Антипирен и способ его получения
Изобретение относится к антипиренам на основе эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, в том числе оксипропилированных, которые могут быть использованы в качестве добавки в композиционные полимерные материалы для снижения их горючести. Предложенные антипирены охарактеризованы способами получения и физико-химическими свойствами. Способы получения антипиренов включают взаимодействие дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты с пентаэритритом в определенных мольных отношениях при определенных температурных режимах, причем в процессе получения антипирена может быть использован диметилметилфосфонат. Полученный в результате взаимодействия дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты и пентаэритрита антипирен представляет собой вязкую жидкость, растворимую в воде и спиртах, которая при 20÷25°С представляет собой полукристаллическую массу с содержанием фосфора 14,1÷14,36%, спиртовых ОН-групп 13,6-14,0%, кислотных ОН-групп 2,5-3,5% и пентаэритрита 1,15-1,3%. При обработке полученного антипирена окисью пропилена при определенных температурных режимах может быть получен антипирен, представляющий собой вязкую массу с содержанием фосфора 10,0÷10,3%, спиртовых ОН-групп 10÷12%, летучих 1,5-2,0% и кислотным числом 0,1-0,4 мг КОН на 1 г продукта. Технический результат - получение новых эффективных добавок в полимерсотопласты и композиционные материалы для снижения их горючести. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к химии фосфорорганических соединений с С-Р связью, а именно к ди- и триоксиэфирам пентаэритрита (ПЭ) и метил-фосфоновой кислоты (МФК), формул:
,
и оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты формул:
где: n+n'+m=1
и способу их получения. Изобретение представляет смеси описанных выше химических соединений. Изобретение может быть использовано в качестве эффективных огнезащитных добавок, повышающих огнестойкость полимеров. Изобретение также добавляется в композиционные полимерные материалы для повышения огнестойкости изделий, используемых в разных областях промышленности.
Уровень техники
В литературе смесь оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты и способ ее получения не описаны.
В настоящее время известна смесь фосфонатов, полученная при взаимодействии пентаэритрита с диметилметилфосфонатом, применяемых в качестве средств, повышающих огнестойкость полиуретановых пенопластов. Ее получают при температурах 50÷200°С с последующей, в случае необходимости, обработкой продукта окисью алкилена. Реакцию проводят в присутствии катализатора переэтерификации. Выделяющийся в процессе реакции метиловый спирт рекомендуется непрерывно выводить из зоны реакции [Заявка Великобритании №1480127, кл. C07F 9/40, 1978].
Получение смеси фосфонатов по указанному выше способу, а именно: взаимодействием 1 моля пентаэритрита с 2÷4 молями диметилметилфосфоната при температуре 50÷200°С, приводит к образованию структур, отличных от соединений предлагаемого изобретения. Кроме того, процесс получения смеси фосфонатов указанным выше способом требует длительного времени использования катализаторов и высоких температур. В связи с этим организация производства таких добавок для придания огнезащитных свойств пенополиуретанам в промышленном масштабе затруднена.
Известно так же взаимодействие фосфоновой кислоты или ее эфира формулы:
с дихлорангидридом фосфоновой кислоты формулы: R3Р(O)CL2, в которых R - C1-С6 - алкил, фенил, бензил или циклогексил, R1-R2 - водород, метил или этил. Последующая обработка образующегося ангидрида фосфоновой кислоты пентаэритритом при t=60÷120°С и мольном соотношении 2:1 возможна без выделения его из реакционной массы, с образованием соединений, использующихся как огнезащитные добавки в полимеры [UK Patent Application GB 2083042 A, C07F 9/407, 1982]. По указанному способу образуются структуры - ангидридные производные фосфоновых кислот, дифосфаспиросоединения, отличные от структур соединений предлагаемого изобретения. Процессы образования вышеуказанных соединений по данному способу протекают в избытке эфира фосфоновой кислоты, например диметилметилфосфонате. Конечные продукты выделяются фильтрацией из растворов, с последующей промывкой метиловым спиртом. Это является дополнительными операциями при организации производства этих соединений. Кроме того, в качестве реагента используется дихлорангидрид метилфосфоновой кислоты, который является малодоступным и в промышленном масштабе в России не производится.
