一种超支化膨胀型阻燃剂及其制备方法与流程

(一)
技术领域：
本发明涉及三源一体膨胀型阻燃剂领域，具体涉及一种超支化膨胀型阻燃剂及其制备方法和应用。(二)
背景技术：
：随着科学技术的不断发展，人类的生活已经越来越离不开聚合物材料。但是聚合物材料在使用过程中常常会遇到许多问题，如热老化，光老化，燃烧，静电等问题，其中聚合物材料的易燃性是其在使用过程中面临的最大的问题，因此通常要在聚合物中添加阻燃剂来提高它的阻燃性能。目前世界上使用最多的仍然是卤系阻燃剂，但是卤素阻燃剂在燃烧时会生成大量的烟和有毒且具有腐蚀性的气体，对环境和人体造成很大的危害，因此限制了它在很多领域中的应用。在聚合物材料的阻燃研究中，使用膨胀型阻燃剂(intumescentflameretardant，ifr)是近几年的研究热点，也被认为是最有发展前景的一种阻燃剂。它一般由三部分组成，即酸源、炭源和气源，在聚合物燃烧的过程中，这三部分之间相互发生复杂的化学反应，在基体表面形成一层膨胀的致密的碳层，隔绝了可燃性气体和热量的传递，从而起到阻燃的作用。相比于卤系阻燃剂，ifr具有无卤、无氧化锑、低烟、低毒、无腐蚀性气体、抗熔滴等优点。但是常用的ifr为多组分型阻燃剂，各组分之间的协同性较差，且与基体相容性也比较差，在使用过程中会迁移到基体表面，大大的降低了阻燃性能。中国专利cn104163926a报道了一种磷氮接枝木质素磺酸盐膨胀型阻燃剂及其制备方法，木质素磺酸盐是工业造纸废液的提取物，这符合了环保的要求。但是该单组分阻燃剂选用咪唑作为气源，使用过程中可能会对环境以及人体健康造成危害。中国专利cn102634974a报道了一种含双笼状磷酸酯的阻燃剂及其制备方法，将该阻燃剂应用在染色工艺中，但是该阻燃剂与基体的相容性不是很好，且阻燃效果也没有很大程度的提高。贺攀等用六氯环三磷腈和三甲基硅醇为原料合成了一种含硅磷腈的阻燃剂，但是由于三甲基硅醇的位阻较大，合成过程中不能完全与六氯环三磷腈发生反应，导致阻燃剂的产率很低(含硅磷腈阻燃剂的合成及其阻燃性能的研究.贺攀，浙江大学硕士学位论文，2013)。sechinchang等以三聚氰氯和磷酸三乙酯为原料，合成了一种应用在织物表面的阻燃剂，该阻燃剂会和织物上的羟基发生反应，从而接枝到织物的表面，但是该阻燃剂在合成过程中会使用大量的甲苯，会造成污染，并且生产周期很长，效率较低(flameretardantpropertiesoftriazinephosphonatesderivativewithcottonfabric.fibersandpolymers2011,vol.12,no.3,334-339)。与传统的线性分子相比，超支化聚合物具有较低的特性粘度，较少的分子内缠结和良好的溶解性等优点，近几十年来，得到了广泛的关注。如：中国专利cn102304222a报道了一种以季戊四醇为中心，聚磷酸酯为“臂”的超支化阻燃剂，但是该阻燃剂合成步骤较为繁琐，要分多步进行，降低了合成的效率。(三)技术实现要素：本发明的目的旨在克服上述阻燃体系中的缺点，选用三聚氰氯作为气源，降低了对环境以及人体的危害，并将气源、酸源和炭源集合到一个分子上，通过一步法分段升温的方法高效的制备了一种三源一体超支化膨胀型阻燃剂。