阻燃剂次膦(磷)酸盐的研究进展
第42卷第9期2014年9月
塑料工业
CHINAPLASTICSINDUSTRY
・5・
阻燃剂次膦(磷)酸盐的研究进展木
王靖字,许博,邱勇,孙楠,钱立军”
(北京工商大学材料科学与工程系,北京100048)
摘要:介绍了阻燃剂次膦(磷)酸盐的优点、主要种类、阻燃机理和研究现状。归纳了烷基次膦酸盐和次磷酸盐的合成方法。综述了该类阻燃剂在阻燃聚合物方面的应用效果,并对阻燃机理进行了分析。最后,对次膦(磷)酸盐今后的研究发展方向进行了展望。
关键词:烷基次膦酸盐;次磷酸盐;阻燃;磷氮协效DOI:10.3969/j.issn.1005—5770.2014.09.002中图分类号:TQ314.24+8
文献标识码:A
文章编号:1005—5770(2014)09—0005—06
ResearchProgressinHypophosphite
as
FlameRetardants
WANGJing—Yu,XUBo,QIUYong,SUNNan,QIANLi。Jun
(Department
ofMaterialsScience&Engineering,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing
100048,China)
Abstract:Thethesisintroducedthemerits,mainspecies,flame‘retardantmechanismandtheresearch
progress
ofhypophosphite.Thepreparingmethodsofalkyl—phosphinateandhypophosphite
were
were
conclused.
Theflame。retardanteffectsofhypophosphiteappliedinpolymersmechanisms
were
summarized,andtheflame—retardant
were
alsoanalyzed.Finally,theresearchtrendsofhypophosphite
prospected.
Keywords:Alkyl’phosphinate;Hypophosphite;FlameRetardant;P/NSynergistic
当今,基于阻燃效果、价格成本等因素,有机无
卤阻燃剂近年来发展十分迅速¨J。次膦(磷)酸盐类阻燃剂作为其中的代表,以其优异的阻燃特性和耐
的阻燃改性。然而相较于烷基次膦酸盐,其热稳定性
差,加工过程易分解释放磷化氢导致自燃,所以在应
用领域一直受到限制∞。7J。
为了对次磷酸盐和烷基次膦酸盐类阻燃剂进行系
水性等受到了市场的广泛欢迎‘2J。次膦(磷)酸盐
类阻燃剂因其结构不同分为两大类:有机次膦酸盐和无机次磷酸盐类阻燃剂,其中有机次膦酸盐以烷基次膦酸盐为主。
烷基次膦酸盐拥有如下优点:1)热稳定性高,350℃下保持稳定;2)无卤阻燃,耐水性良好,且阻燃效率高;3)综合性能优异,包括对材料机械性能影响小,色泽较佳,较低的烟密度,较高的相比漏
统地了解,本文综述了次膦(磷)酸盐的合成工艺、
阻燃机理和阻燃表现。
1
烷基次膦酸盐/次磷酸盐阻燃机理
烷基次膦酸盐/次磷酸盐中的磷含量高,具有磷
