本發(fā)明屬于有機化合物及其制備，涉及一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑及其制備方法，本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑適用于復(fù)合材料、澆鑄料、電子電器材料、膠粘劑、抗蝕劑，以及環(huán)氧防火涂料、環(huán)氧灌封膠等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
酚醛類環(huán)氧固化劑是與環(huán)氧樹脂進行交聯(lián)反應(yīng)而生成熱固性塑料材料的一種重要化工材料，以脂肪族、脂環(huán)族和芳香族碳鍵為骨架的環(huán)氧樹脂分子中，一般含有兩個或兩個以上的反應(yīng)性環(huán)氧基，因而環(huán)氧樹脂通常采用酚醛樹脂、胺類化合物和酸酐類化合物等作為固化劑，進行交聯(lián)固化而制成各類復(fù)合材料制品。因各類環(huán)氧固化劑各自不同的特點，與環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)后制得的產(chǎn)品性能也各自呈現(xiàn)不同的有優(yōu)缺點和相應(yīng)的用途，所以環(huán)氧固化劑也就成了環(huán)氧樹脂不同應(yīng)用的關(guān)鍵材料之一。
現(xiàn)在技術(shù)的酚醛類環(huán)氧固化劑在應(yīng)用中有以下的不足，主要的表現(xiàn)：一是，所固化的環(huán)氧樹脂很脆，高溫易裂；二是，酚醛樹脂固化環(huán)氧樹脂后，交聯(lián)密度比酸酐等常規(guī)固化劑的要高，一般選用的酚醛樹脂固化劑都是改性酚醛樹脂，常常是在酚醛樹脂上加入長的碳鏈，使其柔順性增加；三是，同樣的環(huán)氧樹脂，酚醛固化的玻璃化溫度要低于芳胺固化的玻璃化溫度；四是，阻燃效果不好。
9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)作為一種高效含磷阻燃劑被廣泛用于環(huán)氧樹脂的阻燃體系，中國專利將其應(yīng)用于合成雙酚A結(jié)構(gòu)的含磷酚醛，但這種雙酚A含磷酚醛合成存在步驟多(含雙酚A酚醛化反應(yīng)、正丁醇醚化反應(yīng)、DOPO接枝反應(yīng)三步反應(yīng))、三廢多(主要是正丁醇醚化反應(yīng)后洗滌廢水，該廢水含有無機鹽、正丁醇等)、使用大量有機溶劑等缺陷。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑及其制備方法。本發(fā)明利用DOPO與腰果酚線性酚醛樹脂中C15側(cè)鏈上的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，即：將腰果酚線性酚醛樹脂與DOPO按一定摩爾配比于一定溫度下混合加熱，待DOPO完全消耗后，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑。本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑具有良好的抗沖擊強度、柔韌性，以及優(yōu)良的耐水性。
本發(fā)明的內(nèi)容是：一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑，其特征是：該含磷酚醛環(huán)氧固化劑為深棕黃色透明固體，軟化點60～120℃，具有(Ⅰ)所示的化學(xué)結(jié)構(gòu)式：
式中：n＝2～10。
本發(fā)明的另一內(nèi)容是：一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，其特征是步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為140～150℃，再用時2小時(緩慢)加入0.75～3mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 160℃～200℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為1～10小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
本發(fā)明的另一內(nèi)容中：所述腰果酚線性酚醛樹脂為中國市售產(chǎn)品或(采用現(xiàn)有技術(shù))自制；優(yōu)選的腰果酚線性酚醛樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
式中n＝2～10。
本發(fā)明的另一內(nèi)容中：優(yōu)選的所述反應(yīng)溫度B為170℃～190℃、反應(yīng)時間為3～8小時。
本發(fā)明的另一內(nèi)容中：優(yōu)選的所述9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)與腰果酚線性酚醛樹脂中腰果酚結(jié)構(gòu)單元的摩爾比為1～2.5：1。
所述9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)化學(xué)結(jié)構(gòu)式為；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列特點和有益效果：
(1)本發(fā)明利用DOPO與腰果酚線性酚醛樹脂中C15側(cè)鏈上的雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，合成出一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑，方法是：將腰果酚線性酚醛樹脂與DOPO按一定摩爾配比于一定溫度下混合加熱，待DOPO完全消耗后，即得含磷酚醛環(huán)氧固化劑，合成方法簡單；
本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑的化學(xué)反應(yīng)式如下：
(2)本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑的磷含量高，最高可達8％；并且酚醛分子中的活性酚羥基鄰位無空間位阻，其反應(yīng)活性較市售的雙酚A型含磷酚醛樹脂高；
(3)本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑與環(huán)氧樹脂固化后具有良好的抗沖擊強度、柔韌性，以及優(yōu)異的耐水性和電絕緣性能，且價格相對于目前在售的含磷酚醛更低廉；
(4)本發(fā)明含磷酚醛環(huán)氧固化劑合成工藝簡單、穩(wěn)定性好等特點，是一種含磷量高、阻燃性能好、又能滿足無鹵無鉛要求的環(huán)保性產(chǎn)品，適用于復(fù)合材料、澆鑄料、電子電器材料、膠粘劑和抗蝕劑，以及環(huán)氧防火涂料、環(huán)氧灌封膠等領(lǐng)域；產(chǎn)品制備工序簡便，容易操作，實用性強。