Наиболее близкими по техническому решению и достигаемому эффекту является способ по получению оксиэфиров пентаэритрита и фосфоновых кислот [Авторское свидетельство СССР №166031, C07F 9/40, 1964], формулы:
где R - метил.
По этому способу пентаэритрит взаимодействует с дихлорангидридом метилфосфоновой кислоты при 45÷100°С в токе инертного газа, с последующим выдерживанием реакционной массы при температуре 145÷150°С, в вакууме. Образовавшийся оксиэфир пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты выделяют растворением в этиловом спирте, с последующей фильтрацией от не прореагировавшегося пентаэритрита и выпариванием в вакууме до полного удаления растворителя. Таким образом, получается диоксиэфир пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты с содержанием спиртовых гидроокисных групп на уровне 17÷20% и фосфора - 12÷14%. Выход составляет ˜120 г.
Недостатком данного способа получения оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты является наличие в системе значительного количества хлористого водорода и высокой вязкости реакционной смеси, в которой содержится как исходный пентаэритрит, так и получаемый диоксиэфир. Наличие таких факторов вызывает побочные деструктивные процессы, приводящие к осмолению и почернению получаемого оксиэфира пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, и как следствие приводит к ухудшению качества. Кроме того, это обстоятельство отрицательно влияет на товарный вид полимерных изделий в случае его использования в виде огнезащитных добавок в полимерные материалы.
Процесс получения оксиэфира пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты по данному способу требует больших финансовых затрат на восстановление технологического оборудования и коммуникаций вследствие быстрой коррозии его под действием хлористого водорода.
Кроме того, при получении оксиэфиров по данному способу требуются дополнительные стадии по выделению их из реакционной массы.
Сырьевая база по данному способу получения оксиэфиров (а именно: дихлорангидрид метилфосфоновой кислоты) малодоступна и в настоящее время не производится.
Настоящее изобретение описывает смесь оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты и способ ее получения на основе диметилметилфосфоната, пентаэритрита и окиси пропилена, или без них.
Предлагаемый способ получения смеси ди- и триокисиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты основан на использовании диметилметилфосфоната в качестве исходного сырья, чем существенно расширяется сырьевая база для получения таких продуктов.
Сущность изобретения
Задачами предлагаемого изобретения является:
- расширение спектра добавок в композиционные материалы для снижения их горючести;
- разработка способа получения смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты.
Поставленные задачи решаются описанной ниже совокупностью признаков предлагаемого изобретения. Предлагается смесь окси- и оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, которая может применятся в качестве добавки в композиционные материалы для снижения их горючести. Смесь оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты получают взаимодействием производного метилфосфоновой кислоты, в качестве которого используется диметилметилфосфонат и дихлорангидрид метилфосфоновой кислоты, полученный хлорированием диметилметилфосфоната и пентаэритритом, с и без обработки смеси полученных ди- и триоксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты окисью пропилена. Проведение процесса возможно в растворителе или без него.
Полученные образцы продуктов были испытаны на базе Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов на их эффективность в качестве замедлителей горения. Получены данные, что смеси окси- и оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты являются антипиренами и могут использоваться в производстве полимерных связующих для композиционных материалов.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сущность изобретения поясняется примерами реализации способа получения смеси ди- и триоксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, с и без обработки смеси полученных ди- и триоксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты окисью пропилена. Процесс образования ди- и триоксиэфиров возможен с растворителем или без него.
Пример 1. Получение смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты в растворителе - хлороформе.
Из 124 г (1 г-моль) или 136,4 г (1,1 г-моль) диметилметилфосфоната при обработке его хлористым тионилом или смесью треххлористого фосфора и хлора получают 133 г дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты.
К 133 г дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты добавляют 60 г хлороформа. Полученный раствор прикапывают в нагретый до 50°С раствор 136,15 г (1,0 г-моль) пентаэритрита в 230 г хлороформа при перемешивании.
В процессе реакции температура поднимается до 55÷60°С, выделяющийся хлористый водород улавливается раствором натриевой щелочи. По окончании прикапывания проводится выдержка в течение 3-х часов, при температуре 55÷60°С, с отдувкой хлористого водорода током инертного газа или осушенного воздуха.
