新型磷系阻燃剂的合成及其热物理性质研究

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随着高分子材料的广泛应用,人们面临着日益严峻的火灾威胁。预防火灾发生和降低火灾损失的最有效办法就是在易燃的高分子材料中加入阻燃剂。目前,广泛使用的卤系阻燃剂具有性价比和阻燃效率高、对高分子材料的机械性能和电子性能影响小等优点。但其对环境和人身安全的潜在伤害正日益显现,无卤阻燃剂的开发和应用迫在眉睫。有机磷阻燃剂因其阻燃效率高、低毒、少烟、对环境无二次污染等优点而被认为是卤系阻燃剂的较好替代品。有机磷阻燃剂的纯度和在高分子材料中的分散性是影响阻燃高分子材料的热稳定性、机械性能、力学性能和电学性能的重要因素,而溶剂选择对其纯化工艺和分散性的关键。因此,有机磷阻燃剂的固液相平衡数据及模型关联对有机磷阻燃剂的纯化工艺和后续的工业化应用意义重大。结合国内外阻燃剂研究现状和本实验室的前期研究内容,本文以三氯氧磷、新戊二醇、间苯二酚和哌嗪为原料合成了有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP,并通过EA、IR、MS、1H-NMR、13C-NMR和31P-NMR等分析测试手段对合成的这两种有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP的结构进行了表征,通过HPLC测试了二者的纯度。本文还通过TGA分析了二者的热力学性能,并且通过DSC测试得到了有机磷阻燃剂RCDMPP的熔点和熔化焓。本文采用静态平衡法测定了有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP在选定有机溶剂中的溶解度。首次给出了RCDMPP在丙酮、甲醇、氯仿、甲苯、乙腈、乙醇、乙酸乙酯、乙酸甲酯、1,2-二氯乙烷、正丙醇、正己烷和甲酸乙酯溶剂中的溶解度;及PBNGP在氯仿、丙酮、四氢呋喃、甲酸乙酯、1,2-二氯乙烷、甲苯、正丙醇、甲醇、异丙醇、乙腈、苯和乙酸甲酯溶剂中的溶解度,并分析了RCDMPP和PBNGP的溶解度随温度的变化趋势及原因。本文还利用选定的固-液相平衡方程关联了RCDMPP和PBNGP在选定有机溶剂中的溶解度数据,通过计算得到了RCDMPP和PBNGP的活度系数。为RCDMPP和PBNGP的纯化工艺提供了理论依据。本文采用λh,Wilson,NRTL,UNIQUAC和Apelblat模型对有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP在选定溶剂中的溶解度数据进行关联拟合,得到了相应的模型参数,结果表明这五个模型都能很好的拟合有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP的溶解度数据。根据Scatchard–Hildebrand方程得到了有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP的溶解度参数值。本文还利用van’t Hoff方程和Gibbs–Helmholtz方程拟合计算了有机磷阻燃剂RCDMPP和PBNGP在选定溶剂中的溶解焓、溶解熵和溶解吉布斯自由能,计算结果表明RCDMPP和PBNGP在选定溶剂中的溶解过程是非自发的熵驱动过程,溶解过程伴随着吸热,且溶解焓是溶解吉布斯自由能的主要贡献者。为二者与高分子材料的相容性匹配提供了基础数据。本文采用基团贡献法计算了RCDMPP、PBNGP等三十余种实验室自制的有机磷阻燃剂的溶解度参数(δ)、体积参数(r)和表面积参数(q),并将计算得到的各物质的溶解度参数与通过Scatchard-Hildebrand正规溶液理论关联得到的溶解度参数进行比较。通过基团贡献法计算,还得到了有机磷阻燃剂PBNGP的熔点和熔化焓数据及异烟酸的熔化焓,并通过对异烟酸进行TGA-DSC、Py-GC/MS等测试分析校正了早期文献中关于异烟酸熔化焓的报道数据。
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