полифосфатное производное 1,3,5-триазинового соединения, способ его получения и его применение

Формула изобретения

1. Полифосфатное производное 1,3,5-триазинового соединения, предпочтительно полифосфат меламина,

со средней степенью конденсации n (среднечисловое значение) более 20, со значением pH 10%-ной суспензии полифосфатного производного в воде при 25°С, равным 5 или более,

с молярным соотношением между 1,3,5-триазиновым соединением и фосфором (М/Ф) меньше 1,1 и

с температурой разложения выше 320°С.

2. Полифосфатное производное по п.1, отличающееся тем, что его растворимость составляет менее 0,1, предпочтительно менее 0,01 г/100 мл.

3. Полифосфатное производное по п.1, отличающееся тем, что молярное соотношение между 1,3,5-триазиновым соединением и фосфором (м/ф) составляет менее 1,0, предпочтительно от 0,8 до 1,0.

4. Полифосфатное производное по п.1, отличающееся тем, что значение pH 10%-ной суспензии полифосфатного производного в воде при 25°С составляет от 5,1 до 6,9.

5. Полифосфатное производное по п.1, отличающееся тем, что средняя степень его конденсации n (среднечисловое значение) превышает 30, особенно предпочтительно составляет от 40 до 150.

6. Полифосфатное производное по п.1, отличающееся тем, что температура его разложения превышает 360°С, предпочтительно превышает 380°С, особенно предпочтительно превышает 400°С.

7. Способ получения полифосфатного производного 1,3,5-триазинового соединения по одному из пп.1-6, характеризующийся тем, что ортофосфат или конденсированный фосфат 1,3,5-триазинового соединения со средней степенью конденсации n (среднечисловое значение) менее 20 подвергают в атмосфере аммиака термообработке при температуре в интервале от 300 до 400°С до достижения средней степени конденсации больше 20 и молярного соотношения между 1,3,5-триазиновым соединением и фосфором (М/Ф) менее 1,1.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что термообработку проводят при температуре в интервале от 340 до 380°С, предпочтительно от 370 до 380°С.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед проведением термообработки полифосфатное производное измельчают до частиц со средним размером не более 15 мкм, предпочтительно не более 10 мкм.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что термообработку проводят в атмосфере аммиака при его концентрации от 0,1 до 100 мас.%, предпочтительно от 1 до 30 мас.%, особенно предпочтительно от 2 до 10 мас.%, прежде всего от 3 до 5 мас.%.

11. Применение полифосфатного производного 1,3,5-триазинового соединения по одному из пп.1-6 в качестве антипирена для пластмасс, предпочтительно для термопластов и реактопластов, прежде всего для армированных стекловолокном полиамидов, сложных полиэфиров или полиолефинов.

12. Антипирен для пластмасс, предпочтительно для термопластов и реактопластов, прежде всего для армированных стекловолокном полиамидов, сложных полиэфиров или полиолефинов, содержащий по меньшей мере одно полифосфатное производное 1,3,5-триазинового соединения по одному из пп.1-6.

13. Антипирен по п.12, отличающийся тем, что он дополнительно содержит другие известные антипирены.

14. Антипирен по п.12, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере один фосфинат и/или дифосфинат.

15. Антипирен по п.12, отличающийся тем, что он содержит фосфинат общей формулы (I) и/или дифосфинат общей формулы (II)

,

,

где R¹ и R² имеют идентичные или разные значения и обозначают C₁-С₆алкил с прямой либо разветвленной цепью, С₁-С₇ гидроксиалкил с прямой либо разветвленной цепью или арил,

R³ обозначает C₁-С₁₀алкилен с прямой либо разветвленной цепью, С₆-С₁₀ арилен, алкиларилен или арилалкилен,

М обозначает Mg, Ca, Al, Sb, Sn, Ge, Ti, Zn, Fe, Zr, Ce, Bi, Sr, Mn, Li, Na, K и/или протонированное азотное основание, предпочтительно Ca, Mg, Al и Zn,

m обозначает число от 1 до 4,

n обозначает число от 1 до 4 и

x обозначает число от 1 до 4.

