CN101309974A - 快速表面固化有机硅组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过使氨基封端的有机硅与异氰酸根官能化的硅烷反应制备快速固化有机硅RTV组合物的方法以及由此形成的组合物。具体地,本发明提供包括用含有α-脲的硅烷封端的有机硅的组合物。包括式(I)的聚合物的那些组合物为本发明组合物的示例。
Description
发明领域
[0001]本发明涉及通过使氨基封端的有机硅与异氰酸根官能化的硅烷反应制备快速固化有机硅RTV组合物的方法以及由此形成的组合物。具体地,本发明提供包括用含有α-脲的硅烷封端的有机硅的组合物。
相关技术的简要说明
[0002]湿气固化性有机硅粘合剂用于广泛的应用中,包括建筑、电子器件、封装组件和器具组件。通常,用于这些应用中的固化性粘合剂已被制成提供近旁的应用所需的强度和韧性。除这些性能以外,经常期望快的固化速度和产品稳定性。
[0003]烷氧基封端的聚硅氧烷已经用于制备具有期望性能的湿气固化性有机硅粘合剂。通过在催化剂存在下用烷氧基硅烷交联剂将硅烷醇封端的有机硅封端来制备这些反应性聚硅氧烷。然后可以在催化剂存在下通过暴露于环境条件而固化该封端的硅烷醇(即反应性有机硅的交联)。空气中的湿气使硅原子上的烷氧基水解以通过缩合反应形成促进有机硅材料固化的硅氧烷连接。
[0004]尽管是有效的,但这些有机硅粘合剂对于某些应用往往显示出过慢的固化速度。特别地,在一些应用中,期望使用表干时间(skin-over time)快的粘合剂。使用表干时间快的组合物有优点,包括能够在组合物固化时不干扰它的情况下处理施涂了该组合物的基材。
[0005]一些聚合物组合物,例如氰基丙烯酸酯的组合物具有快速固化能力,但是具有的缺点在于它们有些硬质和刚性而不具备有机硅的柔软和挠性。因此,期望制备固化时保持其柔软和挠性,但具有接近快速固化聚合物例如氰基丙烯酸酯的固化速度的湿气固化性有机硅。
发明概述
[0006]在本发明的一个方面中,提供式(I)的组合物:
式(I)
[0007]在本发明的另一方面中,提供制备组合物的方法,其包括以下步骤:
a)混合:
i.式(III)的聚合物:
式(III);和
ii.至少2当量的式(IV)的化合物:
式(IV);以及
b)将步骤a)的反应产物与至少2当量的式(V)的化合物混合:
式(V)
[0008]本发明还提供制备组合物的方法,其包括将以下物质混合的步骤:
i.具有式(II)的聚合物:
式(II);和
ii.至少2当量的式(V)的化合物:
式(V)
[0009]在另一方面中,本发明提供组合物,其包括以下物质的反应产物:
a)以下物质的反应产物:
i.式(III)的聚合物:
式(III);和
ii.式(IV)的化合物:
式(IV);以及
b)式(V)的化合物:
式(V)
[0010]本发明的又一方面提供组合物,其包括以下物质的反应产物:
i.具有式(II)的聚合物:
式(II);和
ii.至少2当量的式(V)的化合物:
式(V)
[0011]本发明的另一方面提供使用包括式(I)的聚合物的组合物的方法:
式(I)
[0012]在上述所示的式(I)至(V)的每一个中,
R1和R8各自独立地选自H和C1-C10烃基;
R2、R3、R4、R5和R6各自独立地是C1-C10烃基;
R7在每次出现中可以相同或不同并且是C1-C10烃二基(hydrocarbon diradical);
n是1-约1,200;
a是0、1或2;和
b是0或1。
发明详述
[0013]本发明提供能够快速湿气固化的有机硅组合物。
[0014]本文使用的术语“烃基”和“烃二基”意在分别是指主要由碳和氢原子组成的基团和二基。因而,该术语包括脂族基团例如烷基、烯基和炔基;芳族基团例如苯基;以及脂环族基团例如环烷基和环烯基。本发明的烃基可以在杂原子不会有损于该基团的烃性质的程度下包括杂原子。因此,烃基团可以包括例如醚、烷氧化物、羰基、酯、氨基、氰基、硫醚、硫酸酯、亚砜、砜和砜等官能团。