一种超支化膨胀型阻燃剂，具有以下结构：其中，r1～r6基团各自独立为下列结构之一：本发明所述的超支化膨胀型阻燃剂的制备方法具体按如下步骤进行：(1)以1-氧代-4-羟甲基-1-磷杂-2,6,7-三氧杂双环[2,2,2]-辛烷(pepa)、三甲基硅醇或木质素磺酸钠中的一种或任意两种的混合物为第一单体，三聚氰氯为第二单体，在有机溶剂中，在缚酸剂a存在下，在30℃～50℃下反应2.5～5.5h，生成二取代产物，所述的第一单体与第二单体总的物质的量之比为2.0～2.3:1；所述的第一单体的物质的量为第一单体中各物质物质的量的总和；(2)向步骤(1)所得二取代产物中加入第三单体多元醇，在缚酸剂b存在下，在70℃～95℃下继续反应3～6h，所得反应混合物经后处理得到超支化膨胀型阻燃剂；所述的第三单体与第二单体的物质的量之比为1：2.0～4.1。进一步，步骤(2)中，所述多元醇为下列之一：进一步，步骤(1)或(2)中，所述的缚酸剂a和缚酸剂b各自独立为氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠、三乙胺、吡啶、n-甲基吗啉中的一种或多种任意比例的组合。再进一步，步骤(1)中，所述的缚酸剂a与第二单体的物质的量之比为2:1。再进一步，步骤(2)中，所述的缚酸剂b与二取代产物的物质的量之比为1:1。进一步，步骤(1)中，所述的有机溶剂为二氧六环、二甲基亚砜、乙腈、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷、甲醇、氯仿中的一种或多种任意比例的组合。再进一步，步骤(1)中，所述的有机溶剂的加入量以第二单体的物质的量来计为2.08ml/mol。进一步，步骤(2)中，所述反应混合物的后处理方法为：反应结束后，向所述反应混合物中加入沉淀剂，得到沉淀物，将所述的沉淀物过滤，洗涤并烘干，得到目标产物超支化膨胀型阻燃剂。再进一步，所述的沉淀剂为石油醚、甲醇、乙醇、丙酮、去离子水中的一种或几种。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：①本发明通过超支化结构设计，并且优化和改进工艺条件以及合理选择反应物的配比，制备出了集酸源、气源和炭源于一体的超支化膨胀型阻燃剂，与传统的阻燃体系相比，该超支化阻燃剂在基体中的添加量低。同时，由于具有超支化结构，使得该阻燃剂难以结晶，也无链缠结，提高了与基体的相容性，有利于降低阻燃剂的吸湿性，进而提高阻燃剂的耐水性和耐迁移性。②本发明的反应过程简单、反应时间短，使得合成效率大大提高，合成过程中对环境的污染小，并且阻燃剂产率较高，并提高了与基体的相容性，从而起到一定的增强效果，提高了复合材料的力学性能。③本发明提供的超分子阻燃剂的结构具有多样性，这就使得它的适用范围很广。传统的阻燃剂由于其结构单一，各组分之间的协同性差，适用性小，无法同时阻燃多种聚合物，但是该超分子阻燃剂能应用于大多数聚合物阻燃中，比如：木塑复合材料、聚丙烯、聚碳酸酯和聚酰胺等。④本发明在阻燃剂中引入磷和硅为阻燃元素，磷元素在燃烧过程中能更快速的催化成炭反应，加快基体表面碳层的形成；硅元素的加入，有利于提高碳层的致密性，阻隔了可燃性气体和热量的传递，进一步的提高了阻燃性能。⑤本发明可以在超分子阻燃剂中引入多羟基的天然高分子作为成炭剂，比如木质素磺酸钠，这样既符合了环保的要求，又提高了阻燃剂的成炭能力。⑥本发明可以应用在家具木塑复合材料阻燃、汽车顶棚阻燃等领域，适用范围广泛。附图说明图1是实例1中制备的阻燃剂的核磁谱图。图2是实例2中制备的阻燃剂的核磁谱图。图3是实例3中制备的阻燃剂的核磁谱图。(四)具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明，但不限于这些实施例。