[发明专利]一种哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂及其在PS树脂中的应用

说明书

本发明公开了一种高性能哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂及其制备方法，属于聚合物材料领域。本发明以木质素、醛、哌嗪和红磷为原料，分别通过羟基化改性和Mannich反应将哌嗪分子接枝到木质素分子上，形成三维网络状大分子，再加入红磷和分散剂，通过调节溶液的pH值使哌嗪改性木质素沉淀析出并将红磷包覆，制备出一种生物质基微胶囊化红磷阻燃剂。本发明阻燃剂能有效地改善红磷在空气中不稳定的问题，延长阻燃剂存储时间，并且提高了阻燃剂与高分子材料的相容性，使红磷优异的阻燃性能得到充分利用，低添加量即可达到理想的阻燃等级；且其制备工艺简便，成本低廉，在高分子材料尤其是在聚苯乙烯（PS）树脂材料中具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于聚合物材料领域，具体涉及一种哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂及其制备方法与其在PS树脂中的应用。

背景技术

高分子材料成本低、易成型、耐酸碱、质量轻、绝缘性好，在人们日常生活生产中得到广泛的应用。对于大多数高分子材料来说，阻燃性是不可或缺的属性，主要是需要通过与阻燃剂反应或者添加阻燃剂来实现阻燃。在各种无卤阻燃剂中，微胶囊化红磷具有含磷量高、相容性好和多重组分协效作用等优势，在聚苯乙烯系列材料中表现出优异的阻燃性能，是膨胀型阻燃剂中研究最多、应用最广的一类高效阻燃剂。微胶囊化红磷阻燃剂主要包括囊材和芯材两个组分，因此，选择与高分子材料具有良好相容性、极高耐湿性等特点的囊材是提高微胶囊化红磷阻燃剂性能的重要因素。

研究表明，生物质材料在高分子材料中具有良好的阻燃效果，这主要是由于生物质材料炭含量高，特别是木质素含炭量大于60 %，结构中大量的羟基有助于木质素在燃烧过程中成炭，是一种理想的阻燃剂炭源。另外，哌嗪氮含量较高，可以提供气源，其对称结构也有利于聚合物改性。因此，开发出一种高效的改性生物质材料包覆红磷阻燃剂，既可以充分利用生物质材料的可再生性，又能有效改善红磷粉料的不稳定性，是一种较为理想的制备方法。本发明以哌嗪改性木质素作为囊材、红磷作为芯材，制备了一种有机包覆红磷阻燃剂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂及其制备方法与其在PS树脂中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂，其制备方法包括如下步骤：

（1）木质素的羟基化改性：将碱溶于去离子水中配成一定浓度的碱溶液，然后将木质素于碱溶液中溶解，再将溶液倒入装有搅拌器的三口圆底烧瓶中，加热至80-100 ℃，待温度稳定后加入一定量的醛，空气气氛下200-400 rpm搅拌反应1-3 h；

（2）哌嗪改性木质素的制备：哌嗪改性木质素根据Mannich反应原理进行制备，其具体是在步骤（1）所得木质素羟甲基化改性溶液中缓慢加入一定量的哌嗪，80-100 ℃、200-400rpm搅拌条件下保温反应2-4 h；

（3）哌嗪改性木质素包覆红磷的制备：哌嗪改性木质素包覆红磷采用化学共沉淀法进行制备，其具体是将步骤（2）所得产物倒入烧杯中，加入一定量的红磷和分散剂，机械搅拌使红磷充分分散，再缓慢加入一定量的酸调节反应液pH至中性，80-100 ℃、200-400 rpm条件下搅拌反应0.5-2 h，再陈化12-24 h后真空抽滤，过滤产物经烘干、粉碎、过筛，得到土黄色粉末产物，即为哌嗪改性木质素包覆红磷阻燃剂。

步骤（1）所述碱溶液中OH^-的浓度为2-10 wt%，所用碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡中的一种或者多种；所述木质素的用量为20-100 g/mol OH^-，所用木质素为酶解木质素、碱木质素、有机木质素、木质素磺酸盐中的一种或者多种；所述醛的用量为0.1-0.2mol/10 g木质素，所用醛为甲醛、乙醛、丁醛中的一种或者多种。

步骤（2）中哌嗪的用量为0.05-0.1mol/10 g木质素，所述哌嗪包括无水哌嗪或六水哌嗪中的一种或两种。