CN102796264B

CN102796264B - 有机硅大分子改性剂及其制备方法与在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用

Info

Publication number: CN102796264B
Application number: CN201210263072.6A
Authority: CN
Inventors: 童真; 郭鹏; 任碧野; 刘新星
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102796264A

Abstract

本发明涉及有机硅大分子改性剂及其制备方法与在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用。制备方法以甲苯为溶剂，以含氢聚硅氧烷、含乙烯基的不饱和硅氧烷为原料，以铂金络合物为催化剂，采用硅氢加成反应合成大分子有机硅改性剂；所制备的大分子有机硅改性剂对氢氧化物阻燃剂具有良好的改性效果，在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用能有效地提高氢氧化物表面的疏水性。改性后的氢氧化物粉末与水的接触角可达120°以上，与有机硅材料具有很好的相容性，可以改善使用该氢氧化物阻燃剂填充的有机硅材料的力学性能。本发明所使用的原料易得，合成工艺简单，改性方法方便，适应性广，改性效果优于一般硅烷偶联剂。

Description

有机硅大分子改性剂及其制备方法与在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用

技术领域

本发明涉及有机硅材料技术领域，具体涉及有机硅大分子改性剂及其制备方法与在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用。

背景技术

无机氢氧化物作为高聚物阻燃剂具有抑烟阻燃、填充、补强三重效果，且无毒，燃烧时不产生腐蚀性气体，无二次污染；原料来源广泛，价格低廉。但是，氢氧化物粒子是一类极性很强的无机化合物，粒子表面带有电荷，具有亲水性；颗粒比表面积很大，表面能高，易于二次聚集；与有机硅材料的相容性差，难以形成良好的界面结合。同时，氢氧化物粒子与有机硅材料的界面容易产生空隙，造成界面缺陷，导致复合材料的性能下降。特别是大量填充会使有机硅材料的力学性能急剧降低，以至于制品无法使用。因此，需要对氢氧化物粒子进行表面改性，在一定程度上提高疏水性，改善与有机硅材料的结合力和相容性。

为了解决这一问题，人们常常对氢氧化物粒子表面进行改性，常用的改性剂为硅烷偶联剂、硬脂酸、钛酸酯等小分子改性剂。虽然小分子改性剂可以改善氢氧化物粒子与有机硅材料的界面相容性，但是由于小分子的分子链很短，只能改变氢氧化物粒子的表面性质，对氢氧化物粒子与有机硅材料之间的界面结合力改善效果不大，改性效果常常很有限。采用共聚或接枝大分子偶联剂不仅可以改善氢氧化物粒子与高分子复合材料界面相容性，而且可以提高氢氧化物粒子与聚合物之间的界面结合力，更好地提高无机纳米粒子对聚合物的补强作用。

我们采用硅氢加成反应将含有烷氧基的硅烷接枝到大分子有机硅的长链上，得到具有良好反应活性的大分子表面改性剂。这种大分子表面改性剂不仅可以改善氢氧化物粒子的表面性质，提高粒子与有机硅材料的界面相容性。而且由于大分子表面改性剂的分子链较长，有机硅长链与有机硅材料的分子链可以发生缠结等物理结合，增加粒子与有机硅材料之间的作用力，更好地改善了复合材料的力学性能。

发明内容

鉴于现有小分子表面改性剂对氢氧化物粒子改性的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种应用于有机硅材料的有机硅大分子改性剂改性剂及其制备方法，以及其在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用（即应用其对氢氧化物粒子进行改性）。，具体技术方案如下。

一种用于氢氧化物阻燃剂表面处理的有机硅大分子改性剂，其具有下面的化学结构通式：

其中，n是50至150的整数，m是0至500的整数，R为饱和脂肪烃基团。

上述有机硅大分子改性剂的制备方法是：

a、在催化剂存在下，含氢聚硅氧烷与过量的含乙烯基的不饱和硅氧烷在惰性溶剂中发生硅氢加成反应，得到粗产品；

b、除去过量的含乙烯基的不饱和硅氧烷，得到有机硅大分子改性剂（所得有机硅大分子改性剂的氢核磁谱图见附图1）。

进一步的，所述的含氢聚硅氧烷为聚甲基氢硅氧烷（PMHS），分子量为1000-50000，含氢量为0.1-1.5wt%；所用催化剂为铂类催化剂，其用量为反应物总质量的20-500 ppm；所采用的惰性溶剂不参加反应，且满足在反应条件下能保留在反应体系中，在反应后能通过蒸馏或减压蒸馏除去。

进一步的，所述惰性溶剂选自脂肪烃、芳香烃或二氧六环；所述铂类催化剂包括氯铂酸（H₂PtCl₆）、亚氯铂酸（H₂PtCl₄）或Karstedt催化剂。

在所述大分子有机硅改性剂的制备方法的步骤a中，所述含乙烯基不饱和硅氧烷选自乙烯基三乙氧基硅烷，结构符合以下通式：

其中R为CH₃或CH₂CH₃。

在所述大分子有机硅改性剂的制备方法的步骤a中，所采用的溶剂对反应呈惰性，不参加反应，并具有适当的沸点，使得所述溶剂在反应条件下保留在反应体系中且易于在反应后除去。在步骤b中采用一定的技术手段除去惰性溶剂，优选减压蒸馏方法。当在惰性气氛中进行时，所述惰性气氛包括但不限于氮气、氦气、氩气等，优选氮气。