[0015]本发明的烃基、烷基和苯基以及二基可以是任选取代的。本文使用的术语“任选取代的”意在指基团上的一个或多个氢可以由相应数目的取代基取代,所述取代基选自烷基、烯基、炔基、芳基、卤素、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基、卤代芳基、羟基、烷氧基、烯氧基、炔氧基、芳氧基、羧基、苄氧基、卤代烷氧基、卤代烯氧基、卤代炔氧基、卤代芳氧基、硝基、硝基烷基、硝基烯基、硝基炔基、硝基芳基、硝基杂环基、叠氮基、氨基、烷基氨基、烯基氨基、炔基氨基、芳基氨基、苄基氨基、酰基、烯基酰基、炔基酰基、芳基酰基、酰氨基、酰氧基、醛基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、烷基磺酰氨基、芳基磺酰氨基、烷基磺酰氧基、芳基磺酰氧基、杂环基、杂环氧基、杂环氨基、卤代杂环基、烷基次磺酰基、芳基次磺酰基、烷氧羰基、芳氧羰基、巯基、烷基硫基、芳基硫基、酰基硫基等。
[0016]本文使用的术语“卤代”和“卤素”意在同义,而且都意在包括氯、氟、溴和碘。
[0017]本发明涉及RTV组合物,式(I)为其代表:
式(I)
[0018]R1在每次出现中可以相同或不同并且是H和C1-C10烃基。在优选的方面,R1选自H和C1-C4烷基。
[0019]R2和R6各自独立地是C1-C10烃基。取代基R2和R6与它们所连接的各自的氧结合形成水解性基团,其向本发明的组合物提供它们经历室温硫化(RTV)固化的能力。RTV固化通常经由本发明组合物暴露于湿气而发生。本发明的组合物可以通过RTV(室温硫化)机理固化成挠性树脂。因而,本发明的另一方面涉及通过暴露于湿气时本发明的有机硅聚合物组合物的反应而形成的固化的聚合物。水解性湿气固化基团例如烷氧基的存在使得所述聚合物可经历湿气固化。适合的水解性基团包括烷氧基例如甲氧基、乙氧基、丙氧基和丁氧基;酰氧基例如乙酰氧基;芳氧基例如苯氧基;肟氧基例如甲基乙基肟氧基;烯氧基(enoxy)例如异丙烯氧基;以及烷氧基烷基例如CH3OCH2CH2-。较大的基团例如丙氧基和丁氧基比较小基团例如甲氧基和乙氧基更慢反应。可以通过为取代基R2和R6选择适当的基团来调整本发明组合物经历湿气固化的速率。可以使不同R2基团的混合物位于单个硅原子上以影响组合物的固化。同样地,可以使不同R6基团的混合物位于单个硅原子上以影响组合物的固化。有利地,R2和R6可以是C1-C4烷基。更有利地,R2和R6是甲基或乙基。
[0020]认为式(I)的聚合物中脲和硅原子之间的C1连接有助于其快速湿气固化的能力。R8在每次出现中可以相同或不同,并且选自H和C1-C10烃基。有利地,R8是H。
[0021]R3和R5在每次出现中可以相同或不同,并且各自独立地是C1-C10烃基。R3和R5理想地是C1-C4烷基。更有利地,R3和R5是甲基。
[0022]R4在每次出现中可以相同或不同并且是C1-C10烃基。有利地,R4是C1-C4烷基。对于大多数商业应用,由于有利地用于本发明组合物的合成中的聚二甲基硅氧烷原料可广泛得到,R4理想地是甲基。在另一理想的方面中,R4还可以是苯基。
[0023]所述有机硅的分子量可以变化并且可以选择以调整最终产物特性。可以改变重复单元的数目n以实现特定的分子量、粘度和其他化学或物理性能。通常,n为使粘度在25℃下为约25cps-约2,500,000cps的整数,例如当n为1-约1,200以及理想地约10-约1,000。聚烷基硅氧烷的有用分子量的实例包括约500-约50,000原子质量单位的分子量。有利地,有机硅的平均分子量为约10,000-约8,000原子质量单位。
[0024]R7在每次出现中可以相同或不同并且是C1-C10烃二基。有利地,R7是C1-C10亚烷基。更有利地,R7是亚甲基、亚丙基或亚异丁基。
[0025]式(I)的聚合物中的变量“a”是0、1或2。变量“b”是0或1。变量“a”和“b”分别表示式(I)的聚合物的侧链和末端硅原子上的烃基的数目。相应地,变量“2-a”和“3-b”表示相应硅原子上烃氧基取代基的数目。