По окончании выдержки из реакционной массы отгоняется хлороформ. Начинается отгонка при атмосферном давлении и продолжается под вакуумом с постепенным подъемом температуры до 140÷145°С в течение 4-х часов.
Получают 190,9 г вязкой жидкости светло-коричневого цвета, растворимой в воде и спиртах. При температуре 20÷25°С она представляет собой полукристаллическую массу светло-коричневого цвета с содержанием:
фосфора, % - 14,2÷14,36;
спиртовых гидроксильных групп ОН, % - 13,6;
кислотных групп ОН, % - 2,5;
не прореагировавшего пентаэритрита, % - 1,15.
Структуры получаемых продуктов подтверждены спектрометрическим методом. В ИК-спектре имеются следующие характеристические линии (см-1): 1315-1320 (Р-СН3), 1220 (Р=0), 3220-3300 (Р-ОН), 1150-1170 (Р-О-С).
Пример 2. Получение смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты на основе диметилметилфосфоната без растворителя.
Из 62 г (0,5 г-моль) или 68 г (0,55 г-моль) диметилметилфосфоната при обработке его хлористым тионилом или смесью треххлористого фосфора и хлора получают 66,5 г дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты. Затем при t=40°C к дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты прикапывают 65,2 г (0,52 г-моль) диметилметилфосфоната при перемешивании. При этом температура реакционной массы возрастает до 64°С, выделяющийся хлористый метил улавливается раствором натриевой щелочи.
По окончании подачи диметилметилфосфоната в реакционную массу вводится 136,15 г (1,0 г-моль) пентаэритрита, температуру реакционной массы постепенно поднимают до 140÷145°С с одновременной отдувкой хлористого метила током инертного газа или осушенного воздуха.
По окончании выделения хлористого метила проводят выдержку реакционной массы в течение 4-х часов.
В результате получают 191,2 г бесцветной прозрачной вязкой жидкости, легко подвижной при температуре 65°С, растворимой в воде и спиртах. При температуре 20÷25°С она представляет собой полукристаллическую массу белого цвета с содержанием:
фосфора, % - 14,1÷14,23;
спиртовых гидроксильных групп ОН, % - 14,0;
кислотных групп ОН, % - 3,5;
не прореагировавшего пентаэритрита, % - 1,3.
Структуры получаемых продуктов подтверждены спектрометрическим методом. В ИК-спектре имеются следующие характеристические линии (см-1): 1315-1320 (Р-СН3), 1220 (Р=0), 3220-3300 (Р-ОН), 1150-1170 (Р-О-С).
Пример №3. Получение оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты.
В стальной реактор с рубашкой объемом 0,5 л, снабженный мешалкой, термометром, манометром и сифоном, загружают 190,9 г смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты (пример №1), нагревают до температуры 90°С и с помощью дозировочного насоса подают 186 г (3,2 г-моль) окиси пропилена при интенсивном перемешивании. Наблюдается выделение тепла, которое снимается подачей холодной воды в рубашку реактора. Давление в реакторе возрастает до 0,6 мПа.
По окончании подачи окиси пропилена проводится выдержка при температуре 110-115°С в течение 4-х часов. По окончании выдержки отбирают пробу реакционной массы на анализ. При достижении значения кислотного числа не более 0,7 мг КОН на 1 г продукта начинают отгонку избыточной окиси пропилена.
В результате получают 263,8 г продукта, представляющего собой вязкую массу светло-желтого цвета с содержанием:
фосфора, % - 10,1÷10,3;
спиртовых ОН-групп, % - 10÷11;
кислотное число, мг КОН на 1 г продукта - 0,1;
летучих, % - 2,0.
Структуры получаемых продуктов подтверждены спектрометрическим методом. В ИК-спектре имеются следующие характеристические линии (см-1): 1315-1320 (Р-СН3), 1220 (Р=0), 1150-1170 (Р-О-С).
Пример №4. Получение оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты.