16. Антипирен по п.15, отличающийся тем, что М обозначает Al.

17. Антипирен по п.15, отличающийся тем, что фосфинат представляет собой фосфинат общей формулы (I)

,

где R¹ обозначает -СН₃, -CH₂OH, -C₂H₅, -СН(ОН)СН ₃ или -С(ОН)(СН₃)₂,

R ² обозначает -CH₂OH, -C₂H₄ OH, -C₃H₆OH или -СН(ОН)СН₃,

М обозначает Al и

m обозначает число от 1 до 4.

18. Антипирен по п.12, отличающийся тем, что на полифосфатное производное или полифосфатные производные, и/или на фосфинат, и/или дифосфинат, или на фосфинаты, и/или дифосфинаты, и/или на другие присутствующие известные антипирены нанесено кремнийсодержащее покрытие, и/или они модифицированы иным образом.

Описание изобретения к патенту

Из публикации WO 00/02869 известны полифосфатные соли 1,3,5-триазиновых соединений со средней степенью конденсации (среднечисловое значение) больше 20 и молярным соотношением между триазиновым соединением, таким как меламин, и фосфором (М/Ф) более 1,1. В указанной публикации описан также двухстадийный способ получения этих солей путем превращения 1,3,5-триазинового соединения его взаимодействием с ортофосфорной кислотой в соответствующую ортофосфатную соль, которую затем термической обработкой превращают в полифосфат 1,3,5-триазинового соединения. Наряду с ортофосфатами могут также применяться пирофосфаты. Описанные в указанной публикации полифосфатные соли предназначены прежде всего для применения в качестве антипиренов.

В публикации WO 97/44377 описан полиметафосфат меламина с растворимостью в воде от 0,01 до 0,10 г/100 мл при 25°С, значением pH от 2,5 до 4,5 в виде 10%-ной по массе водной суспензии при 25°С и содержанием меламина от 1,0 до 1,1 моля на моль фосфора. Этот полиметафосфат меламина также получают двухстадийным способом, на первой стадии которого меламин, мочевину и водный раствор ортофосфорной кислоты смешивают между собой в пропорции, при которой молярное соотношение между меламином и ортофосфорной кислотой составляет от 1,0 до 1,5, а молярное соотношение между мочевиной и ортофосфорной кислотой составляет от 0,1 до 1,5. Реакцию проводят при температуре в интервале от 0 до 140°С при удалении воды с получением порошкообразной двойной соли ортофосфорной кислоты, меламина и мочевины. На второй стадии эту соль прокаливают при температуре в интервале от 240 до 340°С с получением в результате полиметафосфатов меламина. Получаемые таким способом полиметафосфаты меламина в указанной публикации также предлагается применять в качестве антипиренов.

В публикации WO 00/02869 в качестве недостатка получаемых описанным в WO 97/44377 способом полиметафосфатов меламина указана их непригодность для применения в качестве антипиренов в полимерах, прежде всего в полиамидах и сложных полиэфирах, переработку которых обычно проводят при повышенных температурах. Согласно приведенным в WO 00/02869 данным эти полиметафосфаты меламина обладают недостаточно высокими термостойкостью, ударной прочностью, прочностью при растяжении и прочностью на разрыв. Тем самым для специалиста в данной области не очевидна возможность, например, усовершенствования описанных в WO 97/44377 полифосфатных солей на основании предложенного в WO 00/02869 решения.

Из ЕР 1386942 известны антипирены, содержащие фосфинат или дифосфинат вместе с 1,3,5-триазиновым соединением, использование которых в таком сочетании должно улучшить действие антипирена по сравнению с действием антипирена на основе этих же, но взятых по отдельности компонентов.

