第27卷第8期 2015年8月 化学研究与应用 Chemical Research and Application Vo1.27,No.8 Aug.,2015 文章编号:1004—1656(2015)08—1208-05 反应型无卤阻燃剂Ⅳ,Ⅳ’一双(2一羟乙基) 磷酸二乙酯的合成及应用 赵 斌,李 飞 ,刘亚青 (1.中北大学山西省高分子复合材料工程技术研究中心材料科学与工程学院,山西太原030051) 摘要:本文以亚磷酸二乙酯和二乙醇胺为原料合成了一种新型反应型无卤阻燃剂N,N’-双(2-羟乙基)磷酸二 乙酯(DEHPA),采用红外光谱、核磁氢谱、核磁碳谱以及核磁磷谱表征了其化学结构。利用DEHPA制备了本 质阻燃硬质聚氨酯泡沫材料,通过氧指数(LOI)、水平燃烧测试研究了材料的阻燃性能。同时利用热重分析 表征了阻燃剂以及泡沫材料的热稳定性。测试结果表明,当DEHPA以30份替代聚醚多元醇时,聚氨酯硬泡 LOI值从19.5%提高到23.6%,通过水平燃烧HB级,继续提高阻燃剂添加量,材料阻燃性能进一步提高。热 重分析的结果表明DEHPA可以促进聚氨酯硬泡提前分解并具有优良成炭性能。 关键词:阻燃;磷酸酯;聚氨酯 中图分类号:0633.2 文献标志码:A Synthesis and applications of non—halogen reactive flame-retardant: diethyl—N,N’-bis(2-hydroxyethy1)phosphoramide ZHA0 Bin ,LI Fei ,LIU Ya—qing (1.Research Center for Engineering Technology of Polymeric Composites of Shanxi Province College of Materials Science and Engineering,Noah University of China,Taiyuan 03005 1,China) Abstract:A novel non—halogen reactive flame—retardant named diethyl-N,N’一bis(2-hydroxyethy1)phosphoramide(DEHPA)was synthesized successfully from diethyl phosphate and diethanolamine.The chemical structure of)EHPAwas identififed via FT—IR. H— NMR,”C—NMR and P.NMR..ThenDEHPAwas used to manufacture inherent flame retarded rigid polyurethane foam(RPUF) Limited oxygen index(LOI)and horizontla burning tests were utilized to investigate the lfame retrdance aof the samples.The results showed that when 30 pprDEHPAwere used.the LOI value of RPUF could be increased from 19.5 to 23.6%and HB rating could be achieved.Better flame retadance of RPUF could be obtained when the addition amount off)EHPAwas increased.The results of ther— mogravimeric analysis(TGA)indicated thatDEHPAshowed good char—forming capacity.DEHPAcould promote RPUF decompose and form more char residues during TGA test. Key words:flame retardant;phosphate;Ipolyurethane 近年来,硬质聚氨酯泡沫(RPUF)作为一种优 良的建筑保温材料被广泛关注。但由于其自身多 收稿日期:2015-03—11;修回日期:2015-04-27 基金项目:国家自然科学基金项目(51403191)资助 联系人简介:刘亚青(1970一),女,教授,主要研究方向:功能高分子材料。