CN109054057A - 一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，属于高分子材料技术领域。本发明通过对酚羟基苯甲醛烷基化改性制备醇羟基苯甲醛，再与异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、扩链剂反应，得到苯甲醛改性聚氨酯，然后与多元脂肪胺进行醛胺缩合反应，制备具有动态交联网络结构的基于席夫碱的自修复聚氨酯。本发明得到的基于席夫碱的自修复聚氨酯不仅具有优异的成膜性，而且无需光、热、pH等外界刺激在室温下即能进行多次自修复，修复效率高、修复后力学性能优良。

Description

一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法。
背景技术
聚氨酯材料因分子结构可裁剪、性能易于调控、环境友好性强、力学性能和加工性能优异，被广泛用于纺织品、涂料、胶黏剂、弹性体、皮革等领域中。但是，聚氨酯材料在加工和使用过程中容易受到外界因素的综合破坏，内部会产生微裂纹，最终导致材料力学性能降低、使用寿命缩短。将自修复功能引入聚氨酯材料，使得材料能够自动修复损伤，避免其受到进一步破坏，有利于延长材料使用寿命并提高其安全性。自修复聚氨酯材料在传感器、可穿戴电子设备、电子皮肤等高端领域具有巨大的发展前景和应用价值，已成为高分子智能化研究的热点之一。
但是自修复聚氨酯材料主要是将可逆动态共价键（Diels- Alder键、酰腙键、二硫键、香豆素或蒽等）以及可逆非共价键（氢键、金属配体、静电作用等）引入聚氨酯材料来实现自修复。但是这些自修复聚氨酯通常是利用加热（>100℃）、紫外光辐射、酸碱条件变化等外界刺激或氢键等非共价键作用形成可逆交联网状结构达到自修复的目的。因此这些聚氨酯材料的性能、自修复行为及应用都受到环境条件的限制和影响，而且普遍存在修复条件苛刻、修复后力学性能不佳等一系列问题。中国发明专利CN104356338B报道了一种无须外界刺激和特定环境要求即可多次重复自修复的聚氨酯涂层，具有透明性好、强度高、成膜性好、工艺简单等优点。席夫碱可逆共价键反应条件温和、反应率高，而将其应用到自修复聚氨酯中还未见报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，通过酚羟基苯甲醛烷基化改性制备醇羟基苯甲醛，并将其以共价键合的方式引入聚氨酯链中，再加入多元脂肪胺，通过醛胺缩合反应制备基于席夫碱可逆共价键的自修复聚氨酯，以开发在室温条件下即能实现自修复并兼顾自修复效率、循环次数及力学性能的聚氨酯体系。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，包括以下步骤：
S1、将酚羟基苯甲醛和碳酸钾溶于丙酮中，逐滴滴加卤代醇，于60-80℃下回流反应6-12h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到醇羟基苯甲醛；
S2、将异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、扩链剂和催化剂加入反应体系，升温至65-85℃反应2-4h；将步骤S1中得到的醇羟基苯甲醛溶于四氢呋喃中，并逐滴加入反应体系中，于65-85℃反应2-4h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯；
其中：异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体的物质的量分数为36-50%、扩链剂的物质的量分数9-25%和醇羟基苯甲醛的物质的量分数为25-55%，催化剂的用量为上述组分质量总和的0.01-0.1%；
S3、将步骤S2中得到的苯甲醛改性聚氨酯溶于四氢呋喃中，在向其中加入多元脂肪胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应12-24h，得到具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯；
其中：苯甲醛改性聚氨酯的物质的量分数为30-60%，多元脂肪胺的物质的量分数为40-70%。
进一步的，所述步骤S1中，酚羟基苯甲醛为2,4-二羟基苯甲醛、3,5-二羟基苯甲醛、2,6-二羟基苯甲醛、3-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲醛中的任意一种。
进一步的，所述步骤S1中，卤代醇为2-溴乙醇、3-溴丙醇、2-氯乙醇、3-氯丙醇中的任意一种。
进一步的，所述步骤S1中，酚羟基苯甲醛、卤代醇和碳酸钾的摩尔比为1：(3~4)：(3~4.5)，酚羟基苯甲醛在丙酮溶液中的浓度为0.1~0.3mol/L。
进一步的，所述步骤S1中，采用二氯甲烷提纯3次。
进一步的，所述步骤S2中，扩链剂为N-甲基二乙醇胺、2,2-二羟甲基丙酸、1,4-丁二醇中的任意一种；所述步骤S2中催化剂为二月桂酸二丁基锡。
进一步的，所述步骤S2中，将步骤S1中得到的醇羟基苯甲醛溶于20-50ml四氢呋喃中。
进一步的，所述步骤S2中，采用油浴升温至65-85℃。
进一步的，所述步骤S3中，多元脂肪胺为乙二胺、四亚甲基二胺、二乙烯三胺、N,N-双(3-氨丙基)甲胺、壳聚糖中的任意一种。
进一步的，所述步骤S3中，将步骤S2中得到的苯甲醛改性聚氨酯溶于20-50ml四氢呋喃中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对酚羟基苯甲醛烷基化改性制备醇羟基苯甲醛，再与异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、扩链剂反应，得到苯甲醛改性聚氨酯，然后与多元脂肪胺进行醛胺缩合反应，制备具有动态交联网络结构的基于席夫碱的自修复聚氨酯。基于席夫碱的自修复聚氨酯不仅具有优异的成膜性，而且无需光、热、pH等外界刺激在室温下即能进行多次自修复，修复效率高、修复后力学性能优良。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
