聚磷酸铵的制备及阻燃性能测试

1、聚磷酸铵的制备及阻燃性能测试摘要：本实验用低温溶剂法，以石蜡为介质，尿素和磷酸二氢胺为原料进行制备聚磷酸 铵。然后进行溶解度的测定、阻燃性的检验以及氧指数的测定。了解聚磷酸铵的用途及 掌握其合成方法，掌握阻燃剂性能测试的一般方法。对实验结果进行讨论分析，并简单 介绍了本实验方法制备聚磷酸铵的工艺条件。关键词：聚磷酸铵 尿素阻燃性 氧指数 溶解度1前言聚磷酸铵简称APP,是一种性能优良的阻燃剂,APP的含磷量和含氮量都很高,因 而具有很高的阻燃性能。它的热稳定性好，在水中的溶解度不大，产品近于中性，能与很 多其他阻燃剂复配提高其阻燃性和实施性能，发烟量不大，毒性小，因而又被称为/环境友好型阻燃剂

2、。作为无卤阻燃剂，在阻燃材料中的运用将越来越广泛。其合成方法主要 有有磷酸和尿素缩合法， 聚磷酸铵化法，正聚磷酸铵与氨气高温中和法， P2O5-NH3-H2O 高温气相反应法， NH4H2PO4和CO（NH2）2缩合法，NH4H2PO4和NH3缩合法以及 H3PO4和NH3缩合法等。根据聚磷酸铵不同的用途合成的方法也不一样。本实验用低温溶剂法，以石蜡为介质，尿素和磷酸二氢胺为原料进行制备。APP结构是（NH 4）n .2PnO3n 4 APP有水溶性（n为1020）及水难溶性（n20）两 种。作为阻燃剂的n 般大于25。在尿素和磷酸二氢胺反应体系中，存在下列反应：CO(NH2)2 2NH4H2

3、PO4 - (NH4)F2O7 co22(NH4)PO7 +CO(NH2)2一- -(NH4)n 七RO3n + +4NH3 +COn当n很大时，产物可写成（NHqP。3）。2实验部分2.1实验试剂及仪器仪器：烧杯（500ml 200ml ）抽滤装置，温度计，电炉，搅拌器，玻璃棒，滤纸,酒精灯，纸板。试剂：液体石蜡（碳数在 16以上），尿素，磷酸二氢胺，苯，去离子水，聚乙烯醇 缩甲醛胶，三聚氰胺，六偏磷酸钠（10%）,羧甲基纤维素钠（2%）,季戊四 醇，甲基硅油消泡剂。2.2实验步骤及实验现象2.2.1聚磷酸铵的合成在500ml的干燥烧杯中，加入150ml的液体石蜡，加热至200oC,在该温下

4、不断搅拌, 将30g尿素和28g磷酸二氢胺混合，分批加入至温度在 200 C附近的液体石蜡中，保持 温度不高于190-200C, 30min内加完；现象：有少量白色固体生成，且有大量白色泡沫产生， 溶液为黄色，后来固体溶解 有刺激性气味气体产生。于190200 C下反应半小时，不断搅拌，液体变为白色粘稠固体。冷却至室温， 尽可能倒出液体石蜡，用 30-40ml苯（因为苯易挥发且有毒，应少量）浸洗2次，除去产物中夹留的石蜡，抽滤回收苯，用水洗涤产物，抽滤；现象：得到白色固体产物，但严重粘在玻璃杯壁上。在120C烘箱中烘半小时，研磨，再次烘干10min。现象：白色粉末状产品，产量为7.5g。2.2

5、.2产品的质量检测溶解度的测定：准确称取上述产物0.5g加入12.5ml蒸馏水，煮沸5min后，称量干燥滤纸质量为0.53g，表面皿质量为39.25g,过滤产物，烘干，称滤纸、表面皿和余物的 质量为39.79g，即剩余物重0.01g计算100ml蒸馏水中的溶解度。阻燃性能测试：称取0.5gAPP加12.5ml蒸馏水，搅拌均匀后，将一片滤纸浸在此液 体中，10min后取出与另一片正常滤纸一起烘干，做燃烧对比实验，观察其现象。现象：正常滤纸-一点即燃，且有黄色火焰样品滤纸-不能点燃，没有火焰，但有烟产生，滤纸变黑，且不易碎防火涂料的制备及防火性能检验:表1.涂料的配比品名用量g品名用量g聚乙烯醇缩

