含芳香族链结构的三嗪成炭剂及其制备方法

CN 101586033 A

摘要

一种含芳香族链结构的三嗪成炭剂，该成炭剂由结构通式为NH₂-Ar-NH₂，HO-Ar-OH或HS-Ar-SH的芳香族二元化合物和单取代三聚氯氰在催化剂作用下缩聚得到。本发明还公开了该含芳香族链结构的三嗪成炭剂的制备方法。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明所得三嗪系无卤阻燃剂热稳定性高，高温下成炭率高，反应过程为“一锅法”连续反应，制备工艺简单，中间体不需处理，后处理方法简单，反应时间短，产率高；可以有效地节约能耗，提高生产效率，降低生产成本。

权利要求(8)

1、一种含芳香族链结构的三嗪成炭剂，如下结构通式： 其中，Z为NH、S或O；Ar为苯基、萘基、苯二甲基、二苯甲烷基、二苯酮基、二苯砜基、二苯醚基、二苯硫醚基、二苯二硫醚基、二苯酯基、二苯酮基、碳酸二苯酯基、磷酸二苯酯基及其衍生物基；R为含有1～18个碳原子直链或支链烷氧基、烷硫基、烷胺基或苯氧基、苯硫基、苯胺基及其衍生物基团。

2、 根据权利要求1所述的含芳香族链结构的三嗪成炭剂，其特征在于所述的成炭 剂由结构通式为NH2-Ar-NH2， HO-Ar-OH或HS-Ar-SH的芳香族二元化合物和单取代三 聚氯氰在催化剂作用下縮聚得到。

3、 一种权利要求1所述的含芳香族链结构的三嗪成炭剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：① 以三聚氯氰为起始原料，将10毫摩尔的三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中加入40〜60毫升的有机溶剂，搅拌使三聚氯氰分散均匀，在惰性气体或氮气保护下， 在(K4(TC加入10.0~15.0毫摩尔催化剂和9.5-10.5毫摩尔的一元胺、 一元醇/酚或一元硫 /硫酚，反应1~6小时后结束反应，生成三聚氯氰的一取代衍生物；② 第一步反应结束后，向反应容器中依次加入10.0~15.0毫摩尔的催化剂和4.5~5.5 毫摩尔的芳香族二元胺、二元醇/酚或二元硫醇/酚，升高反应温度至40〜10(TC，搅拌反 应1~8小时后结束反应，生成三聚氯氰二取代衍生物；③ 在步骤②中所得的混合溶液依次加入10.0~15.0毫摩尔的催化剂和4.5~5.5毫摩尔 的芳香族二元胺、二元醇/酚或二元硫醇/酚，升高反应温度至100-15(TC，搅拌反应4~12 小时后，生成芳香族链大分子结构三嗪衍生物；④ 停止反应，冷却、沉淀、抽滤，水洗，真空干燥后得到目标成炭剂； 上述的各个物质以10毫摩尔的起始原料三聚氯氰作为基准进行计算给出的。

4、 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤①中所述的有机溶剂为1-甲 基2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺或二甲亚砜中的至少一种。

5、 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于反应中所述的催化剂可以为有三 乙胺、吡啶、4-二甲氨基吡啶、N,N-二异丙基乙胺、氢氧化钠，氢氧化钾、碳酸钠、碳 酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。

6、 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤④中所述的沉淀采用沉淀剂， 该沉淀剂与反应溶液体积比10〜5:1，该沉淀剂为水、乙醚、丙酮、甲醇、乙醇中的至少 一种。

7、 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于步骤④中的所述的真空干燥条件 为：80。C下真空干燥6~72小时。

8、 如权利要求1或2中所述的含芳香族链结构的三嗪成炭剂独立使用或作为膨胀 型阻燃剂体系的成炭剂在阻燃材料中的应用。

说明

含芳香族链结构的三嗪成炭剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种成炭剂，尤其涉及一种含芳香族链结构的三嗪成炭剂，本发明还涉 及该成炭剂的制备方法。属于环保型无卤阻燃剂开发技术领域。

背景技术

膨胀型阻燃剂是近年来广泛应用的阻燃剂类型之一，其克服了卤系阻燃剂在燃烧时 易放出剌激性和腐蚀性的气体及烟雾，污染环境，危害人类健康，同时腐蚀设备等缺点， 是一种非常有前途的绿色环保型阻燃剂。膨胀型阻燃剂一般由酸源、碳源、气源三个基 本组分构成。燃烧时"三源"有效匹配才能形成蓬松封闭结构的不燃炭质泡沫层，削弱聚 合物与热源间的热传导，同时阻止氧气扩散，致使聚合物自熄。其中成炭的效率和质量 是阻燃的关键，与聚合物及阻燃剂的结构密切相关。传统的膨胀阻燃剂以季戊四醇、淀 粉等为成炭剂，具有易迁移，添加量大，粘度高，加工性能不佳、成炭率不高等缺点。 因此新型成炭剂的开发是当前膨胀型阻燃剂研究的重要方向之一。