При применении известных из WO 00/02869 полифосфатных солей в качестве антипиренов в пластмассах, прежде всего в армированных стекловолокном полиамидах, сложных полиэфирах, таких как полиэтилентерефталат и полибутилентерефталат, подвергаемых переработке обычно при сравнительно высоких температурах (в частности, выше 320°С), также происходит, как было установлено, преждевременное частичное разложение, продукты которого оказывают агрессивное воздействие на используемые формы, а впоследствии при применении, например, в качестве электроизоляционных лаков для медных проводов - на последние.

Исходя из вышеизложенного в основу изобретения была положена задача дальнейшего совершенствования известных из WO 00/02869 полифосфатных солей 1,3,5-триазиновых соединений с целью придания им таких свойств, как высокая термостойкость, допускающая возможность их переработки даже при температурах выше 320°С, и одновременно с этим малая водорастворимость и низкая проводимость. При создании настоящего изобретения неожиданно было установлено, что предлагаемое в нем решение указанной выше задачи частично входит в противоречие с выкладками, приведенными в публикации WO 00/02869 на сс.2 и 11. Предлагаемые в изобретении полифосфатные производные 1,3,5-триазинового соединения, прежде всего полифосфат меламина, со средней степенью конденсации n (среднечисловое значение) больше 20 и со значением pH 10%-ной водной суспензии полифосфатного производного при 25°С, равным 5 или более, отличаются тем, что молярное соотношение между 1,3,5-триазиновым соединением и фосфором меньше 1,1, а температура их разложения превышает 320°С.

Такие предлагаемые в изобретении полифосфатные производные могут применяться в качестве антипиренов в любых пластмассах, предпочтительно термопластах и реактопластах, в том числе, в частности, и в армированных стекловолокном полиамидах и сложных полиэфирах, перерабатываемых при высоких температурах. Исходя из данных, приведенных в публикации WO 00/02869 на сс.1-2 и 11, строки 15-20, не только невозможно было ожидать подобного результата, но и более того, специалисту в данной области приходилось учитывать то обстоятельство, что при соотношении М/Ф менее 1,1 невозможно получить полифосфат меламина со значением pH более 5 и что полифосфатные производные со столь низким соотношением М/Ф из-за слишком малой термостойкости не пригодны для применения в качестве антипиренов для пластмасс, таких как армированные стекловолокном полиамиды и сложные полиэфиры.

Благодаря неожиданно высокой термостойкости предлагаемых в изобретении полифосфатных производных более не существует никаких ограничений на применение полифосфатов меламина и соответствующих триазиновых производных в качестве антипиренов в пластмассах, прежде всего термопластах. Перечень пластмасс, в которые можно вводить предлагаемые в изобретении полифосфатные производные, представлен в публикации WO 00/02869 на страницах 6 и 7, содержащаяся на которых информация тем самым включена в настоящее описание в качестве ссылки.

Предлагаемые в изобретении полифосфаты можно в упрощенном виде представить следующей общей формулой

,

где М обозначает 1,3,5-триазиновое соединение, а n обозначает среднюю степень конденсации. При высокой и средней степени конденсации n брутто-формулу можно сократить до следующего вида: (МНРО₃)_n, где М также обозначает 1,3,5-триазиновое соединение, а n обозначает среднюю степень конденсации.

В качестве 1,3,5-триазиновых соединений можно использовать, например, 2,4,6-триамин-1,3,5-триазин (меламин) и его производные и продукты конденсации, такие как мелам, мелем, мелон, аммелин, аммелид, а также 2-уреидомеламин, ацетогуанамин, бензогуанамин и диаминофенилтриазин. Очевидно, что можно также применять смеси этих 1,3,5-триазиновых соединений. Согласно настоящему изобретению предпочтительны меламин, его производные и продукты конденсации, прежде всего сам меламин.

Среднюю степень конденсации n фосфатов можно определять известными методами, например, с помощью ЯМР (J. Am. Chem. Soc. 78, 1956, с.5715). Средняя степень конденсации n в предпочтительном варианте составляет по меньшей мере 30, а в более предпочтительном варианте - от 40 до 150. Эту среднюю степень конденсации можно обозначить также как среднюю длину цепи фосфатного производного.

