CN107365433A - 一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂及其制备方法,采用以下重量份组分的原料制备得到:天然橡胶基体:100、硫化剂:2~3、促进剂:1~1.5、硬脂酸:0.5~1.0、氧化锌:3~5、防老剂:1~3、超支化改性硅藻土:10~15,将上述组分按比例投入开炼机中,在温度为30~50℃的条件下进行混炼,即获得超支化含磷改性硅藻土阻燃剂。与现有技术相比,本发明具有降低溶液黏度,提高阻燃剂的分散性能,使其易于添加到材料中等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻燃剂的制备方法,尤其是涉及一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂及其制备方法。
背景技术
火灾一直威胁着人们的生命和财产安全,我国每年发生的火灾大约是13万起,平均损失接近200亿元,给人民群众带来了身体的伤害和财产上的损失。为了解决这个问题,使用能够阻止或者延缓燃烧的材料已经成为一种趋势,近些年来人们在一些人流量密集的公共场所和重要的建筑中使用了阻燃材料。阻燃材料相比传统材料而言,只需多付出少量的成本就可以防止***损失。制备阻燃材料主要分为接枝阻燃、添加剂阻燃和涂层阻燃。
阻燃剂是一种加入到高聚物中的、能够显著提高材料的阻燃性能的物质。阻燃剂由于其具有较低成本和方便的添加使用方法,因此被广泛使用于阻燃材料中。阻燃剂及阻燃高分子材料通过气相、固相或者两者相结合的阻燃机理来达到阻燃的目的,在一定程度上可以使高聚物燃烧所产生的危害减少到最小,以减少火灾引起的生命财产损失。因此研制廉价、高效的阻燃剂,提高材料的阻燃效果,提高建筑物的防火等级,对于城市安全及经济健康发展至关重要。
阻燃材料是能够抑制或者延滞燃烧而自己并不容易燃烧的材料。其阻燃特性主要来自材料元素的阻燃性能和添加剂的效果。磷系阻燃剂是阻燃剂的重要种类之一,它通过气相和固相两种阻燃机理提升材料的阻燃性能。
超支化阻燃剂对材料的阻燃性能提升有两个方面:第一是凝聚相阻燃的方式,其中又可分为成炭作用和涂层作用,磷系阻燃剂高温下会分解为含磷酸或酸酐,酸酐可以使材料磷酰化并释放出水,磷酰化的材料可转变为炭。此时阻燃剂的作用来自:①生成不燃的水蒸气;②炭层的保护作用;③降低可燃物。磷元素也可使碳上的可氧化活性中心钝化,形成抑制石墨碳被游离氧气氧化的涂层。第二种阻燃机理是气相阻燃,可分为化学作用和物理作用。化学作用:在火焰中,阻燃剂分解成小分子或自由基,它们可使火焰去氢自由基浓度降低,从而使火焰熄灭。物理作用:通过蒸发热和比热容使气相阻燃性能提高。
硅藻土是一种硅质岩石,是一种生物成因的硅质沉积岩,它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以二氧化硅为主,具有一定的阻燃性能。超支化作为树枝大分子的一种,在结构上是一种不完美的对称性结构的树枝大分子,而在结构上却有着与完美树状大分子的理化特性。单体缩聚反应生成可溶性的高度支化的聚合物,这种聚合物不是完美的树枝状大分子,而是结构有缺陷的聚合物,这种聚合物称为超支化聚合物。超支化聚合物的溶液黏度先随着分子量的增大而增大,后逐渐减小。
大量的研究表明,含磷阻燃剂的加入可以使材料的阻燃性能得到有效提高。阻燃剂的阻燃性能与其颗粒半径成反比,由于粒径越小,颗粒间的作用力越大,在材料中的分散越困难,因此需要对其分子结构进行设计,降低溶液黏度,提高阻燃剂的分散性能,使其易于添加到材料中。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提升分散性能的超支化含磷改性硅藻土阻燃剂及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,采用以下重量份组分的原料制备得到:
天然橡胶基体:100、硫化剂:2~3、促进剂:1~1.5、硬脂酸:0.5~1.0、氧化锌:3~5、防老剂:1~3、超支化改性硅藻土:10~15。
所述的超支化改性硅藻土采用以下方法制备得到:
(1)KH-560改性硅藻土的制备
在40-60℃的反应温度下,向烘干的硅藻土中加入无水乙醇,然后再滴加KH-560,抽滤后使用乙醇洗涤,得到的滤饼经超声、抽滤,烘干处理,得到KH-560接枝硅藻土;
(2)开环改性硅藻土的制备
将硅藻土、Co(Ac)2·4H2O、H2O及THF在在冰水浴中搅拌混合24h,然后自然升温至室温,24h后过滤,使用乙醇洗涤再烘干,得到开环改性硅藻土;
(3)超支化改性硅藻土的制备
将开环改性硅藻土、PER、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜混合并干燥,然后在油浴锅中于100℃回流分水,反应2-4h后倒出,先用大量水洗涤,将多余的酰卤变为羧基,后用大量甲醇洗涤,除去杂质;得到DDP-季戊四醇超支化改性硅藻土。
