《武汉工程大学学报》 2018年03期
254-258
出版日期：2018-06-26
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
新型环三磷腈衍生物的合成及表征
传统的卤系阻燃剂具有阻燃效率高、添加量少、对材料力学性能影响小等优点，长期以来一直作为主要阻燃剂品种占据大量阻燃剂市场份额［1-3］。但是卤系阻燃剂燃烧时会放出大量的有毒有害的物质，对环境造成污染的同时也会对人体健康造成危害，因此开发研究卤素阻燃剂的替代品成为了近几年来阻燃剂研究领域的热点方向［4-5］。磷腈化合物是一类以磷氮元素交替排列为基本骨架的化合物，其独特的结构使其具有良好的热稳定性和阻燃性［6-8］。以六氯环三磷腈为原料，通过亲核取代反应制备出多种含有羟基［9］、苯胺基［10］、烷氧基［11］、芳氧基［12-13］和不饱和双键［14］等功能基团的环三磷腈衍生物，被广泛应用于聚合物的阻燃处理并取得较好的效果。与传统阻燃剂相比，磷腈类阻燃剂具有高效、低毒、低烟、添加量少、无熔滴等优点，因此被应用于各种高分子材料中［15-19］。作为未来市场上卤素阻燃剂的替代品之一，其研究应用前景十分广阔。三（2，2-二甲基-1，3-丙二氧基）环三磷腈［tri（2，2-dimethyl-1，3-dioxde）cyclotriphos-phazene， TDPCP］是一种新型无卤多元环状氮磷阻燃剂，其兼具氮源、碳源和酸源于一身，具有较好的热性能，耐水性能优异，毒性低，对皮肤无刺激作用，应用范围广泛。1 实验部分1.1 化学试剂与材料1.1.1 主要化学试剂 六氯环三磷腈（hexachlorocyclotriphosphazene ，HCCP，武汉远成共创科技有限公司，化学纯）；新戊二醇（neopentyl glycol，NPG），天津科密欧化学试剂有限公司，分析纯）；金属钠，国药集团化学试剂有限公司（分析纯）；石油醚（天津迪博化工有限公司分析纯）；四氢呋喃（陇西化工股份有限公司，分析纯），四氢呋喃使用前加钠回流精制。1.1.2 主要仪器 傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared spectrometer，FT-IR），VERTEX 70，KBr压片，德国Bruker公司）；核磁共振波谱仪（AV400，CDCl3为溶剂，瑞士Bruker公司）；元素分析仪，Vario El（德国Elementar公司）；热重/差热综合热分析仪（Diamond TG/DSC，从40?℃升至800?℃，升温速率为20?℃/min，N2氛围，铂金-埃尔默仪器（上海）有限公司）。1.2 三（2，2-二甲基-丙二氧基）环三磷腈的制备在装配有回流冷凝管、恒压滴定漏斗、温度计和磁力搅拌器的500?mL三口烧瓶中加入NPG（18.72?g，0.18?mol）、100?mL精制四氢呋喃和金属钠丝（8.28?g，0.36?mol），缓慢搅拌反应2?h。再将HCCP（13.91?g，0.04?mol）溶于80?mL四氢呋喃并转移至恒压滴定漏斗中，在惰性气体保护下，缓慢滴加HCCP溶液，1?h滴毕，升温至70?℃回流反应24?h，停止反应。过滤，取滤液减压蒸馏至四分之一时加入大量的水，过滤，去离子水洗涤两次，用环己烷重结晶，在65?℃下真空干燥2?h得到白色粉末状固体，即TDPCP，产率为85.5%，熔点149?℃~152?℃。反应流程如图1所示。2 结果与讨论2.1 结构表征2.1.1 FTIR分析 在图2（a）中，2 967?cm-1处为甲基的C-H振动吸收峰，1 475?cm-1和1 403?cm-1处为甲基上的C-H弯曲振动，1 244?cm-1和1 221?cm-1处为P=N的伸缩振动吸收峰，1 068 ?cm-1和1 004? cm-1为P-O-C伸缩振动峰，837?cm-1为P-N伸缩振动峰。同时对比HCCP的FTIR图，在525?cm-1处的P-Cl吸收峰完全消失，说明HCCP上的Cl原子基本已经被羟基完全取代，FTIR图谱中未见羟基峰，说明NPG上的-OH均被取代。2.1.2 核磁共振波谱分析 TDPCP的1HNMR图谱如图2（b）所示。TDPCP分子中有两种H原子，分别为甲基氢和亚甲基氢。其中δ=4.12×10-6（12H，-CH2-），δ=1.10×10-6（18H，-CH3），δ=7.27×10-6处为CDCl3上的氘原子峰。图3中两种质子的峰面积与质子数之比为2.24∶1.51（约为1.5∶1），均为单峰，说明氢核的化学位移符合分子结构特征。TDPCP的31PNMR图谱如图2（c）所示。