实施例1在装有恒压滴液漏斗、蛇形冷凝管、和温度计的500ml三口圆底烧瓶中加入22.14g(0.12mol)三聚氰氯和250ml二氧六环，在30℃下用磁力搅拌使三聚氰氯完全溶解，然后将49.68g(0.276mol)pepa缓慢加入到烧瓶中，反应半小时后，用恒压滴液漏斗将24.24g(0.24mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，1小时内滴加完毕，然后继续反应1.5小时后得到三聚氰氯的二取代产物。继续将体系的温度升高至70℃，向圆底烧瓶中加入3.72g(0.06mol)乙二醇，然后用恒压滴液漏斗将12.12g(0.12mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，反应6小时后将体系冷却到室温，用乙醇作为沉淀剂，将沉淀过滤，洗涤并烘干，得到超分子膨胀型阻燃剂。实施例2在装有恒压滴液漏斗、蛇形冷凝管、和温度计的500ml三口圆底烧瓶中加入22.14g(0.12mol)三聚氰氯和250ml二甲基亚砜，在40℃下用磁力搅拌使三聚氰氯完全溶解，然后将21.60g(0.12mol)pepa和64.14g(0.12mol)木质素磺酸钠缓慢加入到烧瓶中，反应半小时后，用恒压滴液漏斗将24.24g(0.24mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，1.5小时内滴加完毕，然后继续反应3小时后得到三聚氰氯的二取代产物。继续将体系的温度升高至85℃，向圆底烧瓶中加入3.68g(0.04mol)丙三醇，然后用恒压滴液漏斗将12.12g(0.12mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，反应4小时后将体系冷却到室温，用甲醇作为沉淀剂，将沉淀过滤，洗涤并烘干，得到超分子膨胀型阻燃剂。实施例3在装有恒压滴液漏斗、蛇形冷凝管、和温度计的500ml三口圆底烧瓶中加入22.14g(0.12mol)三聚氰氯和250ml二甲基甲酰胺，在50℃下用磁力搅拌使三聚氰氯完全溶解，然后将21.60g(0.12mol)pepa和13.44g(0.12mol)三甲基硅醇缓慢加入到烧瓶中，反应半小时后，用恒压滴液漏斗将24.24g(0.24mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，1.5小时内滴加完毕，然后继续反应4小时后得到三聚氰氯的二取代产物。继续将体系的温度升高至95℃，向圆底烧瓶中加入3.944g(0.029mol)季戊四醇，然后用恒压滴液漏斗将12.12g(0.12mol)三乙胺缓慢滴加到圆底烧瓶中，反应3小时后将体系冷却到室温，用丙酮作为沉淀剂，将沉淀过滤，洗涤并烘干，得到超分子膨胀型阻燃剂。(五)阻燃性能测试为了说明本发明的实际阻燃效果，以及其使用范围广的特点，将本发明实施例中的产品添加到木塑复合材料和聚碳酸酯这两种不同的基体中，阻燃剂的添加量为15wt％。然后根据gb/t2406-2009和gb/t2408-2008对材料进行制样和阻燃性能的测试。测试结果如下表1和表2所示：表1实施例产品阻燃木塑复合材料的测试结果表2实施例产品阻燃聚碳酸酯的测试结果实施例氧指数ul-94纯聚碳酸酯24.1％v-2实施例134.2％v-0实施例235.5％v-0实施例335.1％v-0由上表1和表2可知，在加入本发明的超支化膨胀型阻燃剂后，木塑复合材料和聚碳酸酯的氧指数明显提高，且ul-94垂直燃烧测试也达到了v-0级别，证明了该阻燃剂有很好的阻燃效果。而且，本发明阻燃剂含有丰富的天然高分子炭源，在测试过程中，阻燃剂会在基体表面形成一层膨胀致密的碳层，该碳层有效的阻隔了热量的传递以及可燃性气体与基体的接触，从而降低了基体的降解速率，提高了阻燃剂的阻燃性能。当前第1页12