Предлагаемые в изобретении полифосфатные производные обладают повышенной термостойкостью при 320-370°С. Термостойкость определяется температурой, при которой уменьшение массы составляют 2%. Низкое соотношение М/Ф означает повышенное содержание фосфора (Ф), а тем самым и повышение технологического действия на 15% и исключительно низкую водорастворимость, что особенно важно прежде всего для пластмассовых изделий, используемых вне помещений. Водорастворимость предлагаемых в изобретении полифосфатных производных предпочтительно должна составлять менее 0,1 г/100 мл, более предпочтительно менее 0,01 г/100 мл. При таких показателях водорастворимости можно говорить о практически не растворимых в воде продуктах.

Молярное соотношение М/Ф предпочтительно должно составлять, как указывалось выше, менее 1,0, более предпочтительно от 0,8 до 1,0.

Значение pH определяют в 10%-ной по массе водной суспензии предлагаемого в изобретении полифосфатного производного, которую приготавливают путем перемешивания в соответствующем сосуде 25 г исследуемого полифосфатного производного и 225 г чистой воды с температурой 25°C и значение pH которой затем определяют с помощью обычных средств. Предпочтительны значения pH в пределах примерно от 5,1 до 6,9.

Температура разложения предлагаемых в изобретении полифосфатных производных предпочтительно превышает 360°С, особенно предпочтительно превышает 380°С, прежде всего превышает 400°С.

Предлагаемый в изобретении способ получения заявленных в п.п.1-6 формулы изобретения полифосфатных производных заключается в том, что ортофосфат и/или по меньшей мере конденсированный фосфат 1,3,5-триазинового соединения, предпочтительно меламина, со средней степенью конденсации n менее 20 подвергают в атмосфере аммиака термообработке при температуре в интервале от 300 до 400°С, предпочтительно от 340 до 380°С, особенно предпочтительно от 370 до 380°С, с получением в результате продукта конденсации со средней степенью конденсации n (среднечисловое значение) больше 20.

В качестве исходного материала обычно используют ортофосфат меламина, который, однако, можно дополнять конденсированными фосфатами, такими, например, как пирофосфаты и полифосфаты с меньшей степенью конденсации, или заменять на них. Продолжительность и температура термообработки зависят от используемого исходного фосфата, но в любом случае средняя степень конденсации полученного продукта должна превышать 20. Концентрацию аммиака в газовой атмосфере в зоне термообработки целесообразно поддерживать в пределах от 0,1 до 100 мас.%, предпочтительно от 1 до 30%, особенно предпочтительно от 2 до 10%, прежде всего от 3 до 5%. В качестве исходного материала наиболее целесообразно использовать 1,3,5-триазиновое соединение, предпочтительно меламиновое соединение с минимально возможным размером частиц, прежде всего со средним размером частиц не более 15 мкм, предпочтительно не более 10 мкм. Исходные продукты с большей крупностью частиц целесообразно подвергать перед термообработкой размолу до частиц указанного среднего размера, не превышающего 15 мкм, предпочтительно не превышающего 10 мкм.

Антипиреновые свойства предлагаемых в изобретении полифосфатных производных 1,3,5-триазинового соединения можно дополнительно улучшить за счет объединения этих полифосфатных производных с по меньшей мере одним фосфинатом и/или дифосфинатом.

Подобные фосфинаты, соответственно дифосфинаты предпочтительно имеют структуру, которую можно представить следующими формулами I, соответственно II:

,

,

где

R¹ и R² имеют идентичные или разные значения и обозначают C₁-С₆алкил с прямой либо разветвленной цепью, С₁-С₇гидроксиалкил с прямой либо разветвленной цепью или арил,

R³ обозначает C₁-С₁₀алкилен с прямой либо разветвленной цепью, С₆-С₁₀арилен, алкиларилен или арилалкилен,

М обозначает Mg, Ca, Al, Sb, Sn, Ge, Ti, Zn, Fe, Zr, Ce, Bi, Sr, Mn, Li, Na, K и/или протонированное азотное основание, предпочтительно Ca, Mg, Al и Zn,

m обозначает число от 1 до 4,

n обозначает число от 1 до 4 и

x обозначает число от 1 до 4.

