[发明专利]一种有机-无机杂化高效协同阻燃成炭剂及其制备方法

说明书

本发明涉及应用于聚合物材料的大分子阻燃成炭剂技术领域，公开了一种有机‑无机杂化高效协同成炭剂及其制备方法，其结构式如下所示。该成炭剂通过亲核取代，在不同温度下由对苯二甲胺将三聚氯氰上两个氯原子依次取代，形成一种由对苯二甲胺作为扩链剂的线性大分子三嗪中间体，随后升高温度，将已经通过羟基相连纳米水滑石和γ‑氨丙基三乙氧基硅烷通过与对苯二甲胺和三聚氯氰取代方式相同的原理将中间体上侧基上的氯取代制得。该成炭剂具有成炭性好、分子量高、耐迁移、耐高温、不影响基体材料的力学性能特点，解决三嗪类衍生物作为成炭剂的抗迁移性能，进而导致无法形成致密性良好，形貌完整的成炭性能不佳的问题，应用于热塑性聚酯弹性体中。

技术领域

本发明涉及应用于聚合物材料的大分子阻燃成炭剂技术领域，尤其是一种新型有机-无机杂化高效协同阻燃成炭剂及其制备方法。

背景技术

在过去的几十年中，含卤阻燃剂(FRs)被广泛用于限制聚合物材料的可燃性。但是，其阻燃过程通常会带来许多负面影响，例如产生腐蚀性和有毒的烟雾或挥发物，会对环境和人类健康造成极大损害。因此，不含卤素的阻燃剂，特别是膨胀型阻燃剂(IFR)，因其无卤、低毒、抑制熔滴、高阻燃效率和制备成本低的特性而能满足当前各行各业对人身安全和环境保护方面的需求，因此，新型膨胀阻燃剂的合成和膨胀阻燃配方的设计受到越来越多研发人员的关注。

膨胀型阻燃剂按作用原理分类，可分为物理型和化学型两类阻燃剂。

物理型膨胀阻燃剂通常是指可膨胀石墨(EG)，EG吸收聚合物燃烧体系中的热量而迅速发生膨胀(膨胀后的体积最多可达最初体积的280倍)，膨胀后的残炭在聚合物的表面形成覆盖层。这一残炭层既可以阻碍热量、可燃性气体和氧气在燃烧区域和聚合物基体之间的传递；同时残炭附着于燃烧聚合物的熔融区域，还起到防止熔滴和减缓火势的蔓延的作用，从而起到阻燃作用。但EG作为膨胀型阻燃剂也存在以下问题：一是EG几乎与聚合物不发生化学反应，炭层之间的作用力小，燃烧时发生过度膨胀，形成的炭层往往过于疏松，不够致密，即发生所谓的“爆米花效应”，阻燃效果可能不达预期；二是膨胀后的残炭在扫描电镜下观察发现其呈“蠕虫状”，炭层间的空隙较大，不够致密，阻燃效率不高；三是EG的粒径越大，其与聚合物基体间的相容性越差，造成材料力学性能等下降。这些问题直接影响了EG对聚合物的阻燃效果。

化学型膨胀阻燃剂常由三源组成：酸源、碳源和气源。常用的酸源由矿物酸和铵盐组成，例如二乙基次磷酸铝，磷酸盐和硼酸盐等；碳源主要是含羟基的化合物，例如多元醇(山梨醇、季戊四醇和二季戊四醇)、三嗪衍生物和聚酰胺等；气源主要有：三聚氰胺，尿素和脲醛树脂等。IFR的阻燃原理：在燃烧过程中，酸源在热的作用下释放出含磷无机酸物质，这些含磷无机酸会促进碳源发生酯化反应和成炭反应，同时气源分解会释放大量的挥发性气体，从而，酸源和碳源之间形成的熔融物在挥发性气体的作用下在聚合物基体表面形成膨胀的炭泡沫保护层，这种保护炭层不仅可稀释可燃性气体，还能隔绝热量、氧气和可燃物在燃烧区域和聚合物内部之间的传递。

化学型膨胀阻燃剂由于无卤、成炭性能强的优势而受到广泛的应用。然而，传统IFR体系中的小分子成炭剂存在、低阻燃效率和热稳定性差的缺陷。这迫使越来越多的研究人员致力于关注如何增强IFR体系的成炭能力。三嗪衍射物主要由H、C和N和三种元素组成，它的分子结构中还存在稳定的三嗪环结构，这种特殊的结构使它在燃烧过程中可同时发挥气源和炭源的作用。因此，新型三嗪基成炭剂的开发仍是实现高效膨胀型阻燃的重要研究方向之一。三聚氯氰由于具有较高的选择性，常常被作为合成一系列三嗪基成炭剂的原料。虽然以三嗪类衍生物为主的成炭剂相较其他成炭剂有很多优势，但由于分子量小等原因，易迁移到聚合物表面，一直存在着阻燃效率低、热稳定性差和成炭性能不佳的问题，导致在要求的时间内生成不了形貌良好的炭层，无法实现三源高效协调配合。纳米水滑石作为常用的无机阻燃协效剂，虽能与IFR存在协同阻燃效应，但它与聚合物的相容性差，较难均匀分散在聚合物基体中，严重影响了纳米水滑石与IFR在聚合物材料中的协同阻燃效果。上述问题，最终导致阻燃效果不理想。