В стальной реактор с рубашкой объемом 0,5 л, снабженный мешалкой, термометром, манометром и сифоном, загружают 191,2 г смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты (пример №2), нагревают до температуры 90°С и с помощью дозировочного насоса подают 186 г (3,2 г-моль) окиси пропилена при интенсивном перемешивании. Наблюдается выделение тепла, которое снимается подачей холодной воды в рубашку реактора. Давление в реакторе возрастает до 0,6 мПа.
По окончании подачи окиси пропилена проводится выдержка при температуре 110-115°С в течение 4-х часов. По окончании выдержки отбирают пробу реакционной массы на анализ. При достижении значения кислотного числа не более 0,7 мг КОН на 1 г продукта начинают отгонку избыточной окиси пропилена.
В результате получают 264,0 г продукта, представляющего собой бесцветную, прозрачную вязкую массу с содержанием:
фосфора, % - 10,0÷10,2;
спиртовых ОН-групп, % - 11÷12;
кислотное число, мг КОН на 1 г продукта - 0,4;
летучих, % - 1,5.
Структуры получаемых продуктов подтверждены спектрометрическим методом. В ИК-спектре имеются следующие характеристические линии (см-1): 1315-1320 (Р-СН3), 1220 (Р=0), 1150-1170 (Р-О-С).
Приведенные примеры по получению смеси ди- и триоксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты и их оксипропилированных эфиров показывают, что использование растворителя - хлороформа (пример 1) позволяет:
- снизить вероятность протекания процессов смолообразования за счет использования растворителя и низких температур на начальных стадиях процесса (хлористый водород, выделяющийся в результате реакции в растворителе-хлороформе, становится менее «агрессивным» по отношению к исходным и конечным продуктам);
- снизить скорость протекания коррозионных процессов металлического оборудования, а это в свою очередь делает процесс получения оксиэфиров менее затратным;
- проведение процесса получения оксиэфиров в растворителе возможно организовать как безотходный с регенерацией растворителя и возвращением его в процесс, а выделяющийся хлористый водород - улавливать для получения технической соляной кислоты.
Организация процесса получения оксиэфиров без растворителя по способу, указанному в примере 2, имеет следующие преимущества:
- процесс протекает без выделения хлористого водорода и, как следствие, отсутствуют процессы смолообразования исходного и готового продукта даже при высоких температурах, а так же коррозионные процессы технологического оборудования;
- снижается расходный коэффициент по дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты, который получают из диметилметилфосфоната, что приводит к снижению себестоимости готового продукта;
- выделяющийся в процессе получения оксиэфиров хлористый метил, возможно улавливать смесью треххлористого фосфора и треххлористого алюминия с получением комплекса, который разрушается водой или соляной кислотой с получением дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты [Л.З.Соборовский, Ю.М.Зиновьев, М.А.Энглин, ДАН СССР, 67, 293 (1949)].
Это создает возможность получения дополнительного количества дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты и позволяет организовать безотходное производство.
Образцы полученных оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты - ди- и триоксиэфиров (смесь 1) и их оксипропилированные эфиры (смесь 2) испытывались на способность использования их в качестве антипиренов в производстве связующих для композиционных материалов. Оценка горючести модифицированных композиционных материалов, содержащих антипирены, оценивались по значению кислородного индекса.
Определение горючести модифицированных композиционных материалов предлагаемыми оксиэфирами пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты проводили по методике [Григорьев А.П. Практикум по технологии полимеризационных пластических масс. «Высшая школа», М., 1969 г.]. Кислородные индексы образцов определяли на лабораторной установке по методике [С.Р.Fenimore, T.L.Martin, Combustion and flame, 1966, 10, 2, 135]. Полученные результаты показаны в таблице.