系阻燃剂的阻燃特征,可以同时在凝聚相和气相发挥阻燃作用。烷基次膦酸盐由于含有烷基取代基,故其阻燃机理较为复杂。下面分别以次磷酸铝和二乙基次
电起痕指数(CT/)值;4)适用于尼龙、聚酯、纤维及纺织品等高分子材料的阻燃改性,特别适用于制备薄壁制品;5)环境安全性好,毒理学测试无副作
用旧。5J。然而,烷基次膦酸盐的工业生产技术难度相对较高,产品价格较昂贵。
无机次磷酸盐与烷基次磷酸盐结构相似,也在工业领域上有所应用。其拥有如下优点:1)原料易得,价格便宜;2)合成方法简单,成本投入较小;3)阻燃效果较好,适用于尼龙、聚酯等高分子材料
膦酸铝为例,介绍次磷酸盐/烷基次膦酸盐的阻燃
机理。
次磷酸盐阻燃剂受热分解,并在气相产生PO・,
PO・可以捕获火焰区域中高能量的自由基HO・和
H・,并将其转化为稳定的自由基HPO・和PO・,有效降低火焰中H・和HO・,进而抑制自由基连锁反应,发挥阻燃效果旧J,其反应方程式如下所示。
P0・+H・—,HPO
(1)(2)
HPO+H・一H,+PO・
}北京市青年拔尖人才培育计划(CIT&TCD201304028)料通讯联系人augusqian@163.tom
作者简介:王靖宇,男,1990年生,硕士研究生,主要从事阻燃材料的研究及其应用。
万方数据
塑料工业
P0・+・OH--+HPO+・0・
(3)
在凝聚相中,次磷酸盐一部分高温下受热逐步分
解成磷酸盐的非燃性固体,覆盖于燃烧体表面,隔绝
空气;另一部分则生成H,P0:,H,PO进一步分解成
含P・和P:的自由基,能有效地和聚合物中的一OH和NH一成键反应,而以Al”为代表的金属离子则会通过与POO一的反应促进聚合物吸热、脱水、成炭
等一系列反应的进行,同时分解并产生炭层。9J,其反应方程式如(4)、(5)所示。炭层在凝聚相中阻
隔氧气和热量传递,此焦炭层难燃、隔热、隔氧,再
加上其导热性能差,阻断了底层的进一步分解。从而
达到阻燃效果。同时反应生成的水蒸气也可以在降低凝聚相温度的同时,稀释气相中可燃物的浓度,从而
更好地起到阻燃作用。
PH,
P.
H3PO
[
P=O
H
O
(4)
炉产叫
=
‘
\
.肛。H
、O’。O
+
一OH一一/
+“一—’A1”
(5)
越。¨F叫
加,
‘
{
与次磷酸铝类似,二乙基次膦酸盐也是在气相与凝聚相同时发挥阻燃效果。在气相阻燃方面:一部分二乙基次膦酸铝则会脱掉烷基,再通过缩合反应形成次磷酸的二聚体~10。,再产生PO・和P・自由基。这些PO・和P・可以有效捕捉气相中的高能的H・和HO・自由基,从而抑制自由基连锁反应,发挥阻燃效果。而凝聚相阻燃方面:一部分二乙基次膦酸铝在高温下受热逐步分解成磷酸盐的非燃性固体,覆盖于燃烧体表面,隔绝空气;另一部分则生成烷基次膦酸,并进一步分解成含P・和P:的自由基,能有效地和聚合物中的OH一和NH2一发生成键反应,而以
Al”为代表的金属离子则会通过与POO一的反应促
进聚合物吸热、脱水、成炭等一系列反应同时分解并
产生炭层‘9J,其反应方程式如(6)、(7)所示,进而在凝聚相中阻隔氧气和热量传递,不燃的焦炭层能够隔热、隔氧,阻断了底层树脂的进一步分解,从而达到阻燃效果。
AIPO。+AI。(P:O,),
心-、
◇
A
【————一\_乒。舌、一津。一八
H
O
1..............一
o
厂;。0H一厂:删
o…,
(6)
万方数据
一OH+二≥A1n一≮。一+
一oH
+”_+掣.
