经达到9 %，成炭性能也不佳。这些专利和合成方法在不同程度地存在如下问题制备过程复杂，反应时间较长， 有机溶剂使用量大，产率不高，后处理困难，产物的热稳定性、成炭性和与基体的相容性有待进一步提高，并且含有大量的极性基团，吸水性较强，易使材料吸潮。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是针对现有技术上存在的反应过程不连续、制备过程复杂、反应时间较长、有机溶剂使用量大、产率不高、后处理困难、产物的成炭量低和热稳定性较差的缺点，提供一种大分子三嗪类新型膨胀型成炭剂。本发明的另一个目的是提供上述新型膨胀型成炭剂的合成方法。本发明具有反应过程连续、制备工艺简单、反应时间较短、有机溶剂使用量少且可回收、产率高、后处理方便、产物的成炭量较高和热稳定性较好的优点。本发明的新型膨胀型成炭剂的结构通式为
权利要求
1. 一种用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂，其特征在于，结构式如下
2.一种用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于，包括如下几个步骤(1)将溶剂和三聚氯氰加入到容器中，搅拌并冷却到0-10°C，滴加带苯环的胺、酚或硫酚类物质与缚酸剂的水溶液，在0-10°C下反应1-3小时，得到含苯环的一元取代物，其中三聚氯氰与带苯环的胺、酚或硫酚类物质的摩尔比为1 1;(2)将脂肪族二元胺或脂肪族二元醇类物质与缚酸剂滴加到反应容器中，升高温度至 40-60°C，滴加时间为3-4小时，总反应时间为5-7小时，得到二元取代物，其中一元取代物与二胺或二醇的摩尔比为2 1 ；(3)将脂肪族二元胺或脂肪族二元醇和缚酸剂加入到容器中，升温到80-110°C，将溶剂蒸出，改为冷凝器，回流6-10小时，冷却、洗涤、干燥得到粉末状固体，即为新型膨胀型成炭剂，其中二元取代物与二胺或二醇的摩尔比为1 1。
3.根据权利要求2所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于所使用的溶剂为水、丙酮中的一种或两者的混合液。
4.根据权利要求2和3所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法， 其特征在于所用溶剂用量为100-500ml/mol (三聚氯氰)。
5.根据权利要求2所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于所用的缚酸剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的一种。
6.根据权利要求2所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于所述步骤(1)中，带苯环的胺、酚或硫酚类物质的结构式为M-YH，其中M选自苯基或带有取代基的苯基，Y选自NH、N-X、0、S中的一种，X选自含1-18个碳的直链或带支链烷基、环烷基或带侧基的环烷基、苯基或带有取代基的苯基中的一种。
7.根据权利要求2所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于所述步骤O)、(3)中，脂肪族二元胺或脂肪族二元醇类物质的结构式为HZ-R-S1， 其中Z选自NH、N-X或0中的一种，X选自含1-18个碳的直链或带支链烷基、环烷基或带侧基的环烷基、苯基或带有取代基的苯基中的一种，R为含1-18个碳的直链或支链烷基，含有氧、氮元素直链或支链烷基。
8.根据权利要求2所述的用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂的合成方法，其特征在于所述步骤(3)得到的新型膨胀型成炭剂具有权利要求1所述的结构式。
全文摘要
本发明公开了一种用于阻燃聚烯烃材料的新型膨胀型成炭剂及其合成方法，以三聚氯氰为起始原料，在冰浴中滴加带苯环的胺、酚或硫酚类物质与缚酸剂，首先得到一元取代物，然后滴加脂肪族二元胺或脂肪族二元醇和缚酸剂，升温至40-60℃反应得到二元取代物，最后滴加脂肪族二元胺或脂肪族二元醇和缚酸剂并升温到80-110℃，冷凝器回流，冷却、洗涤、干燥，即得到一类含苯环、三嗪环和二胺或二烷氧基的新型膨胀型成炭剂。本发明反应过程采用“一锅法”，工艺简单、反应时间较短，制备过程绿色环保，所得制品具有较高的热稳定性和成炭效果、低的吸水性，与烯烃类聚合物有较好的相容性，与多聚磷酸铵(APP)复配后，能应用于聚烯烃类材料，并具有良好的阻燃效果。
文档编号C08L71/08GK102161763SQ20111004561
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者冯才敏, 刘四委, 张艺, 池振国, 许家瑞 申请人:中山大学