| Таблица 1 Значения огнестойкости образцов антипирена | ||||||
| № п/п | Химическое название антипирена | Содержание фосфора в антипирене, % | Образцы | Марка связующего | Содержание фосфора в связующем, % | Огнестойкость образцов КИ, % |
| 1 | антипирен отсутствует | - | - | БФОС | - | 23,7 |
| 2 | антипирен отсутствует | - | - | ВШ-27Ф | - | 24,0 |
| 3 | смесь ди- и триоксиэфиров ПЭ и МФК | 14,2-14,36 | по примеру 1 | БФОС | 3,9 | 32,4 |
| 4 | смесь ди- и триоксиэфиров ПЭ и МФК | 14,1-14,23 | по примеру 2 | БФОС | 3,3 | 30.3 |
| 5 | смесь оксипропилированных эфиров ПЭ и МФК | 10,1-10,3 | по примеру 3 | ВШ-27Ф | 2,4 | 28,6 |
| 6 | смесь оксипропилированных эфиров ПЭ и МФК | 10,0-10,2 | по примеру 4 | ВШ-27Ф | 2,6 | 28,7 |
Таким образом, получены смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты и их оксипропилированные эфиры, которые могут использоваться для снижения горючести полимеров, т.к. являются огнезащитными добавками (КИ на уровне 28,6-32,4).
Предложено два способа получения смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты на основе диметилметилфосфоната и пентаэритрита, которые могут образовывать оксипропилированные эфиры при обработке их окисью пропилена.
Процессы получения указанных оксиэфиров и их оксипропилированных эфиров в процессе создания производств могут быть организованы как безотходные.
Предлагаемые способы получения смеси оксиэфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты позволяют получать добавки для снижения горючести в полимерные материалы улучшенного качества.
1. Антипирен для композиционных материалов на основе смеси эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, полученный способом, отличающимся тем, что
а) диметилметилфосфонат подвергают обработке хлористым тионилом или смесью треххлористого фосфора и хлора с получением дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты;
б) к полученному дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты при перемешивании и 40°С добавляют эквимольное количество диметилметилфосфоната, после чего добавляют двукратный мольный избыток пентаэритрита по отношению к дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты; или
полученный дихлорангидрид метилфосфоновой кислоты растворяют в хлороформе, после чего полученный раствор при перемешивании добавляют в нагретый до 50°С раствор эквимольного количества пентаэритрита в хлороформе, затем выдерживают реакционную смесь при 55÷60°С, удаляя хлористый водород;
с) температуру реакционной смеси постепенно поднимают до 140÷145°С и выдерживают реакционную смесь до получения вязкой жидкости, растворимой в воде и спиртах, которая при 20÷25°С представляет собой полукристаллическую массу с содержанием фосфора 14,1÷14,36%, спиртовых ОН-групп 13,6-14,0%, кислотных ОН-групп 2,5-3,5% и пентаэритрита 1,15-1,3%.
2. Антипирен для композиционных материалов на основе смеси оксипропилированных эфиров пентаэритрита и метилфосфоновой кислоты, полученный способом, отличающимся тем, что
а) диметилметилфосфонат подвергают обработке хлористым тионилом или смесью треххлористого фосфора и хлора с получением дихлорангидрида метилфосфоновой кислоты;
б) к полученному дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты при перемешивании и 40°С добавляют эквимольное количество диметилметилфосфоната, после чего добавляют двукратный мольный избыток пентаэритрита по отношению к дихлорангидриду метилфосфоновой кислоты; или
полученный дихлорангидрид метилфосфоновой кислоты растворяют в хлороформе, после чего полученный раствор при перемешивании добавляют в нагретый до 50°С раствор эквимольного количества пентаэритрита в хлороформе, затем выдерживают реакционную смесь при 55÷60°С, удаляя хлористый водород;
с) температуру реакционной смеси постепенно поднимают до 140÷145°С и выдерживают реакционную смесь до получения вязкой жидкости, растворимой в воде и спиртах, которая при 20÷25°С представляет собой полукристаллическую массу с содержанием фосфора 14,1÷14,36%, спиртовых ОН-групп 13,6-14,0%, кислотных ОН-групп 2,5-3,5% и пентаэритрита 1,15-1,3%, затем при 90°С и перемешивании дозированно добавляют окись пропилена из расчета весового соотношения реакционной массы и окиси пропилена (1,026-1,028):1, по окончании подачи окиси пропилена выдерживают реакционную массу при температуре 110-115°С, после чего при достижении значения кислотного числа не более 0,7 мг КОН на 1 г продукта отгоняют избыточную окись пропилена с получением вязкой массы с содержанием фосфора 10,0÷10,3%, спиртовых ОН-групп 10÷12%, летучих 1,5-2,0% и кислотным числом 0,1-0,4 мг КОН на 1 г продукта.