[0026]本发明组合物可以有利地包括一种或多种湿气固化催化剂。用于本发明湿气固化性组合物中的固化体系包括但不限于用于加速或者促进本发明组合物固化的催化剂或其他试剂。适合的湿气固化催化剂包括含有例如钛、锡或锆等金属的化合物。钛化合物的示例性实例包括钛酸四异丙酯和钛酸四丁酯。锡化合物的示例性实例包括二月桂酸二丁基锡、二乙酸二丁基锡、二羧酸二辛基锡、二羧酸二甲基锡和二辛酸二丁基锡。锆化合物的示例性实例包括辛酸锆。另外,可以使用有机胺例如四甲基胍胺、二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、三乙胺等。湿气固化催化剂的用量足以实现湿气固化,其一般是约0.01wt%-约5.00wt%,有利地是约0.1wt%-约1.0wt%。
[0027]可以将多种附加的有用组分加入到本发明的组合物中。例如,可以加入附加的交联剂。所述交联剂包括可缩合的硅烷例如烷氧基硅烷、乙酰氧基硅烷、烯氧基硅烷、肟基硅烷、氨基硅烷及其组合。其他适合的硅烷包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙烯氧基硅烷和α-官能化的硅烷。可缩合的硅烷的存在量可以是所述组合物的约0.5wt%-约10wt%。更期望的范围会是0.5-5.0%。
[0028]在本发明的组合物中可以任选地包括填料。一般可以使用任何适合的矿物、碳质、玻璃或陶瓷填料,其包括但不限于:热解法二氧化硅、粘土、金属碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、炭黑、金属氧化物、二氧化钛、氧化铁、氧化铝、氧化锌、石英、硅酸锆、石膏、氮化硅、氮化硼、沸石、玻璃、塑料粉末及它们的组合。填料可以在所述固化性有机硅组合物中以任何适合的浓度存在于该组合物中。通常,所述组合物的约5wt%-约80wt%的浓度足够。然而,更期望的范围会是20-60%。
[0029]更期望的填料包括增强二氧化硅。该二氧化硅可以是热解法二氧化硅,其可以是未经处理的(亲水性的)或用助剂处理过以使其为疏水性的。热解法二氧化硅应当以组合物的至少约5wt%的水平存在以便获得任何实质的增强效果。尽管最佳的二氧化硅水平根据具体二氧化硅的特性而变化,但是一般观察到二氧化硅的触变效果在达到最大的增强效果之前产生不实用地高粘度的组合物。疏水性二氧化硅倾向于显示较低的触变比,因此在期望稠度的组合物中可以包括更多的量。因此,在选择二氧化硅水平时,必须平衡期望的增强和实用的粘度。特别理想的热解法二氧化硅为的R8200。
[0030]在本发明的一些实施方案中,混入干燥填料可能是理想的。例如,湿气固化性预混组合物可以包括式I的反应性聚合物和至少一种干燥填料。所述干燥填料通常具有小于组合物的约0.5wt%的含水量。所述组合物理想地基本上不含添加的水分,由此防止反应性聚有机硅氧烷的过早固化。所述预混组合物还可以包括附加的反应性硅烷、粘合促进剂或它们的组合。
[0031]所述湿气固化性组合物中还可以包括粘合促进剂。粘合促进剂可以用于提高湿气固化性组合物对于特定基材(即金属、玻璃、塑料、陶瓷、及其共混物)的粘合特性。取决于给定应用中采用的特定基材部件,可以将任何适合的粘合促进剂用于上述目的。可以优选各种有机硅烷化合物,特别是氨基官能的烷氧基硅烷。
[0032]适合的有机硅烷粘合促进剂包括例如3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、甲基氨基丙基三甲氧基硅烷、1,3,5-三(三甲基甲硅烷基丙基)异氰脲酸酯、3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧丙基乙基二甲氧基硅烷、2-环氧丙氧乙基三甲氧基硅烷、2-氰基乙基三甲氧基硅烷、3-氰基丙基三乙氧基硅烷、异氰酸丙酯基三乙氧基硅烷、异氰酸丙酯基三甲氧基硅烷、及它们的组合。
[0033]粘合促进剂当存在时其用量可以是所述组合物的约0.1wt%-约10wt%。理想地,粘合促进剂的存在量是所述组合物的约0.2wt%-约2.0wt%。
[0034]所述组合物还可以包括任意数目的任选添加剂,例如颜料或染料、增塑剂、触变剂、醇清除剂、稳定剂、抗氧化剂、阻燃剂、UV-稳定剂、杀生物剂、杀真菌剂、热稳定剂、流变添加剂、增粘剂等或它们的组合。这些添加剂应当以适合于实现它们的预期目的的量存在。
[0035]本发明还提供制备包括式(I)的聚合物的组合物的方法。制备式(I)的聚合物的一种途径包括以下步骤:
