一种端羟基有机含磷-氮酯化物及其制备方法和由其制得的阻燃聚酯纤维FDY丝技术

本发明专利技术涉及一种端羟基有机含磷‑氮酯化物及其制备方法和由其制得的阻燃聚酯纤维FDY丝，首先通过侧基含功能元素二元羧酸与季戊四醇的反应得到端基为羧基的DAPER，然后通过有机含功能元素二元酸与二元醇的反应得到端基为羟基的DADA，最后通过DAPER与DADA的反应得到最终产品。最终产品为高分子量的固态酯化物，分子的端基为羟基，内部含有8.48～15.53wt％的磷元素和氮元素，具有热稳定性高、用途广泛等优点。将最终产品作为阻燃剂用于制备阻燃聚酯纤维FDY丝，最终制得的阻燃聚酯纤维FDY丝的极限氧指数≥35％，单丝纤度为3.0～5.0dtex，断裂强度≥3.8cN/dtex。

【技术实现步骤摘要】
一种端羟基有机含磷-氮酯化物及其制备方法和由其制得的阻燃聚酯纤维FDY丝
本专利技术属于阻燃剂领域，涉及一种端羟基有机含磷-氮酯化物及其制备方法和由其制得的阻燃聚酯纤维FDY丝，特别涉及一种固态端羟基有机含磷-氮酯化物及其基于反应物多官能团反应活性差异的熔融缩合制备方法。
技术介绍
随着我国合成材料工业的发展和应用领域的不断拓展，已广泛应用在化学建材、电子电器、交通运输、航天航空、日用家具、室内装饰、衣食住行等各个领域。但他们大多是易燃材料，易酿成火灾，对生命和财产安全造成很大威胁。因此，聚合物材料的阻燃成为一个亟待解决的问题。目前各类聚合物广泛采用加入阻燃剂的方式以提高材料的阻燃性能。磷系阻燃剂以其高效、低毒、环保等优点，得到国内外专家学者的广泛研究。中国专利申请公开号CN101880395A提出的一种含DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)的聚合物型含磷阻燃剂及其制备方法，采用DOPO改性的芳香基二元酚或芳香基二元醇和二氯化取代磷酸酯为反应物获得聚合物型含磷阻燃剂，但该阻燃剂含磷量偏低，且使用过程中添加量达到15％才能达到较好的阻燃性能。CN1563152A采用DOPO改性的对苯二酚或对萘二酚、苯基或萘基取代的二氯(溴)氧磷为反应基质来获得聚合物型含磷阻燃剂，但该阻燃剂的分离过程中沉淀剂用量较大，对环境污染较大。CN102304230A采用9,9-双(4-羟苯基)芴和苯基磷酰二氯或苯氧基磷酰二氯为反应基质制备带芴基的含磷阻燃剂，但其反应过程较为复杂，不易控制且实验所需溶剂需严格除水。综上所述，目前市面上的阻燃剂大多是通过溶液聚合的方法制得的，制备过程存在工艺复杂、有机溶剂使用量大、溶剂回收困难和污染环境等问题，造成生产加工成本过高；阻燃剂分子中功能元素(P、N、S等)的含量较低，导致阻燃剂的阻燃效率较低，需要较大的阻燃剂添加量才能达到理想的阻燃效果，阻燃剂的添加量较大又容易导致成本提高，对材料的其它性能产生不良的影响；阻燃剂多为小分子量液态化合物，一方面阻燃剂的分子量较低使得阻燃剂与高分子聚合物之间的相容性较差，阻燃剂在聚合物基体中容易团聚，分散不均匀，在使用过程中也存在着迁移问题，造成阻燃制品的耐久性差；另一方面液体型阻燃剂在运输、储存和加工等方面都存在困难。因此，采用无溶剂的方法制得功能元素含量较高且分子量相对较大的固体型阻燃剂具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服传统液体型酯化物存储和使用困难、制备过程污染环境、功能元素含量较低、分子量较低等缺点，制备一种制备过程污染较小、功能元素含量较高且分子量较高的固体型端羟基有机含磷-氮酯化物。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，所述端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法为基于反应物多官能团反应活性差异的熔融缩合法，所述反应活性差异是指反应物中的多官能团受到空间位阻的影响具有不同的反应活性，多官能团按照反应活性由高到低的顺序发生缩合反应，步骤如下：1)将侧基含功能元素二元羧酸与季戊四醇以4:1的摩尔比混合，在惰性气体保护和机械搅拌的条件下进行熔融酯化反应，收集产物，经后处理得到端基为羧基的DAPER；所述侧