三嗪类衍生物作为一类富含叔氮结构的化合物，其优良的炭化效果引起了人们的关 注。日本专利JP.Pat.No.0,583,065,Al(1994)中公开了一种以三聚氯氰为起始原料合成三 嗪类成炭剂的技术方案，但实验时间过长，总时间在29小时以上，操作复杂。又参考 专利号为ZL200510010243.4的中国发明专利《大分子三嗪系成炭一发泡剂及其合成方 法》（授权公告号为CN1288140C)，该专利描述了一种大分子三嗪系成炭-发泡剂及其合 成方法，再参见申请号为200710071927.4的中国发明专利申请公开《三嗪系齐聚物及其 合成方法》（公开号为CN101024632A)。近年来， 一些三嗪类的成炭剂或阻燃剂合成及 应用的文章不断公开发表，但大多成炭率低，热稳定性差，如Xiao-Ping Hu(Journal of Applied Polymer Science 94,1556-1561,2004)等合成的三嗪类成炭齐iJ，热稳定性较差，300 。C时失重为21%, 600。C时残炭量为5%。 Yuan Hu等人(Polymers for Advanced Technologies 19, 393-398, 2008)分别以三聚氯氰和三氯氧磷为中心合成两种星形结构的 可紫外固化的阻燃剂，将它们复配后得到了阻燃性能优异的固化膜。这些专利技术和合 成方法不同程度地存在如下问题：制备过程复杂，反应时间长，有机溶剂用量大，产率 低，后处理困难。产物的热稳定性、成炭量和阻燃效果还有待进一步提高。

发明内容本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述的技术现状而提供一种热稳定性佳、 成炭率高的含芳香族链结构的三嗪成炭剂。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种反应过程连续的含芳香族链结构的 三嗪成炭剂制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供含芳香族链结构的三嗪成炭剂的应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为： 一种含芳香族链结构的三嗪成炭 剂，如下结构通式-

其中，Z为NH、 S或O; Ar为苯基、萘基、苯二甲基、二苯甲烷基、二苯酮基、

二苯砜基、二苯醚基、二苯硫醚基、二苯二硫醚基、二苯酯基、二苯酮基、碳酸二苯酯

基、磷酸二苯酯基及其衍生物基；R为含有l〜18个碳原子直链或支链垸氧基、垸硫基、

烷胺基或苯氧基、苯硫基、苯胺基及其衍生物基团。

进一步，所述的成炭剂由结构通式为NH2-Ar-NH2， HO-Ar-OH或HS-Ar-SH的芳

香族二元化合物和单取代三聚氯氰在催化剂作用下縮聚得到。

一种含芳香族链结构的三嗪成炭剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

① 以三聚氯氰为起始原料，将10毫摩尔的三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器 中加入40〜60毫升的有机溶剂，搅拌使三聚氯氰分散均匀，在惰性气体或氮气保护下， 在0〜4(TC加入10.0-15.0毫摩尔催化剂和9.5-10.5毫摩尔的一元胺、 一元醇/酚或一元硫 /硫酚，反应1~6小时后结束反应，生成三聚氯氰的一取代衍生物；

② 第一步反应结束后，向反应容器中依次加入10.0〜15.0毫摩尔的催化剂和4.5~5.5 毫摩尔的芳香族二元胺、二元醇/酚或二元硫醇/酚，升高反应温度至40〜100'C，搅拌反 应1~8小时后结束反应，生成三聚氯氰二取代衍生物；

③ 在步骤②中所得的混合溶液依次加入10.0-15.0毫摩尔的催化剂和4.5~5.5毫摩尔 的芳香族二元胺、二元醇/酚或二元硫醇/酚，升高反应温度至100-15(TC，搅拌反应4~12

小时后，生成芳香族链大分子结构三嗪衍生物；

④ 停止反应，冷却、沉淀、抽滤，水洗，真空干燥后得到目标成炭剂。步骤①中所述的有机溶剂可以为1-甲基2-吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N，N-二 甲基乙酰胺或二甲亚砜中的至少一种。

反应中所述的催化剂可以为有三乙胺、吡啶、4-二甲氨基吡啶、N,N-二异丙基乙胺、 氢氧化钠，氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。