㈩/
L,
¥非常良好的疏水性,降低了其在水中的溶解性;而烷基次膦酸盐/次磷酸盐中金属阳离子(铝、镁、镧、
2烷基次膦酸盐与次磷酸盐的合成
系阻燃剂,其分子通式为(R,R:P00)。一M”,其
结构式如(8)所示,其中,R。及R:为C。~C。的烷
愕。卜
㈤
氧化水解生成二烷基次膦酸。以黄磷为基准计算,此
第42卷第9期
王靖宇,等:阻燃剂次膦(磷)酸盐的研究进展
压力条件下,在3h内均匀加入56g(摩尔分数为1%)2,2’一偶氮二一(2一脒基丙烷)一二盐酸盐的250mL水溶液;继续在85℃条件下继续反应3h;
减压冷却,将800g所得产物溶于2
500
g冰乙酸中,
加入38gAl(OH),,然后将混合物在回流条件下加热4h,加压冷却过滤。所得产物依次用1L冰醋酸、
1
L蒸馏水和500mL丙醇洗涤,最后在减压条件下
130℃烘干,得到产物183g,收率92%。
在德国Clariant公司申请的美国专利6535832¨8J中描述了二辛基次膦酸铝的制备方法:在2
000mL
三I:3烧瓶中加入42.4g(0.4m01)一水合次磷酸钠、
134.4
g(1.2m01)1一辛烯和1kg乙酸。在95
cc,
剧烈搅拌及回流条件下,在16h内均匀加入1.5
g
(摩尔分数为2%)的2,2’一偶氮二(2一甲基丁腈)50g乙酸溶液,继续反应1h。冷却至室温,将
10.4g
A1(OH),(0.13m01)加入到上述溶液,在
h,并继续回流16h。将所的固体过滤,
依次用200mL乙酸和200mL蒸馏水洗涤,并干燥。
得到产物90g,收率75%。
在德国Clariant公司申请的美国专利6242642
114]
中描述了芳基烷基次膦酸铝的制备方法:500g芳基次磷酸和4
000
g乙酸加人16L夹套压力搪玻璃反应
器中,当反应物被加热到85℃时,将乙烯的减压阀压力设定为5×105Pa的情况下,将乙烯通人反应釜直至饱和。搅拌条件下,在85~95cc内,在乙烯5
X
105Pa压力条件下,在3
h内均匀加入56g(摩尔
分数为1%)2,27一偶氮二一(2一脒基丙烷)一二盐酸盐的250mL水溶液。继续在85℃条件下继续反应3h。减压冷却,所得产物4
700
g,收率100%。
此外德国Clariant公司也申请了其他美国专利其中具体方法与上述方法类似。
由于烷基次磷酸盐良好的应用前景,国内很多科
研小组都进行了该方面的研究,并试图实现产业化,
但目前国内生产的此类产品还不能达到国外产品的质量水平,仅能在某些要求不太高的材料中应用。2.2次磷酸盐的合成
近年来无机次磷酸盐发展迅速,其中主要包括钠盐、铝盐、锰盐、锌盐和稀土类金属如镧盐、铈盐等。次磷酸钠热稳定性较差,超过200℃即分解放出PH,,所以其主要作为制备其他次磷酸盐的基础原料。其他次磷酸盐可通过沉淀法制备,如今最常用的无机次磷酸盐阻燃剂多为次磷酸铝,其他还有次磷酸
万方数据
锰、次磷酸锌、次磷酸镧等。次磷酸盐多采用沉淀
法,通过一水合次磷酸钠或次磷酸溶液与金属离子进
行共沉淀制得。
Noisong等¨引采用H3P02(50%)与Mn(NO3)2・4H:O的水溶液在丙酮溶液中,并加热到丙酮沸点以上保持10min,过滤烘干得到粉红色固体,即d。Mn(H2P02)2・H2O。徐建中等‘2刨采用向87℃NaH:PO:・H:O水溶液滴加定量的AICI,溶液,反应
1
h后,抽滤得到白色沉淀,经水洗、乙醇洗涤烘干
后,得产物次磷酸铝。将定量的NaH:PO:・H:O溶
于pH为1.4的KCl。HCl溶液中,将溶于KCI—HCl溶液的相应氯化物(氯化镧和氯化铈)缓慢加入(水浴加热,温度40℃),通人氮气,反应3h后,室温抽滤、水洗、乙醇洗涤、烘干后,即得到次磷酸镧和
次磷酸铈。Tang等’2刈将一定量的NaH:PO2・H20溶