一般地，在合成装置中形成惰性气氛5-30分钟后加入催化剂。所用催化剂为铂类催化剂，浓度为20-500 ppm。

在所述大分子有机硅改性剂的制备方法的步骤a中，所使用的原料的投料比为：含乙烯基的不饱和硅氧烷与Si-H基团的摩尔比为1.0-2.0。

在所述大分子有机硅改性剂的制备方法的步骤a中，反应温度为80-150℃，优选120-130℃，反应时间2-24小时。

在所述大分子有机硅改性剂的制备方法的步骤b中，可通过蒸馏、减压蒸馏等方法除去过量的不饱和硅氧烷及溶剂，优选减压蒸馏。同时，用甲醇洗涤1-10次，得到大分子有机硅改性剂。

所述有机硅大分子改性剂在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用，包括：

a、将所述大分子有机硅改性剂加入到酸性的水和乙醇的混合溶剂中，搅拌均匀后水解；

b、将水解后得到的改性剂溶液与氢氧化物阻燃剂浆液混合均匀，超声分散，于50-120℃下充分搅拌反应1-6h，抽滤、干燥、粉碎得到改性氢氧化物阻燃剂粉末。

按照本发明，在所述应用的步骤a中，混合溶剂中水与乙醇质量比为0.1-0.9；混合溶剂pH值为3-5；所用调节pH值的酸包括但不限于盐酸、醋酸、草酸；水解时间为0.5-3h。

在所述应用的步骤a中，大分子有机硅改性剂的质量浓度为10-30%。

在所述应用的方法步骤b中，氢氧化物粒子包括但不限于氢氧化铝。

在所述应用的步骤b中，大分子改性剂质量为氢氧化物质量的0.2-5%，反应温度为60-120 ℃，反应1-6h，抽滤并用乙醇洗涤滤饼3-5次，在60-120℃下干燥12-24h，粉碎得到改性氢氧化物粉末。

上述大分子改性剂在有机硅材料中氢氧化物阻燃剂粉体表面疏水改性的应用。

本发明与现有材料和技术相比具有如下优点和技术效果：

1、本发明合成条件简单，不需要特殊设备，反应可控，原料易得，成本低，产率高，易于推广应用。

2、本发明所制备的大分子有机硅改性剂（¹H-NMR谱见附图1）对氢氧化铝的改性效果较一般小分子硅烷偶联剂好，改性后的氢氧化铝粒子与水的接触角可达120°以上（接触角测试见附图2）。

附图说明

图1为有机硅大分子改性剂的¹H-NMR图谱。

图2为有机硅大分子改性剂改性后氢氧化铝与水的接触角（130°）图。

图3为硅烷偶联剂A-151改性后氢氧化铝与水的接触角（118°）图。

图4为未改性的氢氧化铝与水的接触角（0°）图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，应理解，以下内容仅用于说明本发明的较优实例而不用于限制本发明的保护范围。

实施例1

首先，将17.1g乙烯基三乙氧基硅烷、0.01g铂金催化剂和50mL甲苯加入200mL四口烧瓶中，在氮气保护下加热到130 ℃。然后用恒压滴液漏斗将30g含氢质量分数为0.3%的含氢聚硅氧烷缓慢地滴加到混合溶液中，搅拌反应12h。待反应完全后，减压蒸馏出甲苯和未反应的乙烯基三乙氧基硅烷，得到透明的产物。用甲醇洗涤5次，除去上层清液，旋蒸出甲醇，得到提纯后的大分子有机硅改性剂，图1为有机硅大分子改性剂的¹H-NMR图谱。

将40g氢氧化铝分散到200mL无水乙醇和水的混合溶液中（无水乙醇与水的质量比为9：1），超声分散1h，加入2g在pH = 3下水解过1h的大分子有机硅改性剂，在80℃下反应6h。抽滤，用乙醇洗涤滤饼，在100℃下真空干燥24h，将干燥后的滤饼粉碎过筛，得到改性的氢氧化铝。将改性后的氢氧化铝加入到100份乙烯基摩尔质量分数为0.16%的硅橡胶中，同时加入40份疏水白炭黑，以含氢质量分数为1.0%的含氢硅油为交联剂，在Karstedt催化剂作用下硫化，可制得拉伸强度为5.55MPa、撕裂强度为26.5kN/m、断裂伸长率为280%、邵氏硬度为48、氧指数为31.8%的阻燃硅橡胶。有机硅大分子改性剂改性后氢氧化铝与水的接触角（130°）如图2所示，而未改性的氢氧化铝与水的接触角（0°）如图4所示。

