[发明专利]一种聚磷酸哌嗪复合阻燃剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚磷酸哌嗪复合阻燃剂，按质量百分比包括以下组分：聚磷酸哌嗪87.1％～99.4％，硅烷偶联剂0.5％～7.1％，抗氧剂0.1％～5.8％；所述硅烷偶联剂包覆于聚磷酸哌嗪外层；本发明还公开了该聚磷酸哌嗪复合阻燃剂的制备方法，将磷酸水溶液和哌嗪加入反应装置中，搅拌；通入保护性气体，加入抗氧剂，升高温度进行脱水缩合反应，制得聚磷酸哌嗪；降温，加入硅烷偶联剂混合包覆，出料；该方法产率高、成本低、易操作，采用该方法制得的聚磷酸哌嗪复合阻燃剂白度高、耐水性好、阻燃效率高、材料相容性好。

技术领域

本发明涉及阻燃剂技术领域，具体涉及一种聚磷酸哌嗪复合阻燃剂及其制备方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展，阻燃剂的消费量大幅增长，中国政府对消防及消费者的健康安全情况重视程度的提高，亦有利于阻燃剂行业的发展，中国阻燃剂需求量每年将保持8％的增长率，市场价值达到22.45亿美元。由于国内环保标准及条例尚不完善，目前国内阻燃剂仍以卤系为主，但随着国内环保意识的增强，无卤阻燃剂的发展潜力巨大。根据阻燃剂中所含主要元素的不同，无卤阻燃剂的种类有磷系阻燃剂、氮系阻燃剂、硼系阻燃剂、硅系阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂和膨胀型阻燃剂等。

磷-氮协同阻燃剂也称膨胀型阻燃剂(IFR)，所含元素以C、N、P为主，具有低烟、低毒、高效、环保、添加量少、阻燃性好等优点，在涂料、橡胶、木材尤其是塑料领域应用广泛；它受热分解生成偏磷酸或聚偏磷酸，酸性物质促进聚合物脱水形成碳化层，并且玻璃状的薄层聚偏磷酸也会覆盖在残炭层表面，抑制炭层进一步氧化，含氮成分受热分解成氨气、氮气等难燃气体稀释了可燃性气体，减缓燃烧的蔓延，也促进了膨胀炭层的形成。

膨胀型阻燃剂可分为混合型膨胀阻燃剂和单组分膨胀阻燃剂。目前市场上使用的IFR主要是以大分子量的聚磷酸铵(APP)为酸源的多组分配方，混合型IFR具有三源成分来源广泛，复合加工工艺简单，低成本等特性，但酸源、炭源、气源之间的配比极其复杂，三者之间的比例关系难以掌控，而且这些体系容易出现混合不均使阻燃剂在聚合物中分散不均匀的现象，导致协同作用不理想，使得阻燃效率降低或者阻燃结果不稳定、易吸潮和析出等缺点；单组分膨胀阻燃剂为同一分子内同时含有能够发挥酸源、碳源与气源作用的部分，这类阻燃剂具有优异的抗吸湿性、热稳定性和相容性，可以很好的克服上述多组分阻燃剂存在的问题。聚磷酸哌嗪(PPAP)是基于磷/氮协同阻燃原理，将哌嗪与其他含磷的双官能团化合物进行反应而得到的P-N型单分子膨胀型阻燃剂，是目前开发新型膨胀型阻燃剂的热点和重点；从结构上来讲，它与APP一样都属于磷酸盐类聚合物，但不同的是，聚磷酸哌嗪不仅是好的酸源，更是优秀的成炭剂，同时还兼有发泡剂的作用；此外，哌嗪环结构类似于苯环，具有突出的热稳定性，哌嗪链段还有可能改善无机阻燃剂与高分子基体的相互作用，阻燃前景良好。

目前聚磷酸哌嗪阻燃剂的制备方法大致有：1)复分解法，利用焦磷酸钠和哌嗪在盐酸溶液中生成不溶于水的聚磷酸哌嗪沉淀产物，该法存在生成副产物氯化钠或焦磷酸哌嗪钠盐，目标产物的产率下降，影响产品的阻燃性能的问题；2)五氧化二磷法，利用五氧化二磷、哌嗪在草酸存在的情况下通过草酸分解产生的水使得五氧化二磷生成焦磷酸，继而与哌嗪成盐，该法存在反应实施步骤长，而且在实际应用中因哌嗪的挥发、五磷化二磷解聚程度不易控制，温度稍高则引起哌嗪碳化，导致实际效率较低的问题；3)磷酸二氢铵法，该法采用磷酸二氢铵代替磷酸溶液作为酸源与哌嗪作用，磷酸二氢铵和哌嗪先脱氨生成中间体，再通过脱水缩合反应，从而得到PPAP粉末，该法虽然采用固体磷源克服了常用液体磷酸时对设备的腐蚀，反应中释放的氨气可以作为反应体系的保护气氛，但也存在废气排放的问题；4)二磷酸哌嗪缩合法，二磷酸哌嗪缩合法先通过磷酸和哌嗪在水、乙酸等溶剂中反应制备中间体二磷酸哌嗪，先将中间体二磷酸哌嗪的晶体析出，再将二磷酸哌嗪进行高温脱水缩合制备聚磷酸哌嗪，该方法需要先析出晶体后再缩合，需要通过两步完成，存在产率低，成本高的问题，而且在缩合过程中经过高温处理存在导致聚磷酸哌嗪变黄，即白度低，影响其使用性能的问题。