于蒸馏水中,并通过HCI溶液调节pH值为1.4,
50℃水浴加热,加入三氯化镧水溶液,氮气氛,反
应4h后,过滤、水洗、200oC烘干4h后,得产物次磷酸镧。
3
阻燃应用
烷基次磷酸盐自从问世以来,被广泛关注。由于
其热稳定性高、添加量小、阻燃效果好等优异表现,
被广泛应用于尼龙6(PA6)、PA66、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)
等工程塑料中,并表现出良好的阻燃效果。次磷酸铝
结构与烷基次膦酸盐相似,磷含量相当,由于其价格
优势,现已少量应用于阻燃树脂中,当然由于热稳定
性较差等原因在一定程度上限制了其在阻燃树脂中的应用。
3.1
烷基次膦酸盐作为阻燃剂的应用
早在20世纪70年代末80年代初,美国Pen-
nwah公司就已对各种二烷基次膦酸盐的性质进行测试【22|。美国Ticona公司先后研究了次膦酸锌、铝、钙作为阻燃剂在PA和PBT中的性能,得出甲基乙基次膦酸铝/钙在PBT中的添加量为15%和在PA中的添加量为20%时,垂直燃烧UL94都能够达到V旬级别[23-243。
德国Clariant公司对烷基次膦酸盐的制备及应用技术申请了大量的专利,将不同结构包括直链以及支
链的烷基次膦酸盐单独或者与聚磷酸三嗪盐、聚磷酸三聚氰胺盐以及无机阻燃剂等复配使用,用于阻燃聚酰胺以及阻焊层材料中,都可得到较好的阻燃效果,其中烷基次磷酸盐可以是多种金属盐包括Mg、Ca、Al、Sb、Sn、Ge等。
80℃加热47420007_121等对烷基次磷酸盐的制备技术进行保护,
・8・
塑料工业
2014焦
烷基次磷酸盐在尼龙阻燃中应用广泛,并取得了较为显著的效果。王玉忠等一1分别将次磷酸铝(AP)和异丁基次膦酸铝(APBu)应用于PA6当中,发现两种次磷酸盐的添加都能够提升材料的极限
氧指数(LOI)、UL94垂直燃烧级别并降低锥形量热实验中的热释放值。其中添加APBu的复合材料能够获得较高的极限氧指数值以及UL94垂直燃烧级别,当两种阻燃剂在复合材料中的添加量分别都为25%时,PA6/APBu复合材料的LO/值达到34.6%,
UL94垂直燃烧1.6mm样条通过V帕级,而PA6/AP
复合材料的LOI值为27.8%,1.6mm垂直燃烧通过
V_2级。AP在材料燃烧的过程中能够与材料发生交联反应,而APBu则不与材料发生交联反应,而是释
放出大量的含磷自由基起到了减弱燃烧链式反应的作用。在相似的研究中,王玉忠等Ⅲo将二异丁基次膦酸铝和单异丁基次膦酸铝混合物(HPA-2TBA-A1)
应用于30%玻纤增强的尼龙6(GFPA6)当中,发现HPA-2TBA‘AI的添加都能够提升材料的LOI值、UL94垂直燃烧级别;当HPA-2TBA—A1的添加量为25%时,PA6/HPA-2TBA。AI复合材料的LOI值达到34.6%,UL94垂直燃烧1.6mm样条通过V旬级。HPA-2TBA—A1的加入可在燃烧过程中形成紧密的炭
层,阻隔火焰传递,此外燃烧中产生的不燃气体也对复合材料的阻燃起到积极作用ⅢJ。Isitman等口钊将
二乙基次膦酸铝(OP)和纳米级黏土(n—clay)应用到15%增强的尼龙(GFPA)的阻燃中,当OP的添加量为25%,n—clay添加量为5%时,便可取得较好阻燃效果。n1GFPA—OP纳米复合材料的LOI值达到
34.6%,UL94垂直燃烧通过V帕级。文章认为该阻燃体系改变了尼龙6的热降解过程,纳米黏土层和次膦酸铝降解产物形成的致密炭层发挥隔热和隔氧效
果,从而发挥优异的阻燃作用。
当烷基次膦酸盐与其他金属阻燃剂或者氮系阻燃剂复配使用时,不仅可以降低烷基次膦酸铝的添加量,往往还能发挥优异阻燃效果。Horrocks等【2¨将二乙基次膦酸铝(A1Pi)和硼酸锌(zS)应用在30%玻纤增强高温尼龙(HTPA)的阻燃中,当阻燃剂总量为15%(A1Pi:11.25%,ZS:3.75%)时,