采用如上述实施例相同特征，以现在常用的硅烷偶联剂A-151作为改性剂时，相同配方所得到的硅橡胶中的拉伸强度为5.31MPa、撕裂强度为26.1kN/m、断裂伸长率为230%、邵氏硬度为48、氧指数为31.3%。硅烷偶联剂A-151改性后氢氧化铝与水的接触角（118°）如图3所示。

实施例2

本实施例除下述特征外同实施例1：将60g氢氧化铝分散到300mL无水乙醇和水的混合溶液中，加入3g在pH = 3下水解1h后的大分子有机硅改性剂，反应后得到改性的氢氧化铝。将改性后的氢氧化铝加入到硅橡胶中可制得拉伸强度为5.04MPa、撕裂强度为24.2kN/m、断裂伸长率为250%、邵氏硬度为51、氧指数为35.3%的阻燃硅橡胶。

采用如上述实施例相同特征，以现在常用的硅烷偶联剂A-151作为改性剂时，相同配方所得到的硅橡胶中的拉伸强度为4.83MPa、撕裂强度为23.3kN/m、断裂伸长率为220%、邵氏硬度为51、氧指数为35.0%。

实施例3

本实施例除下述特征外同实施例1：将80g氢氧化铝分散到400mL无水乙醇和水的混合溶液中，加入4g在pH = 3下水解1h后的大分子有机硅改性剂，反应后得到改性的氢氧化铝。将改性后的氢氧化铝加入到硅橡胶中可制得拉伸强度为4.91MPa、撕裂强度为21.7kN/m、断裂伸长率为240%、邵氏硬度为55、氧指数为37.5%的阻燃硅橡胶。

采用如上述实施例相同特征，以现在常用的硅烷偶联剂A-151作为改性剂时，相同配方所得到的硅橡胶的拉伸强度为4.58MPa、撕裂强度为21.6kN/m、断裂伸长率为200%、邵氏硬度为55、氧指数为37.3 %。

从上述数个实施例的结果可以看出，本发明所得到的大分子有机硅改性剂在用量相同的情况下，改性效果要好于目前常用的硅烷偶联剂A-151。本发明所制备的大分子有机硅改性剂（¹H-NMR谱见附图1）对氢氧化铝的改性效果较一般小分子硅烷偶联剂好，改性后的氢氧化铝粒子与水的接触角可达120°以上（接触角测试见附图2）。

上述数个实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于氢氧化物阻燃剂表面处理的有机硅大分子改性剂的制备方法，所述有机硅大分子改性剂具有下面的化学结构通式：

其中，n是50至150的整数，m是0至500的整数，R为饱和脂肪烃基团；

其特征在于制备方法如下：在催化剂存在下，含氢聚硅氧烷与过量的含乙烯基的不饱和硅氧烷在惰性溶剂中发生硅氢加成反应，得到粗产品；通过蒸馏或减压蒸馏方法除去过量的不饱和硅氧烷及溶剂，同时用甲醇洗涤1-10次，得到有机硅大分子改性剂；所述反应的温度为80-150℃，反应时间为2-24小时；所述的含氢聚硅氧烷为聚甲基氢硅氧烷（PMHS），分子量为1000-50000，含氢量为0.1-1.5wt%；所用催化剂为铂类催化剂，其用量为反应物总质量的20-500 ppm；所采用的惰性溶剂不参加反应，且满足在反应条件下能保留在反应体系中，在反应后能通过蒸馏或减压蒸馏除去；其中含乙烯基的不饱和硅氧烷与Si-H基团的摩尔比为1.0-2.0。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述惰性溶剂选自脂肪烃、芳香烃或二氧六环；所述铂类催化剂包括氯铂酸（H₂PtCl₆）、亚氯铂酸（H₂PtCl₄）或Karstedt催化剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述含乙烯基的不饱和硅氧烷的结构通式为：

其中，R为CH₃或CH₂CH₃。

4.权利要求1所述有机硅大分子改性剂在氢氧化物阻燃剂表面处理中的应用，其特征在于将所述大分子有机硅改性剂加入到酸性的水和乙醇的混合溶剂中，搅拌均匀后水解，将水解后得到的改性剂溶液与氢氧化物阻燃剂浆液混合均匀，超声分散，于50-120℃下充分搅拌反应1-6h，抽滤、干燥、粉碎得到改性氢氧化物阻燃剂粉末；所述混合溶剂中水与乙醇质量比为0.1-0.9；混合溶剂pH值为3-5；pH值采用盐酸、醋酸或草酸调节；水解时间为0.5-3h；在改性剂溶液中有机硅大分子改性剂的质量浓度为10-30%；所述氢氧化物阻燃剂包括氢氧化铝或氢氧化镁；有机硅大分子改性剂质量为氢氧化物阻燃剂质量的0.5-5%，反应温度为60-120℃，抽滤并用乙醇洗涤滤饼1-10次，在80-120℃下真空干燥12-24h，粉碎得到改性氢氧化物粉末。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述氢氧化物阻燃剂浆液由氢氧化铝或氢氧化镁分散于水、乙醇或水和乙醇的混合物中制得。