CN114085246A - 一种生物基含磷阻燃剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物基含磷阻燃剂，结构通式为：
Figure DDA0003387060550000011
式中，n为1‑5的整数；R1为甲基、甲氧基、乙基、乙氧基、苯基或苯氧基；R2为
Figure DDA0003387060550000012
R为氧、氮或硫。制备方法：先将碱性生物基环状化合物溶于有机溶剂中，加入缚酸剂，逐滴加入磷酰化合物，同时进行第一次反应，然后加热进行第二次反应，最后经过滤、洗涤、减压蒸馏和干燥，即得。本发明生物基含磷阻燃剂制备方法简单，原料廉价，产物纯度高，阻燃效果好，易于工业生产，可用于制备聚乳酸和环氧树脂材料，能够显著提高复合材料的阻燃性能。

Description

一种生物基含磷阻燃剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及阻燃剂合成技术领域，更具体的说是涉及一种生物基含磷阻燃剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着高分子材料的发展，高分子材料被广泛地应用于电子电气设备、电线电缆、装饰材料、建筑产品及交通设备等国民经济各个领域。然而，大多数高分子材料易燃，且在燃烧过程中释放大量的烟雾和有毒气体，给人们生命财产带来巨大的安全隐患。因此，降低高分子材料的可燃性是扩大其应用范围的重要方向。
近年来，工业上应用最多的是在高分材料中添加含卤阻燃剂，这类阻燃剂有阻燃效果好和添加量少等优点。但一些含卤阻燃剂因在燃烧过程中产生有毒、有害气体等缺点，被很多法律、指令和标准严格限制(如《报废电子电器设备指令》(WEEE)及《关于在电子电器设备限制使用某些有害物质指令》(RohS)等)。
目前，随着人们保护生态和环境意识增强，绿色环保生物基阻燃剂得到了越来越多的关注。美国(US7129291B2)通过尿素或尿素衍生物制备氨基甲酸酯阻燃材料。中国专利(CN108659228B)报道了通过木质素磷酸化改性制备膨胀型阻燃剂。中国专利(CN109880117A)报道了将9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物接枝到木质素中制备生物基阻燃剂。中国专利(2018107971902)报道了含呋喃环阻燃剂的制备。中国专利(CN106496487A)报道了通过改性植物油制备生物基阻燃剂。然而，这些含有磷生物基阻燃剂与基体材料的相容性差，添加量大，成炭率较低，阻燃效率有待进一步发展。因此，如何开发提供一种高阻燃性的生物基含磷阻燃剂是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种生物基含磷阻燃剂及其制备方法和应用，该生物基含磷阻燃剂可应用于聚乳酸和环氧材料，以解决现有技术中的不足。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种生物基含磷阻燃剂，结构通式为：
Figure BDA0003387060530000021
式中，n为1-5的整数；R1为甲基、甲氧基、乙基、乙氧基、苯基或苯氧基；R2为
Figure BDA0003387060530000022
R为氧、氮或硫。
进一步，上述式中，n为2或3；R1为乙基、乙氧基、苯基或苯氧基；R2为
Figure BDA0003387060530000023
R为氮或硫。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明通过在生物基环状化合物中引入阻燃元素(氮、磷等)和成炭结构，使新型生物基含磷阻燃剂在气相和凝聚相中具有良好的阻燃性能。
一种上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将碱性生物基环状化合物溶于有机溶剂中，再加入缚酸剂，然后逐滴加入磷酰化合物，同时进行第一次反应，然后加热进行第二次反应，最后经过滤、洗涤、减压蒸馏和干燥，即得所述生物基含磷阻燃剂。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000031
进一步，上述碱性生物基环状化合物为2-氨基甲基四氢呋喃、2-氨基甲基呋喃、2-氨基乙基四氢呋喃、2-氨基乙基呋喃、2-氨基四氢丙基呋喃、2-氨基丙基呋喃、2-氨基甲基四氢噻吩、2-氨基甲基噻吩、2-氨基乙基四氢噻吩、2-氨基乙基噻吩、2-氨基甲基四氢吡咯、2-氨基甲基吡咯、2-氨基乙基四氢吡咯、2-氨基丁基吡咯和2-氨基戊基吡咯中的至少一种；优选为2-氨基乙基四氢呋喃、2-氨基乙基呋喃、2-氨基乙基四氢噻吩、2-氨基乙基噻吩、2-氨基乙基四氢吡咯和2-氨基丁基吡咯中的至少一种。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选碱性生物基环状化合物原料廉价易得，反应活性高，易于工业生产。