具體實施方式
下面給出的實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不能理解為是對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
以下實施例所使用的腰果酚線性酚醛樹脂可以參照中國發(fā)明專利申請公開號為CN101676311、申請?zhí)枮?00810042954.3所提供的“一種采用腰果酚制備改性酚醛樹脂的方法”合成，也可采用以下的現(xiàn)有技術(shù)合成：將1000g腰果酚、275g甲醛水溶液(甲醛質(zhì)量百分比濃度約為36％)混合，加入適量鹽酸調(diào)節(jié)pH值至1.5～2.0，緩慢升溫到80～90℃，停止加熱，反應(yīng)放熱到體系溫度達100℃開始沸騰，穩(wěn)定保溫反應(yīng)2～3h后，加壓脫水，得到深紅色透明固體——腰果酚線性酚醛樹脂。腰果酚和DOPO購自國內(nèi)化工原材料市場。
實施例1：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為140℃，再用時2小時緩慢加入2mol DOPO(432g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 170℃下反應(yīng)，并保持不高于175℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間3小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑755g，收率99.3％。
實施例2：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為143℃，再用時2小時緩慢加入1mol DOPO(216g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 160℃下反應(yīng)，并保持不高于165℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間10小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑542g，收率99.6％。
實施例3：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為148℃，再用時2小時緩慢加入1.5mol DOPO(324g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 170℃下反應(yīng)，并保持不高于175℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間8小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑650g，收率99.7％。
實施例4：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為150℃，再用時2小時緩慢加入2.5mol DOPO(540g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 185℃下反應(yīng)，并保持不高于190℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間6小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑860g，收率99.1％。
實施例5：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為145℃，再用時2小時緩慢加入2mol DOPO(432g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 190℃下反應(yīng)，并保持不高于195℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間5小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑751g，收率98.8％。
實施例6：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為150℃，再用時2小時緩慢加入1mol DOPO(216g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 200℃下反應(yīng)，并保持不高于205℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間1小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑540g，收率99.3％。
實施例7：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為140～150℃，再用時2小時緩慢加入1.5mol DOPO(324g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 175℃下反應(yīng)，并保持不高于180℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間4小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑648g，收率99.4％。
實施例8：
將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂(328g)加入反應(yīng)器中，攪拌、加熱和控制溫度A為140℃，再用時2小時緩慢加入2.5mol DOPO(540g)，待完全溶化后，在升溫至溫度B 165℃下反應(yīng)，并保持不高于170℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間8小時，至DOPO完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷DOPO反應(yīng)完全，即得深棕黃色透明樹脂狀物透明固體——含磷酚醛環(huán)氧固化劑855g，收率98.5％。
應(yīng)用實例：
將上述實例所得的含磷酚醛環(huán)氧固化劑用于環(huán)氧樹脂的固化并檢測所得固化物的性能指標(biāo)和阻燃性能得到如下數(shù)據(jù)：
將一定量的環(huán)氧樹脂E44與含磷酚醛環(huán)氧固化劑按質(zhì)量比2:1均勻混合，并加入環(huán)氧樹脂及磷系固化劑總質(zhì)量的0.5PHR的2-甲基咪唑為固化促進劑，混合均勻后，真空脫泡3～5min，澆注模具，每組5個試樣。于150℃、50kg/cm2壓力下加熱1小時，于170℃加熱2小時，再于200℃加熱3小時得到含磷阻燃環(huán)氧樹脂固化物。檢測所制得的含磷阻燃環(huán)氧樹脂固化物的性能和阻燃結(jié)果如下表：
