CN116120558B - 一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法,以及一种固体改性硅氧烷高聚物。本发明通过优化合成方法,采用完全不含有机溶剂条件下的特定单元单体共聚得到液态聚硅氧烷,然后交联固化形成硅氧烷高聚物,可以有效解决合成过程中的有机溶剂污染、金属催化剂残留、聚合物分子量精确控制、重复性生产等一系列问题,满足广泛的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及有机硅聚合材料领域,特别涉及一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法,以及一种固体改性硅氧烷高聚物。
背景技术
聚硅氧烷由硅氧单体聚合而成。由于特殊的分子结构,聚硅氧烷具有一些优异的物理及化学性能,比如优异的耐热性、耐辐射性、耐高温性、耐氧化性、高透光性、高透气性等,广泛应用于电工电子、建筑、日用品、化妆品、纺织等领域。
在合成聚硅氧烷的过程中,往往会使用大量有机溶剂,例如甲苯、庚烷、辛烷、环己烷等。这些溶剂的使用一方面给环境带来巨大的污染,严重威胁着人类的生存与健康,另一方面有机杂质的存在又会影响到聚硅氧烷在产品中的应用,需要对反应生成物进行复杂的后处理纯化,资源消耗较大。在环保问题被越来越重视的今天,开发无溶剂型聚硅氧烷合成路线无疑具有良好的市场前景。
本发明通过优化合成方法,使用完全无溶剂反应体系,避免了有机废液的产生和有机杂质的引入,非常有利于环保和降低成本。
发明内容
在本发明的第一方面,提供一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法,合成过程不使用有机溶剂,包含以下步骤:
预混:将100质量份的硅氧烷低聚物,1~20质量份可交联硅烷偶联剂单体,0.1~5质量份酸性催化剂,1~10质量份反应控制剂,混合均匀;
反应:将预混后的混合物加热至反应温度反应一定时间,反应结束后;蒸馏除去低沸物,即得到可交联改性聚硅氧烷。
进一步地,所述硅氧烷低聚物为羟基封端硅氧烷低聚物、甲氧基封端硅氧烷低聚物中的一种或多种。
进一步地,所述硅氧烷低聚物为二羟基封端甲基苯基硅氧烷低聚物、二甲氧基封端甲基苯基硅氧烷低聚物、二羟基封端甲基硅氧烷低聚物、二甲氧基封端甲基硅氧烷中的一种或多种。
进一步地,所述可交联硅烷偶联剂单体为氨基硅烷偶联剂单体、巯基硅烷偶联剂单体、异氰酸酯基硅烷偶联剂单体、哌嗪基硅烷偶联剂单体、乙烯基硅烷偶联剂单体、环氧硅烷偶联剂单体、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂单体、丙烯酰氧基硅烷偶联剂单体中的一种或多种。
进一步地,所述酸性催化剂为硫酸、苯磺酸、甲基磺酸、三氟甲磺酸、氟磺酸中的一种或多种。
进一步地,所述酸性催化剂为苯磺酸、甲基磺酸、三氟甲磺酸、氟磺酸中的一种或多种。
进一步地,所述反应控制剂为水和/或醋酸。
进一步地,反应温度为40~80℃,反应时间为1~10h。
进一步地,反应温度为50~60℃,反应时间为2~5h。
进一步地,所述蒸馏的真空度低于10mbar。
为了得到纯度更高的可交联改性聚硅氧烷,可以采用更低的真空度减压蒸馏、萃取、碱性物质中和酸性催化剂等本领域已知的技术手段对上述方法获得的产品进行纯化。必要时,也可以使用少量溶剂,如乙醇、正庚烷、甲苯等,提高纯化效率。碱性物质可以选用碳酸钠,碳酸氢钠,碳酸钙等本领域常用物质。
在本发明的第二方面,提供一种可交联改性聚硅氧烷,采用上述无溶剂方法合成;主链为硅氧烷,侧链含有至少一种可交联官能团,其结构可如下图所示
其中,
R1为氢、烷基、烷氧基、芳香基中的一种或多种;
R2为可交联官能团,选自乙烯基、氨基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基、环氧基、异氰酸酯基、哌嗪基中的一种或多种;
R3为氢、羟基、甲氧基中的一种或多种;
n=1~100,000的正整数,m=1~10,000的正整数。
进一步地,所述可交联官能团含量为聚硅氧烷总体质量的0.1%~20%。
进一步地,所述聚硅氧烷的分子量Mn=1000~100,000,粘度为500~50,000cPs。
进一步地,所述聚硅氧烷结构可以是链状、网状、三维立体结构。
在本发明的第三方面,提供一种固体改性硅氧烷高聚物,由上述可交联改性聚硅氧烷在光和/或热作用下,在引发剂的引发下通过交联固化反应得到。
进一步地,所述光作用为UV光照射。
进一步地,所述热作用为加热可交联改性聚硅氧烷至40℃~80℃。温度越高交联固化反应速度越快。
进一步地,所述引发剂为阳离子引发剂,选自硫鎓盐类、芳基重氮盐类、二芳基卤鎓盐类、三芳基卤鎓盐类中的至少一种。
进一步地,所述引发剂为自由基引发剂,选自184(CAS号947-19-3)、ITX(CAS号5495-84-1或者83846-86-0)、819(CAS号162881-26-7)、1173(CAS号7473-98-5)、BDK(CAS号24650-42-8)、BP(CAS号119-61-9)、TPO(CAS号75980–60–8)、369(CAS号119313-12-1)、907(CAS号71868-10-5)中的至少一种。可在UV光照射下,添加自由基引发剂使聚硅氧烷发生交联固化得到硅氧烷高聚物。在电子束照射下,不添加自由基引发剂,依然能使聚硅氧烷发生交联固化得到硅氧烷高聚物。
进一步地,所述热作用下的引发剂选自偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)、偶氮二异丁脒盐酸盐(AIBA)、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(AIBI)、过苯甲酸叔丁酯(TBPB)、过乙酸叔丁基酯、3,3-二(叔戊基过氧)丁酸乙酯中的至少一种。