进一步，上述有机溶剂为氯仿、苯、甲苯、二甲苯、二氧六环、二氯甲烷、四氢呋喃、***、甲醇和乙醇中的至少一种；优选为氯仿、二氧六环、二氯甲烷、四氢呋喃、***、甲醇和乙醇中的至少一种。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选有机溶剂均为常用溶剂，易于工业生产合成条件。
进一步，上述缚酸剂为三乙胺、吡啶、N,N-二异丙基乙胺、4-二甲氨基吡啶、三乙醇胺、四丁基溴化铵、碳酸钾、碳酸铵或碳酸钠；优选为三乙胺、吡啶、N,N-二异丙基乙胺或4-二甲氨基吡啶。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选缚酸剂为常用碱性催化剂，能有效吸收反应中的盐酸，达到提高产率的目的。
进一步，上述磷酰化合物为甲基-磷酰二氯、甲氧基-磷酰二氯、乙基-磷二酰氯、乙氧基-磷酰二氯、苯基-磷酰二氯或苯氧-磷二酰氯基；优选为乙基-磷二酰氯、乙氧基-磷酰二氯、苯基-磷酰二氯或苯氧-磷二酰氯基。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选磷酰化合物的取代基为甲基、甲氧基、苯基或苯氧基，原料价格便宜，且易得；特别是芳香环的引入，能促进新型生物基含磷阻燃剂在凝聚相中发挥成炭作用。
进一步，上述碱性生物基环状化合物和磷酰化合物的摩尔比为(1-5):1，优选为(1-3):1；有机溶剂和碱性生物基环状化合物的摩尔比为(0.5-5):1，优选为(0.5-3):1；所述缚酸剂和碱性生物基环状化合物的摩尔比为(0.5-3):1，优选为(0.8-2):1。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明所选摩尔比能有效抑制副反应发生，经济有效。
进一步，上述第一次反应的温度为(-5)-10℃，优选为(-5)-5℃，时间为0.5-5h，优选为0.5-2h；第二次反应的温度为20-80℃，优选为20-60℃，时间为4-20h，优选为6-18h。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明选用反应温度和时间适中，能有效抑制副反应发生，且易于工业生产合成条件。
进一步，上述过滤为常压过滤或减压过滤；洗涤的溶剂为水、氯仿、丙酮、甲苯、二氧六环、二氯甲烷、甲醚、***、甲醇和乙醇中至少一种，优选为水、氯仿、丙酮、甲苯、二氧六环、二氯甲烷、***和乙醇中至少一种；减压蒸馏为真空泵减压蒸馏，压强为0-0.5×105Pa，温度为35-45℃，时间为5-30min；干燥为真空干燥或鼓风干燥，温度为40-70℃，时间为4-8h。
采用上述进一步技术方案的有益效果在于，本发明通过过滤，能够除去反应过程中的杂质；通过减压蒸馏，能够除去溶剂；通过干燥，能够获得目标产物。
本发明还请求保护一种上述生物基含磷阻燃剂或上述制备方法制得的生物基含磷阻燃剂在聚乳酸和环氧树脂阻燃改性中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所选用的碱性生物基环状化合物、磷酰化合物和有机溶剂原料廉价易得，同时反应物中含成炭前驱体结构与气相阻燃基团，因而制得的生物基含磷阻燃剂具有较好的阻燃效果。
2、本发明通过引入阻燃元素(氮、磷等)和成炭结构，能使生物基含磷阻燃剂在气相和凝聚相中均具有良好阻燃性能。
3、本发明以碱性生物基环状化合物为原料，通过与磷酰化合物反应制备生物基含磷阻燃剂，整体方法简单，原料廉价，产物纯度高，易于工业生产。
4、本发明生物基含磷阻燃剂制备方法简单，原料廉价，产物纯度高，阻燃效果好，易于工业生产，可用于制备聚乳酸和环氧树脂材料，能够显著提高复合材料的阻燃性能。
附图说明
图1为实施例1制得的生物基含磷阻燃剂的红外光谱图；
图2为实施例1制得的生物基含磷阻燃剂的核磁氢谱图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000051
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将2.136g氨基乙基呋喃溶于20mL二氯甲烷中，再加入2.226g三乙胺，然后逐滴加入1.950g苯基磷酰二氯，同时控制温度为0℃反应2h，然后加热至40℃反应8h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂1。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000061