a)混合:
i.式(III)的聚合物:
式(III);和
ii.至少2当量的式(IV)的化合物:
式(IV);以及
b)将步骤a)的反应产物与至少2当量的式(V)的化合物混合:
式(V)
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、a、b和n如上所述。
[0036]如以下在流程1中所示,步骤a)中式(III)的羟基封端的硅氧烷与式(III)的氨基亚烷基烷氧基硅烷的反应产生式(II)的氨基亚烷基烷氧基封端的聚二烷基硅氧烷。该过程在转让给HenkelCorporation的美国专利No.6,750,309B1中给予说明,其全部并入本文。有利地,相对于式(III)的聚合物,可以使用2摩尔当量的式(IV)的化合物。可以有利地采用超过2摩尔当量的量以确保式(I)的聚合物的完全封端。
流程1
[0037]然后将步骤a)的反应产物与含有C1连接的式(V)的异氰酸根合硅烷混合,如以下在流程2中所示,由此形成在两端含有脲连接的式(I)的聚合物。为确保完全封端,可以使用至少2当量的异氰酸根合硅烷。然而,有利地避免显著超过2当量的量,因为这有助于使可能残留的未反应异氰酸酯的存在减到最少。
流程2
[0038]因此,在另一方面,本发明还涉及通过式(II)的聚合物与式(V)的异氰酸酯的反应制备包括式(I)的聚合物的组合物的方法。所述方法包括使以下物质反应的步骤:
i.具有式(II)的聚合物:
式(II);与
ii.至少2当量的式(V)的化合物:
式(V)
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、a、b和n如上所述。
[0039]本发明另外包括上述用于制备包括式(I)的聚合物的组合物的方法的反应产物。
[0040]本发明还提供使用包括式(I)的聚合物的组合物的方法:
式(I)
所述方法包括以下步骤:
a)提供所述组合物;
b)将所述组合物施涂到基材上;
c)以及使所述组合物固化,
其中R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、a、b和n如上所述。
[0041]所述组合物可以例如用于密封或粘结基材,例如但不限于垫圈。在垫圈应用中,可以将所述湿气固化性组合物施涂到将会形成垫圈一部分的基材之一上,使其固化或至少部分固化,然后与另一基材接合以形成垫圈组件。上述垫圈应用包括例如现场成型的垫圈。例如,可以将所述组合物施涂到基材上并且经受固化条件。通过将组合物施涂到两个基材表面的至少一个上,以邻接关系将基材表面配对以形成组件,以及将该组合物暴露于湿气以实施固化,可以将该组合物用于使基材密封在一起。应当将基材以邻接关系保持足以实施固化的时间。
[0042]有利地,使用之前在经过密封以使向湿气暴露减到最少的容器中提供所述组合物。
实施例
合成实施例1-流体A
氨基丙基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷的合成
[0043]在2L反应烧瓶中装入1000g硅烷醇封端的聚二甲基硅氧烷(3500cps)。然后向该液体中加入氨基丙基三甲氧基硅烷(14.06g)。剧烈混合下将混合物加热至70℃,接着真空脱除挥发性组分直至混合物澄清为止。
合成实施例2-流体B
乙基氨基异丁基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷的合成
[0044]除了用乙基氨基异丁基三甲氧基硅烷(17.36g)代替氨基丙基三甲氧基硅烷以外,采用与实施例1中相同的过程。
合成实施例3-流体C
环己基氨基甲基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷的合成
[0045]除了用环己基氨基甲基三甲氧基硅烷(18.31g)代替氨基丙基三甲氧基硅烷以外,采用与实施例1中相同的过程。
合成实施例4-流体D
[0046]三甲氧基甲硅烷基甲基脲基丙基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷的合成