步骤④中所述的沉淀采用沉淀剂，该沉淀剂与反应溶液体积比优选10〜5:1，该沉淀 剂可以为水、乙醚、丙酮、甲醇、乙醇中的至少一种。

作为优选，步骤④中的所述的真空干燥条件为：80'C下真空干燥6〜72小时。

含芳香族链结构的三嗪成炭剂独立使用或作为膨胀型阻燃剂体系的成炭剂在阻燃 材料中的应用。

反应原理过程可参照如下反应方程式：

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本发明的内容是设计合成一类具有芳香族链结构的三嗪大分子无卤阻燃剂，产品为 白色或淡黄色粉末。产物在加热时熔融、分解发泡膨胀，最终生成膨胀疏松且强度优良的炭层。本发明所得三嗪系无卤阻燃剂热稳定性高，高温下成炭率高，可作为单独阻燃 剂在材料阻燃改性中应用，也可作为膨胀型阻燃剂体系的成炭发泡剂在材料的阻燃改性 中应用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：反应过程为"一锅法"连续反应，制备工艺 简单，中间体不需处理，后处理方法简单，反应时间短，产率高；可以有效地节约能耗， 提高生产效率，降低生产成本。同时可通过结构设计满足不同高分子材料阻燃改性要求， 如通过选择与氮含量高的二胺反应，可以增强阻燃剂的发泡性能，通过选择联苯类二元 衍生物取代三聚氯氰可以获得高成炭性能的阻燃剂等。另外本发明所制备的阻燃剂为大 分子结构，可以有效地克服无机阻燃剂和低分子量有机阻燃体系的挥发、迁移和渗出等 问题，同时改善由于阻燃剂的添加引起材料力学行为变差的缺陷。

附图说明

图1为实施例1合成的具有芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂的红外谱图。

图2为实施例1合成的具有芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂^核磁谱图。 图3为实施例1合成的具有芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂的TGA图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例l:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中

加入50mlN， N-二甲基乙酰胺，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20。C加入 1.90mlN,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中依次加 入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.54 g对苯二胺。升高反应温度至45°C，搅拌反应4小 时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和0.54 g对苯二胺。升高反应 温度至110'C，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进行沉淀、抽滤， 大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂。产 率在95%以上。在高纯氮气氛下，800'C时的成炭量为50%。

图1所示红外谱中，3398 cm"波长的吸收峰是由微量三聚氯氰被水解后生成的羟基 的伸縮振动产生的，测试仪器为NICOLET6700;溴化钾压片制样。3274 cm—1为N-H吸 收峰，3031 cm"和3101 cm—1为苯环上C-H的伸縮振动，1578 cm"和1 406 cm"为苯环的 骨架变形振动，1557 cm"可归为N-H的弯曲振动，1495 cm"为的三嗪环上-C二N-振动峰， 1351cm—1和1307 cm"为C-N的吸收峰。

7图2所示^核磁谱图中，测试仪器为BrukerAVIII 400， ADMSO为溶剂。化学位 移为S = 9.87 ppm和9.22 ppm处，分别对应侧链和主链上与苯环相连的-NH-的质子；此 外，芳环上的质子表现为S=6.98-7.82ppm的一系列化学位移。

图3所示TGA图中，测试仪器为瑞典梅特勒TGA/DSC分析仪；测试条件为高纯 氮气，升温速度10 °C/min。 80(TC时的成炭量为50%。

实施例2:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50mlN， N-二甲基乙酰胺，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20。C加入 1.90mlN，N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中依次加 入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和0.99g二氨基二苯甲垸。升高反应温度至45t:,搅拌反 应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和0.99 g 二氨基二苯甲 垸。升高反应温度至110°C，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进行 沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分 子无卤阻燃剂，产率在93%以上。在高纯氮气氛下，800'C时的成炭量超过55。/。。

实施例3:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml N， N-二甲基乙酰胺，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-10。C加入 1.38 g无水碳酸钾和1.01 g二氨基二苯醚，反应4小时后，再依次向反应容器中依次加 入1.38 g无水碳酸钾和1.00 g 二氨基二苯醚。升高反应温度至55°C ，搅拌反应4小时后， 再向混合溶液依次加入1.38 g无水碳酸钾和1.00 g 二氨基二苯醚。升高反应温度至110 °C，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进行沉淀、抽滤，大量水洗， 80'C下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂，产率在97%以 上。在高纯氮气氛下，800°<:时的成炭量超过48%。

实施例4:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50 ml l-甲基2-吡咯烷酮（NMP)，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-10 。C加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中 依次加入1.90mlN，N-二异丙基乙胺和1.06g3， 3' -二甲基-4.4， -二氨基联苯。升高反 应温度至45°C，搅拌反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺 和1.06g3, 3' -二甲基-4.4' -二氨基联苯。升高反应温度至ll(TC，搅拌反应8-10小时 后，停止反应，冷却、用水对产物进行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48 小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂，产率在95%以上。在高纯氮气氛下，800 'C时的成炭量超过53%。实施例5:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml 1-甲基2-吡咯垸酮（NMP)，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20 。C加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应3小时后，再依次向反应容器中 依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和1.24 g二氨基二苯砜。升高反应温度至50。C，搅 拌反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和1.24 g 二氨基二 苯砜。升高反应温度至11(TC，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进 行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大 分子阻燃剂，产率在94%以上。在高纯氮气氛下，80(TC时的成炭量超过39。/。。

