聚磷酸銨的制備及阻燃性能測試

一、 實驗目的：了解聚磷酸銨的用途及掌握其合成方法。掌握阻燃性能測試的一般方法.二、 實驗原理：聚磷酸銨（APP）是近十多年來發(fā)展起來的一種重要的無機阻燃劑，廣泛用于塑料、纖維、紙張、橡膠、木材等的阻燃，并可用于配制耐火涂料。APP含磷、氮量大，熱穩(wěn)定性好，水溶性小，近于中性。同時，它具有分散性好,比重小，毒性低和價格低廉的特點。其結(jié)構(gòu)是為（NH）PO。APP有水溶性（n為10-20）及水難溶性（n>20）4 n+2n3n+1兩種。作為阻燃劑的n—般大于25。其合成方法主要有高溫聚合法和低溫溶劑法。本實驗用低溫溶劑法，以石蠟為介質(zhì)，尿素和磷酸二氫胺為原料進行制備。在尿素和磷酸二氫胺反應(yīng)體系中，存在下列反應(yīng)：C0（NH2）2 +2NH4H2PO4 ”（nh4）2p2o7 + CO22（NH4）2P2O7 +CO（NH2）2 -云（NH4）n+2Pn°3n+l+4NH3+卩當n很大時，產(chǎn)物可寫成（NHPO）。4 3三、 試劑及儀器：試劑：液體石蠟（碳數(shù)在16以上），尿素，磷酸二氫銨，苯等。儀器：燒杯（500ml，200ml），抽濾裝置。四、 實驗步驟及現(xiàn)象：合成：在500ml干燥的燒杯中，加入150ml液體石蠟，電爐加熱至200°C（溫度計控制溫度），在該溫度下，不斷攪拌（手動攪拌），將30g尿素與28克磷酸二氫胺混合，分批加入至溫度為200C的液體石蠟中，注意溫度不能過高，30分鐘內(nèi)加完?，F(xiàn)象：液體石蠟加熱后顯黃色，隨著尿素和磷酸二氫銨混合物的加入，石蠟油的顏色逐漸加深，并產(chǎn)生大量白色粘稠狀泡沫。與190-200°C的條件下繼續(xù)反應(yīng)25-30分鐘，觀察反應(yīng)產(chǎn)物（由粘稠泡沫液體變?yōu)榘咨腆w）?，F(xiàn)象：隨著反應(yīng)的進行，白色泡沫逐漸減少，并在燒杯底部生成白色固體沉淀物。然后冷卻至室溫，盡可能傾出液體石蠟（將石蠟轉(zhuǎn)入回收瓶），將生成物研細后，每次用30-40ml苯浸洗2-3次，除去產(chǎn)物中夾留得石蠟，抽濾，回收苯。然后用蒸餾水洗滌產(chǎn)物。在120C烘箱中，烘30分鐘，即得產(chǎn)物，稱重，計算產(chǎn)率。產(chǎn)品質(zhì)量檢驗：（1） 溶解度測定：準確稱取上述產(chǎn)物4克加入100ml蒸餾水煮沸5分鐘后，過濾產(chǎn)物，烘干，稱余物，計算100ml蒸餾水中的溶解度?，F(xiàn)象：溶液呈渾濁狀，加熱煮沸后，固體物質(zhì)少量溶解。（2） 阻燃性能測試：稱取4gAPP加100ml蒸餾水，攪拌均勻后，將一片濾紙浸在此液體中。10分鐘后取出烘干，與一未處理的濾紙，使燃燒對比實驗，觀察其現(xiàn)象。注：由于產(chǎn)品量不足，我們組取了2克產(chǎn)物與50ml蒸餾水進行實驗。防火涂料的制備及防火性能涂料的配比見下表：表涂料配方品名用量品名用量（g）聚乙烯醇縮甲醛膠25.0聚磷酸銨22三聚氰胺11.5季戊四醇6.0六偏磷酸鈉（10%）5.0甲基硅油消泡劑0.5羧甲基纖維素鈉3.0去離子水22.0制備步驟為:將六偏磷酸鈉，羧甲基纖維素鈉分別配制成10%和2%的水溶液;將要求量的去離子水加入燒杯中；低速攪拌下，將配方量的阻燃劑、顏料、填料、分散劑依次加入，再加入適量的消泡劑，然后高速攪拌，攪拌大約lh；將基料和其它助劑加入，加入時攪拌速度要小，大約800r/min，以免破壞聚合物，攪拌時間為lh；用去離子水調(diào)節(jié)涂料的固含量即得產(chǎn)品。