进一步地,所述引发剂的添加量为可交联改性聚硅氧烷质量的0.05%~1%。
本发明使用完全无溶剂反应体系,避免了有机废液的产生和有机杂质的引入,有利于环保和降低成本。
本发明采用酸性催化剂,避免了金属催化剂的残留。
本发明优化合成方法,通过反应控制剂的加入量来控制聚合物的分子量,控制剂耗尽,反应即终止,相比于现有技术减少了反应过程中发生暴聚的可能性,同时对产品分子量的精度控制有了本质性的提高,为产品的可重复性生产提供了保障。
本发明通过优化合成方法,对硅氧烷低聚物和可交联硅烷偶联剂进行预混合,相比于现有技术,混合更充分,产品中的可交联官能团分布更加均匀。预混有利于提升聚硅氧烷产品在后续生成硅氧烷高聚物应用中的固化效果,使固化后的材料结构均匀性更好,可加工性能也得到提高,满足广泛的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例2样品的HNMR图谱。
具体实施方式
术语
在本发明中,所用的下述术语具有如下所定义的含义。
共聚:
共聚是含硅单元单体中,硅羟基之间、硅烷氧基之间、硅羟基和硅烷氧基之间的聚合反应。
交联:
交联是指聚硅氧烷中单元单体侧链上的活性基团发生聚合反应,所述侧链是指除硅羟基与硅烷氧基以外的与硅原子共价连接的结构。在本文中,交联有时也称为交联固化或者固化,即在热催化或辐照催化条件下发生,例如向聚硅氧烷中加入光引发剂,以通过辐照引起聚合反应。
可交联官能团:
形成聚硅氧烷的单体单元侧链上有活性基团可参与交联反应,所述侧链是指除硅羟基和硅烷氧基以外的与硅原子共价连接的结构。
烷基:
是指具有指定碳原子数的支链或直链的饱和脂族烃基。例如,“C1-C3烷基”表示具有1个至3个碳原子的烷基。烷基的实例包括但不限于甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(例如正丙基和异丙基)、丁基(例如正丁基、异丁基、叔丁基)和戊基(例如正戊基、异戊基、新戊基)。
聚硅氧烷:
含硅氧烷单元单体通过共聚得到的液态物质称为聚硅氧烷。在本文中,聚硅氧烷有时也称为液态聚硅氧烷、可交联改性聚硅氧烷。
硅氧烷高聚物:
聚硅氧烷通过交联固化后形成的固态物质,称为硅氧烷高聚物。在本文中,硅氧烷高聚物有时也称为固态硅氧烷高聚物、固体改性硅氧烷高聚物。
本发明提供了一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法,以及一种固体改性硅氧烷高聚物。通过优化合成方法,采用完全不含有机溶剂条件下的特定单元单体共聚得到液态聚硅氧烷,然后交联固化形成网状结构的硅氧烷高聚物,可以有效地解决合成过程中的有机溶剂污染、金属催化剂残留、聚合物分子量的精确控制、重复性生产等一系列问题。
为了更好地说明本发明技术方案,现提供以下具体实施例。
对比例1现有合成方法制备可交联改性聚硅氧烷对比样品
向2000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷和1000ml甲苯。三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。瓶中溶液加热至回流持续30分钟,当分水器中出现少量水的时候,添加催化剂辛酸亚锡溶液(1.3g溶于100毫升甲苯)。然后滴加30g丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷,大约5分钟。缩合反应大约需要5小时,在此之后立刻加入30毫升三甲基甲氧基硅烷作为反应的终止剂。终止反应持续2小时,然后迅速冷却至室温。将反应液倒入2000ml圆底烧瓶,并在70摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到可交联改性聚硅氧烷即对比样品,产量为520g。
实施例1无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品1
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,30g丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度下,10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品1,产量为524g,分子量Mw=43000,粘度11000cPs。
实施例2无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品2
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基聚硅氧烷,60g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入三氟甲磺酸0.6g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、5mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品2,产量为545g,分子量Mw=45000,粘度7900cPs。
实施例3无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品3
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,100g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入苯磺酸0.9g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品3,产量为590g,分子量Mw=44000,粘度11300cPs。