E・mail:zfflyq98@163.corn 第8期 赵斌,等:反应型无卤阻燃剂N,N’一双(2一羟乙基)磷酸二乙酯的合成及应用 1209 孔性结构以及分子链由C、H、N元素组成的特点, 喃、三乙胺,分析纯,上海思域化工科技有限公司; 易燃性以及燃烧时较大的烟气毒性导致的火灾问 聚醚4110(HF4110,420 mg KOH/g,河北天盛化工 题成为制约其应用的最大弊端之一,针对RPUF 有限责任公司);多亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI, 进行阻燃等防火研究成为亟待解决的问题¨ 。 PM200,万华化学股份有限公司);二月桂酸二丁 RPUF属于热固性高分子泡沫材料,针对其的阻燃 基锡(DBTDL)、三乙醇胺(THA),分析纯,天津市 方式一般分为添加型阻燃和反应型阻燃。在众多 天力化学试剂有限公司;硅油乳化剂(SD-201,苏 无卤添加型阻燃体系中,可膨胀石墨 、聚磷酸 州思德新材料科技有限公司)。 铵_4 J、单组份膨胀阻燃剂l5 J、磷酸酯类(甲基磷酸 1.2表征测试 二甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三苯酯等) .6 等研究较 使用Nicolet IS50型傅里叶变换红外光谱仪 多并且取得了一定的成果,但仍存在着有待解决 500~4000 CB 进行衰减全反射测试(ATR)。核 的问题。例如聚磷酸铵与基材相容性差、大量可 磁测试使用Bruker-400 MHz核磁共振仪。根据 膨胀石墨混合不均以及在施工中堵塞喷管、磷酸 GB/T 24062009,采用莫蒂斯COI型氧指数仪进 酯类阻燃剂还会导致聚氨酯硬泡强度和成型后尺 行氧指数测试;根据GB/T 2408-2008采用CZF一5 寸稳定性下降等 。目前针对RPUF的反应型阻 型水平垂直燃烧测定仪进行水平燃烧测试。热稳 燃方式之一是利用具有活性基团的反应型阻燃剂 定性采用PerkinElmer STA6000型热重分析仪测试 制备阻燃硬质聚氨酯泡沫【sl9 J。N,N一双(2一羟乙 ( ,20。C/min,40-700。C)。 基)氨基亚甲基膦酸二乙酯是一种含氮磷酸酯二 元醇(BHAPE),最早由美国专利US 3076010报道 1.3 N,N’一双(2一羟乙基)磷酸二乙酯(DEHPA) 合成,可用于反应型阻燃聚氨酯材料,国内近年来 的合成 也开展了相关研究¨ 。该化合物合成工艺复杂, 合成路线如示例1所示:在装有搅拌和冷却 且需要用到较大量环境毒性物质甲醛,产率还有 装置的250 mL反应容器中加人一定量四氢呋喃, 待提高。基于以上分析,本文设计并合成了一种 再依次加入13.8 g亚磷酸二乙酯以及15.4 g四氯 新型反应型阻燃剂N,N’.双(2一羟乙基)磷酸二乙 化碳,保持0—5。C下边搅拌边缓慢滴加溶解有 酯(DEHPA),该阻燃剂与BHAPE具有类似的分 10.5 g二乙醇胺、一定量三乙胺以及四氢呋喃的 子结构,合成工艺简单,产率达98%,分子中含有 混合溶液,体系开始产生白色沉淀。混合溶液滴 的双羟基结构可以参与聚氨酯发泡反应。本文研 加完毕后,室温搅拌反应1O小时。将白色沉淀三 究了其对RPUF的阻燃性能和热稳定性的影响。 乙胺盐酸盐过滤后减压浓缩溶液体系,纯化干燥 后获得淡黄色透明油状液体产物DEHPA,产率 1 实验部分 98.0%。DEHPA独特的双羟基结构可以与聚氨 酯原料之一异氰酸酯发生扩链反应而作为反应型 1.1 主要原料 阻燃剂使用。 亚磷酸二乙酯、四氯化碳、二乙醇胺、四氢呋 H H …+HN ! 望!:!: ,L :罟: —N 富一N o、。。__\ Triethylamine 厂u\_-I\ 0H 0H 示例1 DEHPA合成路线 Scheme 1 Synthetic route ofDEHPA 1.4 RPUF样品制备 4l1O)、催化剂(DBTDL、THA)、硅油(SD-201)、蒸 按照表1配方,室温下将聚醚多元醇(HF. 馏水、阻燃剂DEHPA在混合器中高速搅拌混合均 1210 化学研究与应用 第27卷 匀至均一的液态混合物;将PAPI(PM.200)加入到 泡沫放在70。C恒温烘箱中熟化6 h后按照相应 测试标准裁切成标准样条。 上述混合物中继续高速搅拌混合20 S,立即将混 合物倒人开口模具中进行自由发泡成型;最后将 表1 RPUFs泡沫发泡配方(异氰酸酯指数R=1.o5) Table 1 The formulas of RPUFs(R=1.05) 2结果与讨论 2.1 阻燃剂DEHPA结构表征 ' ̄ O ob— / \ 0H d e l cDc 从{l ’ I_ l_ I I l ● l _ I , ● l● 0 pm 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 《c)CDCl3 ’’C-NMR (d) ’p.NMR : o OH I : b 、oH a d II … 90 85 80 75 70 65 60 55 504540 35 30 25 201510 5 0 ppm 45加ppm L ‘ 35 30 25 20 15 10 5 0.5-10.15.20 图1 (a)DEHPA红外光谱图;(b,c,d)DEHPA H,NMR、”C-NMR以及 P-NMR谱图 Fig.1(a)FTIR spectrum ofDEHPA;(b,c,d) H—NMR、13C—NMR and P-NMR spectrums ofDEHPA 图1(a)红外光谱测试图中:3375 cm 处为一 OH的伸缩振动,2875.2980 cm 处为.CH 、一CH 一 的伸缩振动,1231 cm 处为P=0特征吸收,1007 cm 以及958 Cm。。