焦磷酸哌嗪的应用与合成

发布日期:2024/3/5 9:13:52

介绍

焦磷酸哌嗪是一种氮-磷协同无卤环保的高效阻燃剂，化学式为C10H14N3O4P。它的外观为白色粉末，具有无臭无味、热稳定性好、耐水性好、不析出、耐光老化和低烟无毒等特点。它是一种有机磷酸盐，可溶于水和有机溶剂，具有较高的热稳定性和化学稳定性，因此可用于广泛的应用领域。

焦磷酸哌嗪.jpg

焦磷酸哌嗪

应用

焦磷酸哌嗪是一类新型的无卤阻燃剂，其分子结构中将酸源、碳源和气源集中，成炭性能优异，热稳定性好，相比于聚磷酸铵，具有更高的热分解温度和阻燃效率，且在使用时对材料的力学性能影响也更小。焦磷酸哌嗪与聚磷酸三聚氰胺/焦磷酸三聚氰胺复配成无卤膨胀型阻燃剂时具有非常好的阻燃效果，目前已逐步取代聚磷酸铵复配三嗪成炭剂的体系成为当下无卤膨胀型阻燃剂的主流产品。它具有极高的阻燃性能，同时还可以用作成炭剂与其它无卤阻燃剂配合使用，可取代传统季戊四醇、双季戊四醇、季戊四醇磷酸酯、三嗪成炭剂等。

合成

以往合成的缺点

专利US4599375采用焦磷酸钠作为起始原料，通过酸化得到焦磷酸，再进一步与哌嗪进行反应制备焦磷酸哌嗪；这种方法由于成本和钠含量的问题，目前已经被市场淘汰。专利CN100436433C以二磷酸哌嗪经加热混炼设备或者通过回流脱水法脱水得到焦磷酸哌嗪。专利CN111170964B通过哌嗪、水、浓磷酸共热制得中间产物，再加入碱性成核剂得到中间产物晶体，高温脱水后，即得到焦磷酸哌嗪。然而，上述合成焦磷酸哌嗪的过程中存在一个明显的问题，二磷酸哌嗪晶体从溶液中析出时会产生聚集，形成较大的晶体结构，再在高温下进行脱水，并不能精准控制最终只生成焦磷酸哌嗪，所以往往由于晶体的聚集、温度偏高、或者反应时间偏长而生成了聚磷酸哌嗪，导致最终产物实际上为焦磷酸哌嗪和二磷酸哌嗪的混合物；同时，由于它具有特殊的亲水结构，容易在空气中吸水结块，物料也由于长期被压而导致结块，造成产品不易储存。

新合成方法

为克服上述现有技术的不足之处，李章武[1]提供一种焦磷酸哌嗪的制备方法与应用，所述方法可使制得的焦磷酸哌嗪的杂质峰面积占焦磷酸哌嗪峰面积的比例≤2％，且暴露在空气中7天不发生结块，很大程度提高了焦磷酸哌嗪的储存稳定性。

具体步骤如下：S1、在反应釜中加入720kg水、230.56kg质量浓度为85％的磷酸和126.68kg质量浓度为68％的哌嗪，随后在80℃的温度下反应4h后，得到二磷酸哌嗪反应液；S2、维持步骤S1所述温度，向步骤S1所述二磷酸哌嗪反应液中加入10.77kg的分散剂，搅拌反应3h，得到二磷酸哌嗪和分散剂的混合液，所述分散剂为表面活性剂416；S3、将步骤S2反应体系降温至20℃，有晶体析出后，将析出的晶体过滤、烘干，得到263.49kg二磷酸哌嗪晶体，随后将晶体加入到耙式干燥器中，通入氮气，进行脱水缩合，即得到所述焦磷酸哌嗪，所述脱水缩合的温度为250℃，时间为6h；

该方法通过在焦磷酸哌嗪的制备过程中加入分散剂，使二磷酸哌嗪与分散剂结合，形成分子间的排斥力或者微胶囊的包裹的作用，产生抗聚集作用，使二磷酸哌嗪和分散剂的混合液中析出带有分散剂的二磷酸哌嗪晶体，这样在高温脱水时，就能有效阻止二磷酸哌嗪分子之间的聚合，实现二磷酸哌嗪分子内脱水，从而得到高纯度的焦磷酸哌嗪；同时，由于分散剂的加入，脱水缩合后得到的焦磷酸哌嗪阻燃剂不易吸潮，不易结块，大大提高了最终制得的阻燃剂产品的储存稳定性。