基含功能元素二元羧酸中功能元素为磷或氮，所述侧基含功能元素二元羧酸的两个羧酸基的反应活性不同，所述侧基含功能元素二元羧酸的结构式为下列之一：2)将有机含功能元素二元酸和二元醇以1:2的摩尔比混合，加入催化剂，在惰性气体保护和机械搅拌的条件下进行熔融缩合反应，得到端基为羟基的DADA；所述有机含功能元素二元酸中的功能元素为磷或氮，该功能元素与所述侧基含功能元素二元羧酸中的功能元素不同，所述有机含功能元素二元酸中的两个酸性基团的反应活性不同，所述两个酸性基团为两个羧酸基或磷酸基与羧酸基；3)将步骤1)中得到的DAPER添加到步骤2)中的体系中，DAPER与DADA的摩尔比为1:4，保持体系的温度不变，持续通入惰性气体，在机械搅拌的条件下进行熔融酯化反应，收集产物，经后处理得到端羟基有机含磷-氮酯化物。作为优选的技术方案：如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，步骤1)中，所述惰性气体为氮气或氩气，所述机械搅拌的搅拌速度为300～500rpm；所述熔融酯化反应的温度为180～200℃，反应时间为1～4h；所述后处理包括溶解、过滤和干燥。如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，所述有机含功能元素二元酸为苯基膦酸、甲基膦酸、2-羧乙基苯基次膦酸、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸或结构式如下的化合物之一：所述二元醇为乙二醇、丙二醇或1,4-丁二醇。如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，步骤2)中，所述催化剂为4-甲基苯磺酸，所述有机含功能元素二元酸与催化剂的摩尔比为1:0.01，所述惰性气体为氮气或氩气，所述机械搅拌的搅拌速度为300～500rpm，所述熔融缩合反应的温度为180～200℃，反应时间为1～3h。如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，步骤3)中，所述惰性气体为氮气或氩气，所述机械搅拌的搅拌速度为300～500rpm，所述熔融酯化反应的时间为1～4h，所述后处理包括粉碎、溶解、过滤、洗涤和干燥。如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，所述干燥是指在25～50℃的真空烘箱中真空烘干6～18h。本专利技术还提供了一种端羟基有机含磷-氮酯化物，所述端羟基有机含磷-氮酯化物为固态酯化物，所述端羟基有机含磷-氮酯化物的分子结构式如下：式中，代表端羟基有机含磷-氮酯化物分子中心的季碳C与R之间的链段，链段中的-CH2-与酯化物分子中心的季碳C连接，具体结构式为下列一种：所述R为端基为羟基的含功能元素长链，其中，功能元素为磷或氮；所述端羟基有机含磷-氮酯化物分子中磷元素和氮元素的总含量为8.48～15.53wt％。作为优选的技术方案：如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物，所述端基为羟基的含功能元素长链为以下结构之一：其中，n＝2,3,4。如上所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物，所述端羟基有机含磷-氮酯化物的分子量为1520～2784g/mol，熔点为65～125℃，起始热分解温度为340～420℃。一种由端羟基有机含磷-氮酯化物制得的阻燃聚酯纤维FDY丝，阻燃聚酯纤维FDY丝的制备步骤如下：(1)熔融共混，将干燥后的端羟基有机含磷-氮酯化物与PET切片进行混合得到预混料，将预混料熔融共混后切片制得阻燃聚酯切片；(2)熔融纺丝，干燥后的阻燃聚酯切片经计量、挤出、冷却、上油、拉伸、热定型和卷绕制得阻燃聚酯纤维FDY丝。