新型磷氮阻燃剂合成与性质研究

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第二次世界大战以后,随着石化工业的兴起,高分子材料的蓬勃发展给人们的生活带来了诸多便利。人们在享受高分子科技带来的便利的同时,也承受着因高分子材料的易燃性而带来的极大的灾难。因此高分子材料面临着社会和环境等关于材料阻燃化要求的压力。在高分子材料中引入阻燃剂,能够降低材料的火危险性。传统上的卤素阻燃剂和锑联用,具有阻燃效率高,影响材料的性能小的特点而得到广泛应用,但是近年来由于环境保护的要求,阻燃剂的无卤化,环境友好化成为目前的研究热点。科研人员花费巨大的精力和财力寻找无卤阻燃剂。磷系尤其磷氮阻燃剂因其无毒,高效,成为卤系阻燃剂的最有希望的替代品。因此开发磷氮阻燃剂将具有重要的意义。阻燃材料的加工方式有溶液浇注、涂层法、挤出成型等工艺。溶液浇注法因具有经济性和操作方便的特点,而在材料成型加工中得到广泛的应用。溶液浇注加工方法可以避免阻燃剂在材料中的分布不均匀现象。材料中添加剂的分布不均匀会带来材料的机械张力增大,脆性增大等问题。因此寻找一种能适合溶液浇注的溶剂具有非常重要的意义。阻燃剂的固液相平衡数据不单单为溶液浇注和结晶工艺寻找溶剂提供数据,这些数据还可以用来评价目前相平衡模型的优劣,为建立新的相平衡模型提供基础数据支持。本论文主要研究内容如下:以二苯氧基磷酰氯为磷源,分别与环己胺、乙二胺,苯甲胺,间苯二甲胺,4,4二胺基二苯基甲烷,哌嗪等氮源反应,合成出了PAPBE、PNBTE、PNBE、CPADE、PANDE、PAETE六种磷氮阻燃剂。利用EA、IR、MS、1H NMR及13C NMR表征了目标化合物的结构。通过DSC及TGA表征手段分别测试了化合物的熔点、熔融焓及热稳定性。以苯基次磷酸,甲醛,哌嗪为原料合成出了新型反应型磷氮阻燃剂,为了研究其结构,采用各种金属离子抗衡配位,合成了系列物质,用单晶衍射仪测试了其结构。以新戊二醇,三氯氧磷和乙二胺,三溴苯酚为原料,合成出了DMOE和DDMO两种磷系协效阻燃剂。采用EA、IR、MS、1H NMR及13C NMR表征了目标化合物的结构。通过DSC及TGA表征手段分别测试了化合物的熔点、熔融焓及热稳定性。采用静态平衡法测定了实验室自制的八种含磷阻燃剂PAPBE、PNBTE、PNBE、CPADE、PANDE、PAETE、DMOE和DDMO在选择性溶剂中的溶解度。首次给出了在甲醇、丙酮、四氢呋喃、乙腈、乙醇、甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷、异丙醇、丁酮、1,2二氯乙烷、乙醚、氯仿和乙酸甲酯等溶剂中的溶解度,并进一步研究了八种溶质溶解度随温度的变化趋势,从物质分子结构上分析了其对溶解度大小的影响,并计算了活度系数。为化合物的合成、纯化工艺设计以及成型加工提供了重要的基础数据。根据固–液相平衡理论,在不同温度下采用λh方程、Wilson、NRTL与UNIQUAC模型关联溶质PAPBE、PNBTE、PNBE、CPADE、PANDE、PAETE、DMOE和DDMO在不同温度下的溶解度数据,通过误差RSD的分析,绝大多数二元系的误差均小于2%,结果表明实验值和计算值具有较好的一致性,可以直观的反映出溶解度的趋势。根据Scatchard–Hildebrand溶液模型和基团贡献法,估算了八种阻燃剂的溶解度参数,利用范特霍夫方程和Gibbs–Helmholtz方程估算了混合热力学参数,并对比了焓值和熵值对吉布斯自由能的影响,结果表明,该过程是一个非自发的熵驱动过程。最后把PNBTE、PNBE加入到环氧树脂中,考查了两种阻燃剂对环氧树脂的阻燃性能,并初步研究了其机理,发现两种阻燃剂对环氧树脂都具有一定的阻燃性,其阻燃剂机理为凝固相和气相协同阻燃机理,其中以凝固相为主。
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