将0.01mol 2,4-二羟基苯甲醛和0.03mol碳酸钾溶于100ml丙酮中，逐滴加入0.03mol2-溴乙醇，于80℃下回流反应10h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯3次，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到2,4-二羟乙氧基苯甲醛。
将0.01mol异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、0.005mol N-甲基二乙醇胺扩链剂和质量分数0.02%二月桂酸二丁基锡催化剂加入反应体系，油浴升温至70℃反应2h；物质的量分数0.005mol 2,4-二羟乙氧基苯甲醛溶于20ml四氢呋喃中，逐滴加入反应体系中，于70℃反应4h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯。
将0.01mol苯甲醛改性聚氨酯溶于50ml四氢呋喃，加入0.01mol乙二胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应24h，制备具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯。
实施例2
将0.01mol 4-羟基苯甲醛和0.03mol碳酸钾溶于100mL丙酮中，逐滴加入0.03mol 3-氯丙醇，于70℃下回流反应8h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯3次，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到4-羟丙氧基苯甲醛。
将0.01mol异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、0.005mol 2,2-二羟甲基丙酸扩链剂和质量分数0.02%二月桂酸二丁基锡催化剂加入反应体系，油浴升温至75℃反应2h；物质的量分数0.01mol 4-羟丙氧基苯甲醛溶于20ml四氢呋喃中，逐滴加入反应体系中，于75℃反应4h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯。
将0.01mol苯甲醛改性聚氨酯溶于30ml四氢呋喃，加入0.01mol二乙烯三胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应24h，制备具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯。
实施例3
将0.01mol 3,5-二羟基苯甲醛和0.04mol碳酸钾溶于100ml丙酮中，逐滴滴加0.035mol3-溴丙醇，于60℃下回流反应6h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯3次，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到3,5-二羟丙氧基苯甲醛；
将0.036mol异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、0.009mol1,4-丁二醇扩链剂和二月桂酸二丁基锡催化剂加入反应体系，油浴升温至65℃反应2h；取上述步骤中得到的3,5-二羟丙氧基苯甲醛0.055mol溶于20ml四氢呋喃中，并逐滴加入反应体系中，于65℃反应2h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯；
其中：异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体的物质的量分数为36%、扩链剂的物质的量分数9%和3,5-二羟丙氧基苯甲醛的物质的量分数为55%，催化剂的用量为上述组分质量总和的0.01%；
取上述步骤中得到的苯甲醛改性聚氨酯0.03mol溶于40ml四氢呋喃中，在向其中加入0.07mol四亚甲基二胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应12h，得到具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯。
实施例4
将0.02mol 2,6-二羟基苯甲醛和0.09mol碳酸钾溶于100ml丙酮中，逐滴滴加0.08mol2-溴乙醇，于70℃下回流反应8h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯3次，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到2,6-二羟乙氧基苯甲醛；
将0.05mol异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、0.025molN-甲基二乙醇胺扩链剂和催化剂二月桂酸二丁基锡加入反应体系，油浴升温至75℃反应3h；取上述步骤中得到的2,6-二羟乙氧基苯甲醛0.025mol溶于30ml四氢呋喃中，并逐滴加入反应体系中，于75℃反应3h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯；