6、甲醛5.0聚磷酸铵4.4三聚氰胺2.3季戊四醇1.2六偏磷酸钠(10%)1.0甲基硅油消泡剂0.1羧甲基纤维素钠(2%)0.6去离子水4.4将六偏磷酸钠，羧甲基纤维素钠分别配置成10%, 20%的水溶液。将去离子水加入烧杯中，低速(约800r/min )下搅拌，将配方量的试剂依次加入，然后高速(4000r/min)搅拌1h,将涂料涂到纸板上，烘干，测定氧指数。2.3注意事项：小心加热液体石蜡，以免在加热过程中溅出，发生灼烧。洗涤产物的有机溶剂回收，待蒸馏后可重新使用。3实验数据与处理3.1合成实验制得聚磷酸铵7.5g，产品呈白色粉末状理论产量为 39.06g,则产率为7.5/39.06*100

7、%=19.2%3.2 APP溶解度测定0.5gAPP溶入12.5ml的水中，剩余 0.01g溶解度 s=(0.5-0.01)*8=3.92g/100ml 水3.3阻燃性能测定未处理过的滤纸燃烧时有明火，火焰明显，燃烧后化为灰烬，基本无残留；而处理 过的滤纸燃烧时有明火，但火焰不高，燃烧时只是在表面轻微的燃过，滤纸变成黑色， 没有完全燃烧.3.4防火涂料的防火性能表2.氧指数(OI)值空白试验氧气：30氮气：70防火涂料氧气：65氮气：350J根据，01 二0： +比X100空白试验组的氧指数为：30%防火涂料组氧指数为：65%查国标得，当极限氧指数 V28LOI时，此物可以在空气中燃烧，当 3

8、0LOI时，此物在 空气中不能燃烧。因此，可以确定本实验制备的防火涂料的性能远远高于在空气中的燃 烧范围，涂料的性能良好。4实验结果讨论与思考4.1实验结果分析本次实验共制得 APP质量7.5g,产率较低。但是经过阻燃性和氧指数测定，本次实 验制备的产品阻燃性很好，测氧指数时还需要用搞基丁烷气体来点燃，比较成功。4.2实验结果讨论产量较低的原因可能有：反应完成后倒出产品，有很多产品粘在烧杯、温度计和玻璃棒上。用苯洗后再用水洗，由于溶解度为较大，部分产品溶解在水中损失掉。反应中因为有固体附着在温度计上，使实际的温度高于显示的温度，导致部分的石 蜡油碳化，影响产率。搅拌过于剧烈不离与产物生产。另外

9、制得的APP颜色偏灰，估计也是由于小部分石 蜡油碳化的碳化，而且在用苯清洗的时候清洗不彻底。4.3实验结论在本实验的合成过程中，影响产品质量的因素有多个，原料配比、缩合温度和时间、 料层高度以及氨气分压等。为了使缩合反应完全，需要提高含氮量和聚合度。尿素使用量少，缩合不完全，聚合度低，含氮量也低；尿素使用量多，氨的损失增大，且不易固化 加热所需要时间取决于温度，温度越高，完成缩聚的时间越短，脱氨速度也越快，但氨 的损失也增大。此外，料层过高易导致温度不均匀，反应速度不一；反应温度低，缩聚时 间需要延长，否则聚合度不高，难以固化；氨气分压对固相反应体系影响较大，当反应 温度、配料比等其他条件不变

10、时，氨的含量随着氨分压的增加而增加。查文献知本方法典型的生产工艺条件为：磷酸与尿素的摩尔比为1: 1.5-2.0,反应温度控制在140- 200 C ,料层高度保持在100- 150mm,氨分压控制在 9.3-46.6KP&由于工 业磷酸的浓度一般为80%- 85%,水的存在会使聚合度难以提高,一般聚合度在20- 30, 另外采用尿素作缩合剂，在高温下尿素会迅速分解，短时间内排出大量的气体（通常生 产1kg聚磷酸铵产品将排出1m3的氨和二氧化碳），会使得反应过程中大量发泡极易 溢料,导致反应器的单体体积产量过低，还需要设置较大型的废气回收装置，给生产带来许多麻烦。目前该方法是中小企业普遍采用的

11、生产方法。参考文献：【1】李玉芳，伍小明.聚磷酸铵阻燃剂的生产及应用进展.精细化工原料及中间体,2006, 17( 11) : 19-22.【2】崔益顺.聚磷酸铵制备及性能研究化工矿物与加工，2011年第7期.【3】陈立妙，曾冬铭，卢周广，古映莹，黄可龙.应用化学综合实验与科学训练.工科大学化学实验.20069Preparati on and testi ng of ammonium polyphosphateflame retarda ntAbstract : This experime nt used low solve nt , the medium is paraffi n, urea, and ammon ium dihydroge n phosphate as raw material for the preparati on of ammonium polyphosphate. Then measuri ng the flame retarda ncy test and oxyge n in dex. We should discussed and an alyzed the experime ntal results ,and m