实施例6:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml N， N-二甲基乙酰胺，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20。C加入 1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应3小时后，再依次向反应容器中依次加 入l.卯mlN,N-二异丙基乙胺1.09g4,4'-二羟基二苯硫醚。升高反应温度至7(TC，搅拌 反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和1.09 g 4,4'-二羟基 二苯硫醚。升高反应温度至11(TC，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产 物进行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三 嗪大分子阻燃剂，产率在92%以上。在高纯氮气氛下，800'C时的成炭量超过47。/。。

实施例7:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml 1-甲基2-吡咯垸酮（NMP)，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20 'C加入1.38g无水碳酸钾和2.24ml十二垸醇。反应5小时后，再依次向反应容器中依 次加入1.38 g无水碳酸钾和1.25 g二羟基二苯砜。升高反应温度至65'C，搅拌反应4 小时后，再向混合溶液依次加入1.38g无水碳酸钾和1.25g二羟基二苯砜。升高反应温 度至11(TC，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用沉淀剂对产物进行沉淀、抽滤， 大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂，产 率在97%以上。在高纯氮气氛下，800匸时的成炭量超过41%。

实施例8:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50mlN， N-二甲基乙酰胺，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-2(TC加入 1.90mlN,N-二异丙基乙胺和2.24ml十二烷醇，反应3小时后，再依次向反应容器中依 次加入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.54 g对苯二胺。升高反应温度至70'C,搅拌反应 4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和0.54 g对苯二胺。升高 反应温度至11(TC，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空千燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂， 产率在95%以上。在高纯氮气氛下，80(TC时的成炭量超过46。/。。

实施例9:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml l-甲基2-吡咯垸酮（NMP)，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-30 。C加入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中 依次加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和1.25g二巯基二苯硫醚。升高反应温度至50。C， 搅拌反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和1.25 g 二巯基 二苯硫醚。升高反应温度至IIO °C，搅拌反应10小时后，停止反应，冷却、用水对产 物进行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三 嗪大分子阻燃剂，产率在94%以上。在高纯氮气氛下，800匸时的成炭量超过47%。

实施例10:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml 1-甲基2-吡咯烷酮（NMP)，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-30 。C加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和0.95ml苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中 依次加入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.71 gl， 4-二巯基苯。升高反应温度至6(TC，搅 拌反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 ml N，N-二异丙基乙胺和0.71 gl， 4-二巯 基苯。升高反应温度至110 °C，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物 进行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪 大分子阻燃剂，产率在96%以上。在高纯氮气氛下，800匸时的成炭量超过53%。

实施例ll:在高纯氮气保护下，将1.84g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器中 加入50ml 二甲亚砜，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20 'C加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和1.24对甲苯硫酚，反应4小时后，再依次向反应容器中依次加入1.90 ml N,N-二异丙基乙胺和1.25g3,3'-二羟基二苯二硫醚。升高反应温度至45'C，搅拌反应4 小时后，再向混合溶液依次加入1.90mlN,N-二异丙基乙胺和1.25 g3,3'-二羟基二苯二硫 醚。升高反应温度至IIO °C，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进 行沉淀、抽滤，大量水洗，8(TC下真空干燥干燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大 分子阻燃剂。产率在96%以上。在高纯氮气氛下，800"时的成炭量超过54%。

实施例12:在高纯氮气保护下，将1.84 g三聚氯氰放入在反应器中，向反应容器 中加入50ml 二甲亚砜，搅拌10-30分钟使三聚氯氰分散均匀，在0-20"C加入1.90 ml N，N-二异丙基乙胺和1.38g对硝基苯胺，反应4小时后，再依次向反应容器中依次加入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.85gl,4-苯二甲硫醇。升高反应温度至45'C，搅拌反应4小时后，再向混合溶液依次加入1.90 mlN,N-二异丙基乙胺和0.85 g 1,4-苯二甲硫醇。升高反 应温度至ll(TC，搅拌反应8-10小时后，停止反应，冷却、用水对产物进行沉淀、抽滤， 大量水洗，8(TC下真空干燥千燥48小时，制得芳香族链结构的三嗪大分子阻燃剂。产 率在95%以上。在高纯氮气氛下，800 。C时的成炭量超过53。/0。