步骤(1)中硅藻土、无水乙醇及KH-560的比例关系为6~14g:150~250mL:30~50mL,KH-560的滴加速度为5~15mL/h。
步骤(2)中硅藻土、Co(Ac)2·4H2O、H2O及THF的比例关系为6~14g:0.035~0.071g:0.07~0.13mL:70~130mL
步骤(3)中开环改性硅藻土、PER及[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸的比例关系为1g:0.25~0.35g:1.25~2.5g,开环改性硅藻土、PER、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜在分水器中加入氧化钙用于过程中干燥。
所述的硫化剂为硫磺。
所述的促进剂为2-硫醇基苯并噻唑,
所述的防老剂为N-苯基-2-萘胺类防老剂。
超支化含磷改性硅藻土阻燃剂的制备方法,按配方组成准备原料,然后依次将天然橡胶基体、氧化锌、硬脂酸、促进剂、防老剂、超支化改性硅藻土和硫化剂按照上述比例投入开炼机中,在温度为30~50℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
与现有技术相比,本发明对阻燃剂的分子结构进行设计,从而可以降低溶液黏度,提高阻燃剂的分散性能,使其易于添加到材料中。
本工艺通过将KH-560水解,将其与硅藻土表面的羟基发生反应,接枝到硅藻土表面,再通过加入催化剂的方式使KH-560的末端环氧基开环产生羟基,过量DDP的二元羧酸基团酰氯化后与KH-560改性硅藻土表面的羟基发生酯化反应,接枝到硅藻土表面,同时加入的季戊四醇与酰氯和酰氯接枝的硅藻土发生超支化酯化反应,最后加水使用羟基置换氯原子进行封端。因为对硅藻土进行了有机改性,所以解决了单一硅藻土加工时分散性不佳的问题。并且同时含有硅、磷两种元素,在天然橡胶燃烧时起到固相和气相阻燃的作用,因此具有很好的阻燃性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
对比例1
将天然橡胶100g、氧化锌3g、硬脂酸0.5g、促进剂1g、防老剂1g和硫磺2g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为30℃的条件下进行混炼,即获得普通天然橡胶。
普通天然阻燃橡胶的损耗因子、拉伸强度、断裂伸长率,见表2。
对比例2
将天然橡胶100g、氧化锌4g、硬脂酸0.8g、促进剂1.2g、防老剂2g和硫磺2.5g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为40℃的条件下进行混炼,即获得普通天然橡胶。
普通天然阻燃橡胶的损耗因子、拉伸强度、断裂伸长率,见表2。
对比例3
将天然橡胶100g、氧化锌5g、硬脂酸1.0g、促进剂1.5g、防老剂3g和硫磺3g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为50℃的条件下进行混炼,即获得普通天然橡胶。
普通天然阻燃橡胶的损耗因子、拉伸强度、断裂伸长率,见表2。
实施例1
在三口烧瓶中加入14g烘干的硅藻土,加入200mL无水乙醇,在6小时内使用恒压分液漏斗以5mL/h的速率向烧瓶中加入30mL KH-560,反应温度为50℃。抽滤,使用乙醇洗涤,将滤饼转移至锥形瓶超声20min,抽滤,烘干,得到KH-560接枝硅藻土。在锥形瓶中加入10g硅藻土,0.053g Co(Ac)2·4H2O,0.1mL H2O及100mL THF,放入磁子,在冰水浴中搅拌24h,自然升温至室温,期间不用补加冰。24小时后过滤,使用50%的乙醇水溶液洗涤,放入烘箱烘干,得到开环KH-560改性硅藻土。称取35g DDP、5g的季戊四醇和20g有机改性硅藻土于三颈烧瓶中,加入过量二氯亚砜作为酰化剂和溶剂,于100℃搅拌4小时。然后抽滤,使用甲醇洗涤,真空干燥4小时,得到本发明的阻燃剂,得到超支化改性硅藻土。将天然橡胶100g、氧化锌3g、硬脂酸0.5g、促进剂1g、防老剂1g、超支化改性有机硅藻土20g和硫磺2g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为30℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
超支化改性有机硅藻土的粒径大小见表1。
阻燃天然橡胶的极限氧指数、水平—垂直燃烧时间、热释放速率,见表2。
实施例2