其中：异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体的物质的量分数为50%、扩链剂的物质的量分数25%和2,6-二羟乙氧基苯甲醛的物质的量分数为25%，催化剂的用量为上述组分质量总和的0.05%；
取上述步骤中得到的苯甲醛改性聚氨酯0.06mol溶于50ml四氢呋喃中，在向其中加0.04molN,N-双(3-氨丙基)甲胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应18h，得到具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯。
实施例5
将0.03mol 3-羟基苯甲醛和0.09mol碳酸钾溶于100ml丙酮中，逐滴滴加0.09mol2-氯乙醇，于80℃下回流反应12h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯3次，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到3-羟乙氧基苯甲醛；
将0.04mol异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、0.02mol2 2-二羟甲基丙酸扩链剂和催化剂二月桂酸二丁基锡加入反应体系，油浴升温至85℃反应4h；取上述步骤中得到的3-羟乙氧基苯甲醛0.04mol溶于20-50ml四氢呋喃中，并逐滴加入反应体系中，于85℃反应4h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯；
其中：异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体的物质的量分数为40%、扩链剂的物质的量分数20%和3-羟乙氧基苯甲醛的物质的量分数为40%，催化剂的用量为上述组分质量总和的0.1%；
取上述步骤中得到的苯甲醛改性聚氨酯0.05mol溶于20ml四氢呋喃中，在向其中加入0.05mol壳聚糖，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应24h，得到具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将酚羟基苯甲醛和碳酸钾溶于丙酮中，逐滴滴加卤代醇，于60-80℃下回流反应6-12h；反应结束后加水稀释，并用二氯甲烷提纯，取二氯甲烷层，减压蒸馏除去二氯甲烷，得到醇羟基苯甲醛；
S2、将异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体、扩链剂和催化剂加入反应体系，升温至65-85℃反应2-4h；将步骤S1中得到的醇羟基苯甲醛溶于四氢呋喃中，并逐滴加入反应体系中，于65-85℃反应2-4h，减压蒸馏除去四氢呋喃，得到苯甲醛改性聚氨酯；
其中：异氰酸酯基封端的聚氨酯预聚体的物质的量分数为36-50%、扩链剂的物质的量分数9-25%和醇羟基苯甲醛的物质的量分数为25-55%，催化剂的用量为上述组分质量总和的0.01-0.1%；
S3、将步骤S2中得到的苯甲醛改性聚氨酯溶于四氢呋喃中，在向其中加入多元脂肪胺，混合均匀后倒入聚四氟乙烯模具，室温反应12-24h，得到具有动态交联网络结构的基于席夫碱室温自修复聚氨酯；
其中：苯甲醛改性聚氨酯的物质的量分数为30-60%，多元脂肪胺的物质的量分数为40-70%。
2.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，酚羟基苯甲醛为2,4-二羟基苯甲醛、3,5-二羟基苯甲醛、2,6-二羟基苯甲醛、3-羟基苯甲醛、4-羟基苯甲醛中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，卤代醇为2-溴乙醇、3-溴丙醇、2-氯乙醇、3-氯丙醇中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，酚羟基苯甲醛、卤代醇和碳酸钾的摩尔比为1：(3~4)：(3~4.5)，酚羟基苯甲醛在丙酮溶液中的浓度为0.1~0.3mol/L。
5.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，采用二氯甲烷提纯3次。
6.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，扩链剂为N-甲基二乙醇胺、2,2-二羟甲基丙酸、1,4-丁二醇中的任意一种；所述步骤S2中催化剂为二月桂酸二丁基锡。
7.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，将步骤S1中得到的醇羟基苯甲醛溶于20-50ml四氢呋喃中。
8.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，采用油浴升温至65-85℃。
9.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，多元脂肪胺为乙二胺、四亚甲基二胺、二乙烯三胺、N,N-双(3-氨丙基)甲胺、壳聚糖中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的基于席夫碱室温自修复聚氨酯的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，将步骤S2中得到的苯甲醛改性聚氨酯溶于20-50ml四氢呋喃中。
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