为P—O—C键的特征吸收峰,在 1161 cm 处出现了P—N键的特征弯曲振动峰; (b) H—NMR图谱中:化学位移为1.26 ppm处的 峰为两个.CH 的H;3.13~3.16 ppm处的峰归属 于与N原子相连的一CH 上的H;3.65 ppm处峰归 属于与羟基相连的-CH2上的H;3.98~4.02 ppm 处是与甲基相连的一CH 一上的H;4.17 ppm处峰归 属于羟基上的H。图1(c)”C.NMR所示,化学位 移为15.10 ppm,50.40 ppm,61.46 ppm以及 62.70 ppm处峰分别对应于一CH 、与N原子相连 的一CH 一、与羟基相连的.CH 一以及与甲基相连的一 第8期 赵斌,等:反应型无卤阻燃剂N,N’ 双(2.羟乙基)磷酸二乙酯的合成及应用 1211 CH 一上的C峰;(d) P核磁谱图中,仅在化学位移 21.1%以及22.7%,但在燃烧测试中5 s内火焰前 11.08 ppm出现单峰,与DEHPA分子结构中的仅 沿就烧过了100 mm测试标线,损毁长度为75 有一个化学环境的P一致。红外光谱及核磁测试 mm,燃烧速率远大于40 mm/min,仍旧不能通过水 结果表明目标阻燃剂DEHPA被成功合成。 平燃烧测试。随着配方中阻燃剂含量的增加,当 2.2阻燃性能 样品中理论磷含量达到1.49 wt%时,RPUF.3可以 表2是各组RPUF阻燃性能测试结果,对于硬 通过水平燃烧测试,达到HB级,测试中所施加火 质聚氨酯泡沫材料,密度对其阻燃性能影响较大, 焰离开后迅速在25 mm标线附近熄灭。对于 因此表格中一并列出了各组材料的密度,可以看 RPuF4以及RPUF一5材料,随着磷含量的提高,材 出虽然由于配方的差异导致最终泡沫密度有所不 料阻燃等级进一步提高,LOI达到24.5%,水平燃 同,但都与未阻燃RPUF接近。从表中数据可以 烧测试中表现为离火自熄。从以上结果可以看 看出未经阻燃的RPUF材料LOI值仅有19.5%, 出,使用具有双羟基的阻燃剂DEHPA制备反应型 属于易燃材料。随着阻燃剂的加入,对于的 阻燃RPUF材料,可以有效提高RPUF的阻燃性 RPUF.1以及RPUF-2材料,其LOI值分别提高到 能。 表2 RPUFs泡沫阻燃性能 Table 2 Flame retardance of RFPUs 2.3热稳定性分析 的初始热分解温度提前约8O。C,利用该阻燃剂制 图2和表3分别给出了DEHPA、RPUF以及 备的反应型阻燃RPUF泡沫中阻燃单元部分可以 阻燃泡沫RPUF.5的热重曲线和数据。从图表可 提前分解,同时在DEHPA的热分解产生的磷酸类 以看出,对于阻燃剂DEHPA,其700。C时残炭达 物质的作用下,促进阻燃聚氨酯泡沫材料残炭提 到19.0 wt%,具有较好的成炭能力。对于RPUF一5 高了4.7 wt%,在一定程度上抑制了聚氨酯泡沫 材料,可以观察到其初始热分解温度相对于RPUF 自身的分解。热稳定性测试的结果在一定程度上 提前了33。C,最大热分解温度也提前了约70。C。 佐证了DEHPA可以有效改善RPUF的阻燃性能, 这是由于相对于RPUF材料本身,阻燃剂DEHPA 这与LOI以及水平燃烧测试结果相一致。 三 量 萼 i : 羔 % 王 图2 DEHPA、RPUF以及RPUF.5的TG和DTG曲线 Fig.2 TG and DTG curves ofDEHPA.RPUF and RPUF-5 1212 化学研究与应用 第27卷 3 结论 醚多元醇后,所制备阻燃RPUF材料LOI值达到 23.6%,通过水平燃烧等级。继续提高阻燃剂至 通过红外光谱、核磁氢谱、核磁碳谱以及核磁 磷谱测试结果表明,本文成功合成了目标阻燃剂 DEHPA,产率高达98%;当DEHPA替代30份聚 参考文献: [1]Levehik S V,Weil E D.Thermal decomposition,combus. tion and fire—retardancy of polyurethanes—・a review of the recent literature[J].Polym/nt,2004,53(11):1585— 161O. 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