在三口烧瓶中加入6g烘干的硅藻土,加入150mL无水乙醇,在4小时内使用恒压分液漏斗以10mL/h的速率向烧瓶中加入60mL KH-560,反应温度为60℃。抽滤,使用乙醇洗涤,将滤饼转移至锥形瓶超声20min,抽滤,烘干,得到KH-560接枝硅藻土。在锥形瓶中加入14g硅藻土,0.035g Co(Ac)2·4H2O,0.07mL H2O及130mL THF,放入磁子,在冰水浴中搅拌24h,自然升温至室温,期间不用补加冰。24小时后过滤,使用50%的乙醇水溶液洗涤,放入烘箱烘干,得到开环KH-560改性硅藻土。称取25g DDP、6g的季戊四醇和20g有机改性硅藻土于三颈烧瓶中,加入过量二氯亚砜作为酰化剂和溶剂,于120℃搅拌3小时。然后抽滤,使用甲醇洗涤,真空干燥4小时,得到本发明的阻燃剂,得到超支化改性硅藻土。将天然橡胶100g、氧化锌4g、硬脂酸0.8g、促进剂1.2g、防老剂2g、超支化改性有机硅藻土20g和硫磺2.5g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为30℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
超支化改性有机硅藻土的粒径大小见表1。
阻燃天然橡胶的极限氧指数、水平—垂直燃烧时间、热释放速率,见表2。
实施例3
在三口烧瓶中加入10g烘干的硅藻土,加入250mL无水乙醇,在8小时内使用恒压分液漏斗以15mL/h的速率向烧瓶中加入90mL KH-560,反应温度为60℃。抽滤,使用乙醇洗涤,将滤饼转移至锥形瓶超声20min,抽滤,烘干,得到KH-560接枝硅藻土。在锥形瓶中加入6g硅藻土,0.071g Co(Ac)2·4H2O,0.13mL H2O及70mLTHF,放入磁子,在冰水浴中搅拌24h,自然升温至室温,期间不用补加冰。24小时后过滤,使用50%的乙醇洗涤,放入烘箱烘干,得到开环KH-560改性硅藻土。称取50g DDP、7g的季戊四醇和20g有机改性硅藻土于三颈烧瓶中,加入过量二氯亚砜作为酰化剂和溶剂,于90℃搅拌4小时。然后抽滤,使用甲醇洗涤,真空干燥4小时,得到本发明的阻燃剂,得到超支化改性硅藻土。将天然橡胶100g、氧化锌5g、硬脂酸1g、促进剂1.5g、防老剂3g、超支化改性有机硅藻土20g和硫磺3g等按照上述比例投入开炼机中,在温度为30℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
超支化改性有机硅藻土的粒径大小见表1。
阻燃天然橡胶的极限氧指数、水平—垂直燃烧时间、热释放速率,见表2。
表1改性有机硅藻土的粒径大小
实施例 | 粒径(mm) |
1 | 2.6 |
2 | 2.2 |
3 | 2.5 |
表2阻燃天然橡胶的极限氧指数、水平燃烧时间、垂直燃烧时间
表3超支化阻燃剂的主要光谱红外峰位置及其对应的基团
实施例4
一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,采用以下重量份组分的原料制备得到:天然橡胶基体:100、硫磺:2、促进剂2-硫醇基苯并噻唑:1、硬脂酸:0.5、氧化锌:3、N-苯基-2-萘胺类防老剂:1、超支化改性硅藻土:10。
其中超支化改性硅藻土采用以下方法制备得到:
(1)KH-560改性硅藻土的制备
在40℃的反应温度下,向14g烘干的硅藻土中加入150mL无水乙醇,然后再滴加30mL的KH-560,KH-560的滴加速度为5mL/h,抽滤后使用乙醇洗涤,得到的滤饼经超声、抽滤,烘干处理,得到KH-560接枝硅藻土;
(2)开环改性硅藻土的制备
将6g硅藻土、0.035g的Co(Ac)2·4H2O、0.07mL的H2O及70mL的THF在在冰水浴中搅拌混合24h,然后自然升温至室温,24h后过滤,使用乙醇洗涤再烘干,得到开环改性硅藻土;
(3)超支化改性硅藻土的制备
将1g开环改性硅藻土、0.25g的PER、1.25g[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜混合并干燥,然后在油浴锅中于100℃回流分水,反应2h后倒出,先用大量水洗涤,将多余的酰卤变为羧基,后用大量甲醇洗涤,除去杂质,得到DDP-季戊四醇超支化改性硅藻土。
超支化含磷改性硅藻土阻燃剂在制备时,按配方组成准备原料,然后依次将天然橡胶基体、氧化锌、硬脂酸、促进剂、防老剂、超支化改性硅藻土和硫磺剂按照上述比例投入开炼机中,在温度为30℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
实施例5
一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,采用以下重量份组分的原料制备得到:天然橡胶基体:100、硫磺:3、促进剂2-硫醇基苯并噻唑:1.5、硬脂酸:1.0、氧化锌:5、N-苯基-2-萘胺类防老剂:3、超支化改性硅藻土:15。
其中超支化改性硅藻土采用以下方法制备得到:
(1)KH-560改性硅藻土的制备