含磷酚醛環(huán)氧固化劑、市售含磷酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂E44固化物的性能對比表
彎曲強度：參照GB/T9341-2008進行彎曲強度的測試。
沖擊強度：參照GB/T 1043.1-2008進行沖擊強度的測試。
由上表所測數(shù)據(jù)可以看出，含磷酚醛環(huán)氧固化劑與環(huán)氧樹脂的固化物的阻燃性能除實例2外均能到達V-0，與目前市售的含磷酚醛樹脂相當(dāng)。但含磷酚醛環(huán)氧固化劑與環(huán)氧樹脂的固化物在力學(xué)性能方面有了很大的改善：即保持相當(dāng)彎曲強度的同時，沖擊強度有了明顯的改善。
實施例9：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑，該含磷酚醛環(huán)氧固化劑為深棕黃色透明固體，軟化點60～120℃，具有(Ⅰ)所示的化學(xué)結(jié)構(gòu)式：
式中：n＝2～10。
實施例10：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為140℃，再用時2小時(緩慢)加入0.75mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 160℃℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為10小時，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例11：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為150℃，再用時2小時(緩慢)加入3mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 200℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為1小時，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例12：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為145℃，再用時2小時(緩慢)加入1.88mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 180℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為5.5小時，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例13：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為150℃，再用時2小時(緩慢)加入1.5mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 165℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為1～10小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例14：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為145℃，再用時2小時(緩慢)加入2.5mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 185℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為3～8小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例15：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為145℃，再用時2小時(緩慢)加入1mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 170℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為3～8小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例16：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為145℃，再用時2小時(緩慢)加入1.25mol的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 180℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為3～8小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例17—23：
一種含磷酚醛環(huán)氧固化劑的制備方法，步驟為：將含有1mol腰果酚結(jié)構(gòu)單元的腰果酚線性酚醛樹脂加入反應(yīng)器中，攪拌下加熱并控制溫度A為140～150℃，再用時2小時(緩慢)加入0.75～3mol(摩爾)的9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)，待固體物完全溶化后，再升溫至溫度B 160℃～200℃下反應(yīng)，并保持不高于選定溫度B的5℃范圍內(nèi)，反應(yīng)時間為1～10小時，至9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)完全反應(yīng)，采用薄層色譜監(jiān)控方法判斷9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)反應(yīng)完全，即制得含磷酚醛環(huán)氧固化劑；該含磷酚醛環(huán)氧固化劑呈深棕黃色透明樹脂狀物透明固體。
實施例17—23中的各組分的具體mol(摩爾)量用量見下表：
上述實施例10—23中：所述腰果酚線性酚醛樹脂為中國市售產(chǎn)品或(采用現(xiàn)有技術(shù))自制；優(yōu)選的腰果酚線性酚醛樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：
式中n＝2～10。
所述9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物(簡稱DOPO)化學(xué)結(jié)構(gòu)式為；
上述實施例中：各步驟中的工藝參數(shù)(溫度、時間等)和各組分用量數(shù)值等為范圍的，任一點均可適用。
本發(fā)明內(nèi)容及上述實施例中未具體敘述的技術(shù)內(nèi)容同現(xiàn)有技術(shù)，所述原材料均為市售產(chǎn)品。
本發(fā)明不限于上述實施例，本發(fā)明內(nèi)容所述均可實施并具有所述良好效果。