[发明专利]一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法

说明书

一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法，本发明属于阻燃剂合成领域，具体为一种阻燃剂及其合成方法。本发明解决添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低的问题。所述的一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯；制备方法：取甲基磷酸二甲酯于反应容器中，加入哌嗪及催化剂，充分搅拌使其溶解，经升温并反应数小时后，收集馏分甲醇；反应结束后降温即可得到产物聚甲基膦酸哌嗪酯。本发明阻燃剂中的氮元素与磷元素存在协同效应，同时阻燃剂分子两端含有氨基，固化过程中能够与环氧树脂的环氧基团发生反应，使环氧树脂获得永久阻燃性，并显著提高环氧树脂的成炭率。本发明用于制备含氮膦酸酯阻燃剂。

技术领域

本发明属于阻燃剂合成领域，具体为一种阻燃剂及其合成方法。

背景技术

用于环氧树脂的永久性阻燃剂中，含卤阻燃剂尽管阻燃效果较好，但由于在燃烧过程中产生有毒及腐蚀性气体，因而逐渐被无卤阻燃剂所替代。目前，无卤阻燃剂主要包括金属氢氧化物、无机磷系阻燃剂、有机磷系阻燃剂及氮系阻燃剂，但上述阻燃剂都存在较为明显的缺点，如添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低等问题，上述阻燃剂严重制约了环氧树脂的应用范围。由于膦酸酯类阻燃剂与氮元素间存在明显的协效作用，因此制备一种含氮的膦酸酯类阻燃可以有效的提升环氧树脂的阻燃性能，拓展其应用范围。

发明内容

本发明是要解决添加量较大、颜色较深、耐久性较差及阻燃效率较低的问题，而提供一种含氮膦酸酯阻燃剂及其合成方法。

本发明一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯，结构式为：

其中n为10～100。

上述含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法，具体是按以下步骤进行：

一、将甲基磷酸二甲酯、哌嗪和催化剂混合搅拌后进行蒸馏反应，收集馏分；

二、反应结束后降温，加乙醇充分搅拌，固液分离，将液相进行蒸馏除去乙醇，得到淡黄色粘稠状液体产品。

本发明所述的含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法通过如下反应过程实现：

本发明的优点：

本发明的阻燃剂能提高材料的成炭率，特别是对那些含氧量高的聚合物尤其如此。当作为阻燃的环氧树脂受热分解时，通常分子链会解聚并断裂成为较小的分子片段，形成可燃性挥发物。当本发明的阻燃剂加入到环氧树脂中，磷元素在受热时会生成磷酸及焦磷酸等强吸水性化合物，夺取环氧树脂分子链上的氢原子和氧原子，从而使其脱水形成炭层，起到阻隔热量向材料内部传递及抑制可燃性小分子挥发的作用。本发明中的含氮膦酸酯类阻燃剂中，氮元素和磷元素间的协同作用使生成的炭层膨胀，进一步降低热量传递速率，提高环氧树脂材料的耐热性及阻燃性；同时，阻燃剂分子两端的氨基能够与环氧基反应，直接与环氧树脂分子作用，在固化过程中使其永久具有阻燃性。纯环氧树脂点燃后，直至烧尽，极限氧指数为19.8％；当阻燃剂在环氧树脂中的添加为4wt.％时，垂直燃烧测试为UL-94V-0级别，经极限氧指数测试，试样的LOI值为32.2％。对试样的热稳定性进行研究可以发现，纯环氧树脂在367℃发生降解，在800℃时的残留量为14.9wt.％。阻燃环氧树脂的降解过程分为两个阶段，第一阶段出现在346℃时，这是由于阻燃剂在受热时提前发生降解，并产生磷酸及焦磷酸等强吸水性物质，促使试样表面的环氧树脂发生降解，生成隔绝热量的炭层，降低热量向材料内部传递的速率；第二阶段出现在375℃，800℃时的残留量为18.9wt.％，从而证明阻燃剂能够有效的提高环氧树脂材料的热稳定性。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种含氮膦酸酯阻燃剂的化学名称为聚甲基膦酸哌嗪酯，结构式为：

其中n为10～100。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述含氮膦酸酯阻燃剂的合成方法，具体是按以下步骤进行：