注：實驗過程中由于產(chǎn)品量不足，同時考慮到攪拌時方便，我們組將配方的各項用量均減少為原來的四分之一?，F(xiàn)象：攪拌狀態(tài)下涂料呈粘稠狀，顏色為灰白色。將涂料涂刷到紙板上，于烘箱中烘干，取一部分于酒精燈上點燃，觀察對比有無阻燃劑的紙板燃燒時火焰的大小及燃燒完全所用的時間，將剩余紙板在氧指數(shù)儀上進行測定氧指數(shù)值。五、數(shù)據(jù)處理與分析1、合成：n(CO(NH))二30.00gF60g/mol=0.500mol22n(NHHPO)=28.00gF115g/mol=0.243mol42 4因此，APP的理論產(chǎn)量m為m(APP)=m(CO(NH))+m(NHHPO)-m(NH)-m(CO)2 2 42 4 3 2=30.00g+28.00g-2X0.243molX17mol/g-0.243molX44mol/g=39.05g實驗制得聚磷酸銨15.85g，產(chǎn)品呈白色粉末狀，理論產(chǎn)量為39.05g故產(chǎn)率n為n=15.85g/39.05gX100%=40.6%產(chǎn)率較低可能存在的原因有：在合成完成后，有大量的產(chǎn)物附著在燒杯底部，盡管嘗試了多種方法將其取出，但是仍有不少產(chǎn)物無法得到，使得這部分產(chǎn)物無法稱量；實驗過程中要求溫度控制在200°C左右，但是實驗溫度并未控制得很好，使得反應(yīng)進行的不徹底；為除去產(chǎn)物中的石蠟油，將產(chǎn)物用苯浸洗了2次，并用水洗滌，此過程中存在產(chǎn)物的損失；反應(yīng)時間不夠長。2、（1）APP溶解度測定:實驗中將2gAPP溶入了50ml的水中，最后稱量剩余0.10g,故：溶解度S=（2-0.10）*2=3.80g/100mlH202（2）阻燃性能測定：未經(jīng)處理的濾紙一經(jīng)點火就開始燃燒；而經(jīng)APP處理過后的濾紙點燃后火焰很快熄滅，且灰燼呈黑色不易碎。注：左為未處理的濾紙，右為經(jīng)APP處理過的濾紙。對比可知：實驗過程中觀察到經(jīng)APP處理過的濾紙不會很快燃燒，同時無明顯的火焰，由此可知APP具有良好的阻燃性能。3、防火性能檢測：OI=—[°2]—xlOO根據(jù)原始數(shù)據(jù)以及氧指數(shù)OI的計算公式：[O2]+[N2故空白樣01=3.50/(3.50+6.70)*100=34.31涂料樣01=4.65/(4.65+4.25)*100=52.25查國標知：當極限氧指數(shù)0I<28時，物體可以在空氣中燃燒，當01>30時,物體不能在空氣中燃燒。因此可以確定本實驗制備的防火涂料性能遠高于在空氣中燃燒的范圍，性能良好，而空白樣的檢測出現(xiàn)了一些小誤差，可能的原因有：實驗中用酒精燈點火,會產(chǎn)生誤差；調(diào)節(jié)氧氣氮氣時觀察火焰會出現(xiàn)誤差以及實驗儀器本身的誤差等等。六、實驗總結(jié)：實驗所得APP處