如上所述的阻燃聚酯纤维FDY丝，所述熔融共混在在双螺杆挤出机中进行，所述熔融共混时端羟基有机含磷-氮酯化物与PET切片的质量比为3～10:90～97，所述熔融共混的温度为255～265℃；所述熔融纺丝的工艺参数为：挤出温度：285～300℃；冷却温度：20～25℃；网络压力：0.20～0.30MPa；一辊速度：2200～2600m/min；一辊温度：75～90℃；二辊速度：3600～3900m/min；二辊温度：115～135℃；卷绕速度：4000～4600m/min；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种端羟基有机含磷‑氮酯化物的制备方法，其特征是，所述端羟基有机含磷‑氮酯化物的制备方法为基于反应物多官能团反应活性差异的熔融缩合法，所述反应活性差异是指反应物中的多官能团受到空间位阻的影响具有不同的反应活性，多官能团按照反应活性由高到低的顺序发生缩合反应，步骤如下：1)将侧基含功能元素二元羧酸与季戊四醇以4:1的摩尔比混合，在惰性气体保护和机械搅拌的条件下进行熔融酯化反应，收集产物，经后处理得到端基为羧基的DAPER；所述侧基含功能元素二元羧酸中功能元素为磷或氮，所述侧基含功能元素二元羧酸的两个羧酸基的反应活性不同，所述侧基含功能元素二元羧酸的结构式为下列之一：

【技术特征摘要】
1.一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，其特征是，所述端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法为基于反应物多官能团反应活性差异的熔融缩合法，所述反应活性差异是指反应物中的多官能团受到空间位阻的影响具有不同的反应活性，多官能团按照反应活性由高到低的顺序发生缩合反应，步骤如下：1)将侧基含功能元素二元羧酸与季戊四醇以4:1的摩尔比混合，在惰性气体保护和机械搅拌的条件下进行熔融酯化反应，收集产物，经后处理得到端基为羧基的DAPER；所述侧基含功能元素二元羧酸中功能元素为磷或氮，所述侧基含功能元素二元羧酸的两个羧酸基的反应活性不同，所述侧基含功能元素二元羧酸的结构式为下列之一：2)将有机含功能元素二元酸和二元醇以1:2的摩尔比混合，加入催化剂，在惰性气体保护和机械搅拌的条件下进行熔融缩合反应，得到端基为羟基的DADA；所述有机含功能元素二元酸中的功能元素为磷或氮，该功能元素与所述侧基含功能元素二元羧酸中的功能元素不同，所述有机含功能元素二元酸中的两个酸性基团的反应活性不同，所述两个酸性基团为两个羧酸基或磷酸基与羧酸基；3)将步骤1)中得到的DAPER添加到步骤2)中的体系中，DAPER与DADA的摩尔比为1:4，保持体系的温度不变，持续通入惰性气体，在机械搅拌的条件下进行熔融酯化反应，收集产物，经后处理得到端羟基有机含磷-氮酯化物。2.根据权利要求1所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述惰性气体为氮气或氩气，所述机械搅拌的搅拌速度为300～500rpm；所述熔融酯化反应的温度为180～200℃，反应时间为1～4h；所述后处理包括溶解、过滤和干燥。3.根据权利要求1所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，其特征在于，所述有机含功能元素二元酸为苯基膦酸、甲基膦酸、2-羧乙基苯基次膦酸、[(6-氧代-6H-二苯并[c,e][1,2]氧磷杂己环-6-基)甲基]丁二酸或结构式如下的化合物之一：所述二元醇为乙二醇、丙二醇或1,4-丁二醇。4.根据权利要求1所述的一种端羟基有机含磷-氮酯化物的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述催化剂为4-甲基苯磺酸，所述有机含功能元素二元酸与催化剂的摩尔比为1:0.01，所述惰性气体为氮气或氩气，所述机械搅拌的搅拌速度为300～500rpm，所述熔融缩合反应的温度为180～200℃，反应时间为1～3h。5.根据权利要求1所述的一种端羟基有机含磷-...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜军，孙宾，相恒学，朱美芳，周哲，滕伟，
申请(专利权)人：海泰纺织苏州有限公司，东华大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32