就能获得良好的阻燃效果;HTPA/GF-A1Pi—ZS复合材料的LOI值达到40%,UL94垂直燃烧通过V町级。
氮磷协效阻燃效果明显,已在阻燃领域得到广泛共识。Braun等拉副将二乙基次膦酸铝与三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)以及硼酸锌(ZnB)应用于30%玻纤增强PA66(PA66/GF)的阻燃中,探究了阻燃剂的
万方数据
阻燃机理,当添加了三种组分AlP、MPP、ZnB阻燃剂的总含量为18%时,复合材料较添加单一组分的
复合材料能够获得更好的阻燃效果。PA66/GF。AlP。MPP—ZnB复合材料LOI值达到33.3%,UL94垂直燃烧通过V-O级,通过对燃烧机理的研究发现在材料燃烧的过程中,二乙基次膦酸铝主要通过释放自由基起
到抑制燃烧反应的作用,而MPP则主要通过增加残
炭量起到凝聚相阻隔的作用,而硼酸锌的加入则能够跟二乙基次膦酸铝反应生成了硼一铝化合物起到增加炭层的作用怛…。
线型聚酯类树脂,也是烷基次磷酸盐阻燃应用的一个主要方向。Ramani等旧引将二乙基次膦酸铝和改
性蒙脱土应用于聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的阻燃中,当二乙基次膦酸铝添加量为15.5%,蒙脱土
添加量为2.5%时,可以取得较好阻燃效果。阻燃复
合材料的LOI值可达到35.5%,UL94垂直燃烧达到
V町级。Brehme等旧叫将二乙基次膦酸铝(A1Pi)应
用于PET的阻燃研究中,当A1Pi添加量为20%,
PET‘A1Pi复合材料的LOI值可达到45.4%,UL94垂直燃烧达到V勺级。郝建薇等口¨将二乙基次膦酸铝(AIPi)协同纳米三氧化二锑(nano‘Sb,O,)应用于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的阻燃研究中,当AIPi添加量为8%,nano。Sb:O,添加量为2%时,就可以取得非常好的阻燃效果,PET—AIPi—nano—Sb,O,复
合材料的LOI值可达到33.6%,UL94垂直燃烧达到
V-O级。nano。Sb:O,的加入,有利于PET・A1H-nano-Sb:O,复合材料在燃烧过程中形成了更致密的炭层,这是一方面是由于nano。Sb:O,对交联现象的靶向催
化作用,另一方面nano。Sb:O,与A1Pi的表面发生了Sb‘OH之间的缩合反应,这都促进了炭层的形成,从
而在基体与火焰之间形成屏障,阻隔燃烧[31|。
Lorenzetti等u纠将二乙基次膦酸铝(OP—1200)和次磷酸铝(IPA)分别应用到聚氨酯泡沫(PU)的阻燃研究中,当IPA和OP一1200的添加量均为10%时,IPA/PU和OP‘1200/PU复合材料的LOI值
可达到25.6%和24.7%,并降低锥形量热实验中的热释放值。研究表明无机次磷酸盐和有机次膦酸盐的加人均可有效地提高聚氨酯泡沫的防火性能,两种含
磷阻燃剂可在阻燃聚氨酯过程中发挥氮磷协同阻燃,释放出的水和氨气可以起到稀释可燃气体的作用。目前广泛应用于阻燃树脂的次磷酸盐多为次磷酸铝,也有关于少量次磷酸锰以及稀土次磷酸盐(次磷酸镧、次磷酸铈)的应用。次磷酸盐多应用为
3.2次磷酸盐作为阻燃剂的应用
第42卷第9期王靖宇,等:阻燃剂次膦(磷)酸盐的研究进展
・9・
PA6、PA66、PET和PBT等树脂的阻燃,其单组分阻燃树脂时,添加量较大。当其与三聚氰胺氰尿酸盐等氮系阻燃剂复配时,发挥氮磷协效阻燃效应,可在一
定程度上降低添加量,并表现出较好的阻燃效果。Tang等口I‘在次磷酸镧阻燃玻纤增强PA6的研究中,将20%的次磷酸镧添加到玻璃纤维增强PA6中,