在40℃的反应温度下,向6g烘干的硅藻土中加入250mL无水乙醇,然后再滴加50mL的KH-560,KH-560的滴加速度为15mL/h,抽滤后使用乙醇洗涤,得到的滤饼经超声、抽滤,烘干处理,得到KH-560接枝硅藻土;
(2)开环改性硅藻土的制备
将14g硅藻土、0.071g的Co(Ac)2·4H2O、0.13mL的H2O及130mL的THF在在冰水浴中搅拌混合24h,然后自然升温至室温,24h后过滤,使用乙醇洗涤再烘干,得到开环改性硅藻土;
(3)超支化改性硅藻土的制备
将1g开环改性硅藻土、0.35g的PER、2.5g[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜混合并干燥,然后在油浴锅中于100℃回流分水,反应4h后倒出,先用大量水洗涤,将多余的酰卤变为羧基,后用大量甲醇洗涤,除去杂质,得到DDP-季戊四醇超支化改性硅藻土。
超支化含磷改性硅藻土阻燃剂在制备时,按配方组成准备原料,然后依次将天然橡胶基体、氧化锌、硬脂酸、促进剂、防老剂、超支化改性硅藻土和硫磺剂按照上述比例投入开炼机中,在温度为50℃的条件下进行混炼,即获得本发明的阻燃天然橡胶。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,该阻燃剂采用以下重量份组分的原料制备得到:
天然橡胶基体:100、硫化剂:2~3、促进剂:1~1.5、硬脂酸:0.5~1.0、氧化锌:3~5、防老剂:1~3、超支化改性硅藻土:10~15。
2.根据权利要求1所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,所述的超支化改性硅藻土采用以下方法制备得到:
(1)KH-560改性硅藻土的制备
在40-60℃的反应温度下,向烘干的硅藻土中加入无水乙醇,然后再滴加KH-560,抽滤后使用乙醇洗涤,得到的滤饼经超声、抽滤,烘干处理,得到KH-560接枝硅藻土;
(2)开环改性硅藻土的制备
将硅藻土、Co(Ac)2·4H2O、H2O及THF在在冰水浴中搅拌混合24h,然后自然升温至室温,24h后过滤,使用乙醇洗涤再烘干,得到开环改性硅藻土;
(3)超支化改性硅藻土的制备
将开环改性硅藻土、PER、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜混合并干燥,然后在油浴锅中于100℃回流分水,反应2-4h后倒出,先用大量水洗涤,将多余的酰卤变为羧基,后用大量甲醇洗涤,除去杂质;得到DDP-季戊四醇超支化改性硅藻土。
3.根据权利要求2所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,步骤(1)中硅藻土、无水乙醇及KH-560的比例关系为6~14g:150~250mL:30~50mL,KH-560的滴加速度为20~60mL/6h。
4.根据权利要求2所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,步骤(2)中硅藻土、Co(Ac)2·4H2O、H2O及THF的比例关系为6~14g:0.035~0.071g:0.07~0.13mL:70~130mL。
5.根据权利要求2所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,步骤(3)中开环改性硅藻土、PER、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜的比例关系为1.4~2.6g:0.816~2.176g:5.544~8.316g:15~35mL。
6.根据权利要求2所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,步骤(3)中开环改性硅藻土、PER、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸及氯化亚砜在分水器中加入氧化钙用于过程中干燥。
7.根据权利要求1所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,所述的硫化剂为硫磺。
8.根据权利要求1所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,所述的促进剂为2-硫醇基苯并噻唑。
9.根据权利要求1所述的一种超支化含磷改性硅藻土阻燃剂,其特征在于,所述的防老剂为N-苯基-2-萘胺类防老剂。
10.如权利要求1所述的超支化含磷改性硅藻土阻燃剂的制备方法,其特征在于,按配方组成准备原料,然后依次将天然橡胶基体、氧化锌、硬脂酸、促进剂、防老剂D、超支化改性硅藻土和硫化剂按照上述比例投入开炼机中,在温度为30~50℃的条件下进行混炼,即获得超支化含磷改性硅藻土阻燃剂。
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