Особенно предпочтительно М обозначает Al. Предпочтительны антипиреновые смеси, которые содержат предлагаемое в изобретении полифосфатное производное (компонент А) и дифосфинат (компонент В) в таких количествах, при которых соотношение между этими компонентами А/В составляет от 3:7 до 7:3, предпочтительно от 3:4 до 4:3.

Антипиреновые свойства предлагаемых в изобретении полифосфатных производных 1,3,5-триазинового соединения в наиболее предпочтительном варианте можно улучшить также за счет смешения этих полифосфатных производных с фосфинатами алюминия общей формулы (I)

,

где

R¹ обозначает -СН₃, -CH₂OH, -C₂H₅ , -СН(ОН)СН₃ или -С(ОН)(СН₃)₂ ,

R² обозначает -СН₂ОН, -C₂H₄OH, -С₃Н₆ОН или -СН(ОН)СН₃,

М обозначает Al и

m обозначает число от 1 до 4.

Смеси фосфинатов алюминия можно получать, получая известным методом из смесей фосфинатов щелочных металлов свободные фосфиновые кислоты в водном растворе и затем подвергая их при кипячении взаимодействию с суспендированным в воде гидроксидом или оксигидроксидом алюминия. Следует, однако, отметить, что такие реакции нейтрализации протекают в течение существенно большего промежутка времени. Поэтому более целесообразно подвергать полученные в результате реакции с участием фосфора фосфинаты щелочных металлов взаимодействию в водном растворе с необходимым количеством водорастворимых солей алюминия, таких, например, как хлорид, гидроксихлорид, сульфат, нитрат или формиат, при этом может потребоваться полностью переводить смесь в раствор за счет добавления небольшого количества минеральной кислоты и затем осаждать смеси фосфинатов алюминия за счет увеличения значения pH до 4-7. Последующий нагрев водной суспензии до температуры в интервале от 105 до 150°С в автоклавах облегчает предусмотренное далее отделение труднорастворимого осадка. В завершение выпавший в осадок фосфинат алюминия отфильтровывают, промывают и сушат.

Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что на все антипирены либо на часть из них, т.е. на полифосфатное производное или на полифосфатные производные и/или на фосфинат и/или дифосфинат или на фосфинаты и/или дифосфинаты и/или на другие присутствующие известные антипирены, наносят кремнийсодержащее покрытие и/или модифицируют их каким-либо иным образом. Такая модификация известна, например, из заявки DE 19830128 А1, содержание которой тем самым включено в настоящее описание в качестве ссылки. При подобной модификации либо органофункциональный силан или смесь органофункциональных силанов, либо олигомерный органосилоксан или смесь олигомерных органосилоксанов, либо содержащую раствор композицию на основе мономерных органосиланов и/или олигомерных органосилоксанов или композицию на основе водорастворимых органополисилоксанов наносят на порошкообразный антипирен, который в процессе нанесения на него покрытия постоянно находится в движении.

Кремнийсодержащий материал для нанесения покрытия предпочтительно использовать в количестве от 0,05 до 10 мас.% в пересчете на массу антипирена. Кремнийсодержащее покрытие целесообразно наносить на антипирен в течение промежутка времени, составляющего от 10 с до 2 ч, при температуре в интервале от 0 до 200°С. Антипирен с нанесенным на него покрытием предпочтительно далее подвергать термообработке при температуре вплоть до 200°С и/или при пониженном давлении. В качестве органофункционального силана предпочтительно использовать аминоалкил-, эпоксиалкил-, акрилоксиалкил-, метакрилоксиалкил-, меркаптоалкил-, алкенил- или алкилфункциональный алкоксисилан.