LOI值可达到27.5%,并且达到UL94V旬垂直燃烧级别。次磷酸镧的加人有助于形成紧凑的炭层,并在树脂与火焰之间充当屏障,阻止火焰扩散,发挥阻燃效果。徐建中等E201分别采用次磷酸铝、次磷酸镧、
次磷酸铈阻燃PBT,当次磷酸盐用量为25%时,阻
燃PBT的LOI值明显提高,分别提高到28%、27%、和28%。添加La(H2PO2),和A1(H2PO:),的PBT的垂直燃烧等级分别达到UL94V旬和V一1级;另外,A1(H:PO:),的加入可促进PBT形成更稳定的炭层,
并减少气相产物的生成量。王玉忠等旧引在次磷酸铝
(AP)增强PS的研究中,将25%的次磷酸铝添加到
Ps中,极限氧指数LOI值提高到25.6%,UL94垂直燃烧通过V旬级。AP阻燃Ps是结合了气相与凝聚相
阻燃,稳定的P一0交联炭层的形成有利于阻隔氧气与热量,而燃烧过程中产生的磷离子(例如PO:一)可以抑制火焰在气相中蔓延。
Yang等Ⅲo采用次磷酸铝(AHP)阻燃30%玻
纤增强的聚对苯二甲酸丁二醇酯(GRPBT)。当AHP质量分数为20%时,GRPBT。AHP20复合材料的LOI
值最高,达到29%,UL94垂直燃烧达V-0级别,热释放量可降低51%。Yang等。3纠采用次磷酸铝阻燃
30%玻纤增强的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET/GF),分别用次磷酸铝(AHP)和三聚氰胺氰尿酸盐(MCA)单组份阻燃PET/GF时,当MCA和AHP添加量为10%时,LOI值分别为27%和30%,UL94垂直燃烧分别为无级别和V旬。而当采用次磷酸铝(AHP)与三聚氰胺氰脲酸盐(MCA)复配,MCA:AHP为1:2且总阻燃剂添加量为10%时,LOI值达
31%,垂直燃烧达V勺级别,热释放量可降低47%。
研究证明AHP/与MCA复配可有效地发挥氮磷协效阻燃效应,相较于PET/GF‘AHP体系,MCA的加入有助于形成更致密的炭层,炭层则充当屏障降低热传
导并切断质量传递路径降低其“烛芯效应”。另外,
燃烧过程中由MCA升华产生的不燃气相产物也可以
带走一部分热量并且可以有效地稀释可燃性气体的浓
度,从而发挥阻燃效果。
4结语
阻燃剂烷基次膦酸盐由于磷含量高、热稳定性
万方数据
好、添加量小、阻燃效果优异等优势将会被越来越广
泛地应用到工程塑料的阻燃中;与其结构相似的无机次磷酸盐,虽然热稳定性略差,但由于价格优势,也
可以适用于某些加工温度低的材料中。在今后的研究
中如何更好地将烷基次膦酸盐/次磷酸盐与氮系阻燃
剂复配,发挥磷氮协效阻燃效应将会成为次膦(磷)酸盐的一个重要发展方向。此外,次膦(磷)酸盐多为粉末状固体,若能将其纳米化,也许还能获得更
好的阻燃效果。总之,随着阻燃剂朝着环保化、高效化的方向不断发展,次膦(磷)酸盐类阻燃剂也将
会拥有巨大的发展空间。
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(本文于2014—05—28收到)
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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
王靖宇, 许博, 邱勇, 孙楠, 钱立军, WANG Jing-Yu, XU Bo, QIU Yong, SUN Nan, QIAN Li-Jun
北京工商大学材料科学与工程系,北京,100048塑料工业
China Plastics Industry2014,42(9)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_slgy201409002.aspx