实施例2
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000062
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将2.028g氨基乙基四氢呋喃溶于40mL二氯甲烷中，再加入2.585gN,N-二异丙基乙胺，然后逐滴加入2.109g苯氧基磷酰二氯，同时控制温度为-5℃反应3h，然后加热至25℃反应10h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂2。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000071
实施例3
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000072
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将1.982氨基噻吩溶于50mL氯仿中，再加入2.226g三乙胺，然后逐滴加入1.950g苯基磷酰二氯，同时控制温度为5℃反应3h，然后加热至50℃反应10h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂3。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000073
实施例4
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000081
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将2.344g氨基乙基四氢噻吩溶于40mL二氯甲烷中，再加入2.982g三乙醇胺，然后逐滴加入1.321g甲基磷酰二氯，同时控制温度为-5℃反应3h，然后加热至60℃反应12h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂4。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000082
实施例5
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000083
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将1.921g2-将氨基乙基吡咯溶于60mL的甲苯中，再加入4.126g碳酸钾，然后逐滴加入1.950g苯基磷酰二氯，同时控制温度为10℃反应4h，然后加热至30℃反应10h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂5。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000091
实施例6
生物基含磷阻燃剂，结构式为：
Figure BDA0003387060530000092
上述生物基含磷阻燃剂的制备方法，具体包括以下步骤：先将2.004g2-将氨基乙基四氢吡咯溶于50mL二甲苯中，再加入4.432g三乙胺，然后逐滴加入1.462g乙基磷酰二氯，同时控制温度为10℃反应4h，然后加热至70℃反应12h，最后经减压过滤，用水洗涤，压强为0.5×105Pa、温度为40℃的真空泵减压蒸馏20min，在温度为50℃的真空烘箱中干燥4h，即得淡黄色生物基含磷阻燃剂6。
上述生物基含磷阻燃剂制备方法的合成路线为：
Figure BDA0003387060530000093
性能测试
1、取实施例1制得的生物基含磷阻燃剂，用KBr压片，用波数为400-4000的Nicolet6700红外光谱仪扫描。红外光谱检测得到结果如图1所示。
图1为实施例1制得的生物基含磷阻燃剂的红外光谱图。由图1可知，图中出现苯环、O＝P键、呋喃环和N-P键特征峰。
2、取实施例1制得的生物基含磷阻燃剂，溶解在氘代氯仿中，用布鲁克AVⅢhD-400Mhz核磁检测。核磁光谱检测得到结果如图2所示。
图2为实施例1制得的生物基含磷阻燃剂的核磁氢谱图。由图2可知，图中出现生物基含磷阻燃剂新化合物特征峰，且核磁谱图中质子数的积分与预期相符。
3、阻燃效果测试
(1)聚乳酸阻燃效果测试
将实施例1-6制得的生物基含磷阻燃剂和聚乳酸在真空烘箱中干燥，将烘干的原料分别按照生物基含磷阻燃剂质量分数2％与聚乳酸通过双螺杆挤出机熔融共混，双螺杆挤出机设置的加工温度175-180℃，转速为60r/min，得到聚乳酸复合材料，接着将聚乳酸复合材料通过热压机热压成型，制得测试样条。