Особое преимущество, связанное с модификацией антипирена нанесением на него кремнийсодержащего покрытия, состоит в повышении стойкости антипирена к влиянию внешних факторов, таких как влажность. Благодаря подобной модификации удается предотвратить, соответственно уменьшить происходящее с течением времени вымывание антипирена.

Ниже изобретение поясняется на примерах.

Пример 1 и сравнительный пример 1

а) В лопастном смесителе интенсивно перемешивали 876,96 кг меламина. Затем меламин подвергали взаимодействию с 75%-ной фосфорной кислотой, которую распыляли в количестве 784 кг. Образовавшийся в результате ортофосфат меламина подвергали затем тонкому размолу в мельнице АСМ.

б) Ортофосфат меламина подвергали термообработке в печи. Перед загрузкой ортофосфата меламина в печь температуру в ней устанавливали на 380°С. В каждом случае температуру и концентрацию аммиака в атмосфере печи устанавливали на необходимые значения и на протяжении всего опыта поддерживали практически на постоянном уровне. В печи создавали атмосферу аммиака с его изменяемой по мере необходимости концентрацией.

В примере 1, который соответствует изобретению, устанавливали относительно высокую концентрацию аммиака, которая, в частности, соответствовала -3 мм вод.ст. В результате полученное значение pH равнялось 5,524 и тем самым заметно превышало 5. Одновременно растворимость снижалась до примерно одной трети от растворимости в представленном ниже сравнительном примере и составляла 0,032 г/100 мл. При последующей переработке не было выявлено никакого агрессивного химического воздействия на формы. Термостойкость продукта из примера 1 согласно данным ТГА (термогравиметрического анализа) составляла приблизительно 373°С (2%-ное уменьшение массы), т.е. уменьшение его массы на 2% достигалось при температуре порядка 373°С.

В сравнительном примере 1 концентрацию аммиака в атмосфере в печи изменяли и устанавливали на более низкое значение, чем в примере 1. Эта концентрация соответствовала -100 мм вод.ст. В результате значение pH скачкообразно снижалось и составляло в суспензии примерно 3,57. Термостойкость согласно данным ТГА составляла приблизительно 353°С (2%-ное уменьшение массы).

Условия и результаты этого эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1
Свойства	Единица измерения	Пример 1	Сравнительный пример 1
P2O5	%	34,46	33,120
Азот (общее количество)	%	41,31	40,120
Значение pH		5,524	3,568
Растворимость	г/100 мл	0,032	0,095
Кислотное число	мг КОН/г	1,30	1,31
Влажность	%	0,068	0,075
2%-ное уменьшение массы согласно ТГА	°С	372,91	353,030
Максимальное разложение	°С	406,11	397,400
Соотношение М/Ф	°С	1,02	1,030

Пример 2 и сравнительный пример 2

Предлагаемый в изобретении полифосфат меламина (пример 2) и не подпадающий под п.1 формулы изобретения полифосфат меламина (сравнительный пример 2) обрабатывали аналогично примеру 1. Соответствующие параметры также определяли аналогично примеру 1 и получили следующие данные.

Условия и результаты этого эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2
Свойства	Единица измерения	Пример 2	Сравнительный пример 2
P2O5	%	35,820	30,680
Азот (общее количество)	%	41,190	44,690
Значение pH		5,470	3,580
Растворимость	г/100 мл	0,002	0,017
Кислотное число	мг КОН/г	0,435	3,271
Влажность	%		0,313
2%-ное уменьшение массы ТГА	°С	373,100	374,770
Максимальное разложение	°С	407,430	406,260
Соотношение М/Ф	°С	0,980	1,240

В данном случае термостойкость в обоих опытах была практически идентичной, тогда как значение pH в примере 2, который соответствует изобретению, было существенно выше, чем в сравнительном примере 2.