[0047]将500g合成实施例2中制备的流体B装入1L反应烧瓶中。向该流体中在剧烈混合下进一步加入6.32g异氰酸甲酯基三甲氧基硅烷,接着真空脱气。
合成实施例5-流体E
甲基二甲氧基甲硅烷基甲基脲基丙基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷的合成
[0048]除了用5.75g异氰酸甲酯基二甲氧基硅烷代替异氰酸甲酯基三甲氧基硅烷以外,采用与实施例4中相同的过程。
表1
制剂 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
基础聚合物 | 流体A | 流体B | 流体C | 流体D | 流体E |
基础量 | 76.75 | 76.75 | 76.75 | 76.75 | 76.75 |
热解法二氧化硅 | 23.02 | 23.02 | 23.02 | 23.02 | 23.02 |
催化剂 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | 0.23 | 0.23 |
[0050]表2示出制剂1-5的表干时间。如该表中所示,各制剂具有5分钟的最大表干时间,制剂3-5具有仅5秒的表干时间。
表2
制剂 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
表干时间 | 5分钟 | 5分钟 | 5秒 | 5秒 | 5秒 |
[0051]表3示出在室温下固化5天后固化的制剂1-5的各种物理特性。
表3
制剂 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
肖氏A | 28 | 38 | 44 | 49 | 44 |
抗张强度(psi) | 127 | 222 | 283 | 343 | 244 |
伸长率(%) | 124 | 161 | 231 | 112 | 96 |
模量50% | 53 | 89 | 96 | 168 | 140 |
模量100% | 99 | 145 | 139 | 272 | 232 |
[0052]表4示出固化的试样在85℃温度和85%湿度条件下进一步经受热和湿度14天之后制剂1-5的物理数据。可以看出,制剂4和5最耐热和湿度老化。
表4
制剂 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
肖氏A | 12 | 29 | 32 | 38 | 32 |
抗张强度(psi) | 80 | 205 | 117 | 224 | 158 |
伸长率(%) | 181 | 217 | 88 | 139 | 128 |
模量50% | 16 | 56 | 77 | 81 | 66 |
模量100% | 37 | 100 | - | 162 | 127 |
Claims (14)
2.权利要求1的组合物,
其中
R1和R8各自独立地选自H和C1-C4烷基;
R2和R6各自独立地是C1-C4烷基;
R3、R4和R5各自独立地选自甲基和苯基;和
R7是C1-C10亚烷基。
3.权利要求1的组合物,其进一步包含湿气固化催化剂。
4.权利要求3的组合物在暴露于湿气时的反应产物。
5.权利要求1的组合物,其进一步包含填料。
7.权利要求6的方法,其中所述式(IV)的化合物以至少2当量的量存在。
8.权利要求6的方法,其中所述式(V)的化合物以至少2当量的量存在。
12.使用包含式(I)的聚合物的组合物的方法:
式(I)
其中
R1和R8各自独立地选自H和C1-C10烃基;
R2、R3、R4、R5和R6各自独立地是C1-C10烃基;
R7在每次出现中可以相同或不同并且是C1-C10烃二基;
n是1-约1,200;
a是0、1或2;和
b是0或1,
所述方法包括以下步骤:
a)提供所述组合物;
b)将所述组合物施涂到基材上;
c)以及使所述组合物固化。
13.权利要求12的方法,其中所述组合物进一步包含湿气固化催化剂。
14.权利要求12的方法,其中步骤a)包括在密封容器中提供所述组合物。
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