将测试样条使用南京江宁JF-3氧指数测定仪根据ASTMD2863标准进行阻燃测试。结果如表1所示。
表1实施例1-6生物基含磷阻燃剂在聚乳酸中的氧指数
Figure BDA0003387060530000101
Figure BDA0003387060530000111
(2)环氧树脂阻燃效果测试
将实施例1-6制得的生物基含磷阻燃剂在真空烘箱中干燥，分别取生物基含磷阻燃剂2.65g与100g环氧树脂(E44)和25g二氨基二苯基砜在100℃下剧烈搅拌，直到得到透明的溶液；将溶液在100℃真空烘箱中抽真空0.5h，然后倒入预热的不锈钢模具中，在160℃反应2h，在180℃反应2h，制得固化测试样条。
将测试样条使用南京江宁JF-3氧指数测定仪根据ASTMD2863标准进行阻燃测试。结果如表2所示。
表2实施例1-6生物基含磷阻燃剂在环氧树脂中的氧指数
样品 氧指数
环氧树脂 24.8
实施例1 28.3
实施例2 28.7
实施例3 29.2
实施例4 29.3
实施例5 28.9
实施例6 29.1
由表1和表2可知，相比于纯聚乳酸和环氧树脂的氧指数，添加质量分数2％实施例1-6生物基含磷阻燃剂的聚乳酸复合材料和环氧树脂复合材料的氧指数明显提升。
纯聚乳酸燃烧过程中没有形成炭层，而添加质量分数2％实施例1-6生物基含磷阻燃剂的聚乳酸复合材料燃烧过程中有自熄现象，燃烧过程中形成稳定、连续的炭层，大大提高了复合材料的阻燃性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种生物基含磷阻燃剂，其特征在于，结构通式为：
Figure FDA0003387060520000011
式中，n为1-5的整数；R1为甲基、甲氧基、乙基、乙氧基、苯基或苯氧基；R2为
Figure FDA0003387060520000012
R为氧、氮或硫。
2.一种如权利要求1所述生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
先将碱性生物基环状化合物溶于有机溶剂中，再加入缚酸剂，然后逐滴加入磷酰化合物，同时进行第一次反应，然后加热进行第二次反应，最后经过滤、洗涤、减压蒸馏和干燥，即得所述生物基含磷阻燃剂。
3.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述碱性生物基环状化合物为2-氨基甲基四氢呋喃、2-氨基甲基呋喃、2-氨基乙基四氢呋喃、2-氨基乙基呋喃、2-氨基四氢丙基呋喃、2-氨基丙基呋喃、2-氨基甲基四氢噻吩、2-氨基甲基噻吩、2-氨基乙基四氢噻吩、2-氨基乙基噻吩、2-氨基甲基四氢吡咯、2-氨基甲基吡咯、2-氨基乙基四氢吡咯、2-氨基丁基吡咯和2-氨基戊基吡咯中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为氯仿、苯、甲苯、二甲苯、二氧六环、二氯甲烷、四氢呋喃、***、甲醇和乙醇中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述缚酸剂为三乙胺、吡啶、N,N-二异丙基乙胺、4-二甲氨基吡啶、三乙醇胺、四丁基溴化铵、碳酸钾、碳酸铵或碳酸钠。
6.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述磷酰化合物为甲基-磷酰二氯、甲氧基-磷酰二氯、乙基-磷二酰氯、乙氧基-磷酰二氯、苯基-磷酰二氯或苯氧-磷二酰氯基。
7.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述碱性生物基环状化合物和磷酰化合物的摩尔比为(1-5):1；所述有机溶剂和碱性生物基环状化合物的摩尔比为(0.5-5):1；所述缚酸剂和碱性生物基环状化合物的摩尔比为(0.5-3):1。
8.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述第一次反应的温度为(-5)-10℃，时间为0.5-5h；所述第二次反应的温度为20-80℃，时间为4-20h。
9.根据权利要求2所述的一种生物基含磷阻燃剂的制备方法，其特征在于，所述过滤为常压过滤或减压过滤；所述洗涤的溶剂为水、氯仿、丙酮、甲苯、二氧六环、二氯甲烷、甲醚、***、甲醇和乙醇中至少一种；所述减压蒸馏为真空泵减压蒸馏，压强为0-0.5×105Pa，温度为35-45℃，时间为5-30min；所述干燥为真空干燥或鼓风干燥，温度为40-70℃，时间为4-8h。
10.一种如权利要求1所述生物基含磷阻燃剂或如权利要求2-9任一项所述制备方法制得的生物基含磷阻燃剂在聚乳酸和环氧树脂阻燃改性中的应用。
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