在δ=20.02×10-6处的P质子峰消失，在δ=8.23×10-6处出现一个单峰，为TDPCP中的磷质子峰，说明3个磷原子所处的化学环境相同，TDPCP上所有的氯原子均被完全取代。2.1.3 元素分析 元素分析的结果（质量分数）为C：40.52%，H：6.89%，N：9.75%，P：21.26%，与各元素含量（质量分数）的理论值（C：40.84%，H：6.80%，N：9.53%，P：21.06%）十分接近，说明实际测量值与理论值基本相符。结合上述各种分析手段，分析结果表明合成的产物结构与TDPCP相一致，确认成功合成了TDPCP。2.2 反应影响因素的探讨2.2.1 反应溶剂对产物收率的影响 因为TDPCP的合成反应属于双分子亲核取代反应（SN2），所以溶剂的极性会对反应有较大的影响。为了探究不同的溶剂对反应收率的影响，选用四种非质子溶剂甲苯、乙酸乙酯、四氢呋喃和丙酮（溶剂极性依次增大），控制其他变量不变，考察溶剂极性对收率的影响，结果如表1所示。结果表明，在一定程度上随着溶剂极性的增大，反应的收率逐渐变大，但当溶剂极性再增大时，反应收率反而降低，可能是因为溶剂极性太大，发生了溶剂化作用，使反应平衡反向移动，导致收率降低。综上所述，四氢呋喃是几种溶剂中最为理想的溶剂。2.2.2 反应温度对产物收率的影响 控制其他反应变量，在四氢呋喃作为溶剂，反应时间为24?h，反应物摩尔质量比为n（HCCP）∶n（NPG）=1∶4.5的条件下，探究不同反应温度对反应收率的影响。结果如表2所示。结果表明，随着温度的升高，反应收率逐渐增大，说明升温有利于亲核反应向正方向进行，当温度为70?℃时反应收率最高，此温度为四氢呋喃的回流温度；反应温度继续升高，收率变化不明显，可能是因为溶剂挥发造成的损失，使升高温度带来的收益不明显。由于HCCP上的氯原子比较活泼，反应活化能不高，低温下反应也可以进行，但随着反应的进行，氯原子逐个被取代，使得空间位阻效应不断增强，所以需要升高温度克服位阻，同时起到加快反应速率的作用。综合以上考虑，确认反应温度为70?℃。2.2.3 反应时间对产物收率的影响 控制其他反应变量，在四氢呋喃作为溶剂，反应温度为70?℃，反应物摩尔质量比为n（HCCP）∶n（NPG）=1∶4.5的条件下，探究反应时间对反应收率的影响。结果如表3所示。结果表明，随着反应时间的增加，反应收率逐渐升高，当反应时间大于24?h时，收率提升不明显。出于节能、省时的考虑，确定反应时间为24?h。2.2.4 反应物摩尔比对反应收率的影响 控制其他反应变量，在四氢呋喃作为溶剂，反应温度为70?℃，反应物摩尔质量比为n（HCCP）∶n（NPG）=1∶4.5的条件下，探究反应时间对反应收率的影响。结果如表4所示。对于TDPCP的合成反应，增加反应物新戊二醇钠的浓度可以提高反应物的转化率。由表4可知，随着n（HCCP）∶n（NPG）的比值减小，产物的收率逐渐提高，当n（HCCP）∶n（NPG）=1∶4.5时，TDPCP的收率达到85.5%，进一步增加新戊二醇钠的用量，收率基本没有变化。综合成本考虑，控制HCCP与NPG的投料摩尔比为1∶4.5为宜。2.3 TDPCP热稳定性能研究TDPCP在氮气氛围下的TG/DTG曲线如图3所示。从TDPCP的TG曲线可以看出，TDPCP的起始分解温度为243?℃（热失重5%时的温度），在此之前TDPCP具有良好的稳定性。TDPCP的热分解分为两个阶段，第一阶段质量损失约58.6%，最大质量损失速率出现在291?℃，可能是TDPCP分子中键能较弱的P-O-C，P-N键断裂，生成一些磷酸、偏磷酸以及释放含氮化合物（NxOy）等不燃性气体，可以起到脱水和降低发烟量以及气相稀释阻燃的作用；第二阶段质量损失约为21.8%，分解速度较为缓和，最大损失速率出现在704?℃，进一步升高温度残碳量基本保持不变，为磷酸、偏磷酸以及炭层中间物进一步分解重排形成稳定的炭层结构使质量不再损失，800?℃时，仍然有14.6%的残炭率。DSC曲线在150?℃左右有明显的吸热峰，为TDPCP晶体的熔融吸热峰，与熔点仪测得的熔点范围相符合。3 结 语1） 以HCCP、NPG和金属钠为原料，通过亲核取代反应成功合成了新型环三磷腈衍生物TDPCP。2） 合成TDPCP的最佳条件为：以四氢呋喃为溶剂，n（HCCP）∶n（NPG）=1∶4.5，70?℃回流反应24?h，TDPCP收率可达85.5%。3） TDPCP在N2氛围下的起始分解温度为243?℃，600?℃残炭量为41.4%，800?℃仍有14.6%的残碳量，可以作为氮磷阻燃剂添加到大部分高分子材料之中。