实施例4无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品4
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,10g甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷,10g3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品4,产量为501g,分子量Mw=51000,粘度13000cPs。
实施例5无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品5
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基聚硅氧烷,40g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入醋酸70g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品5,产量为532g,分子量Mw=42000,粘度7800cPs。
实施例6无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品6
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,40g3-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入醋酸60g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品6,产量为534g,分子量Mw=35000,粘度10300cPs。
实施例7无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品7
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基聚硅氧烷,40g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入醋酸50g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品7,产量为532g,分子量Mw=29000,粘度9500cPs。
实施例8无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品8
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基聚硅氧烷,40g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷,加入甲基磺酸0.6g,加入醋酸80g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h。为了中和产物中的微量酸性催化剂,在圆底烧瓶中加入100ml乙醇,10g碳酸钙,充分搅拌后,过滤,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在70摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品8,产量为530g,分子量Mw=53000,粘度13200cPs。
实施例9无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品9
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,100g乙烯基甲基二甲氧基硅烷,加入苯磺酸0.9g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶。为了中和产物中的微量酸性催化剂,在圆底烧瓶中加入100ml乙醇,10g碳酸钠,充分搅拌后,过滤,再在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到无溶剂型可交联改性聚硅氧烷即样品9,产量为578g,分子量Mw=33000,粘度9800cPs。
实施例10无溶剂型可交联改性聚硅氧烷样品10
向1000毫升三颈瓶中加入500g羟基封端二甲基二苯基聚硅氧烷,80g甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷和20g3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷,加入苯磺酸0.9g,加入水40g,三颈瓶一侧接分水器连接冷凝管,中间加入机械搅拌,另一侧放入温度计。充分搅拌1h后,加热混合物至55摄氏度,保持反应温度2h,反应结束自然降温至室温,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在60摄氏度、10mbar下,旋蒸2h。为了中和产物中的微量酸性催化剂,在圆底烧瓶中加入100ml乙醇,10g碳酸钙,充分搅拌后,过滤,将混合物倒入1000ml圆底烧瓶,并在70摄氏度、10mbar下,旋蒸2h,最终得到可交联改性聚硅氧烷即样品10,产量为549g,分子量Mw=32000,粘度9500cPs。
向液体聚硅氧烷中加入一定量引发剂,可以实现特定条件下的交联固化。
在500ml圆底烧瓶中加入上述制备的可交联改性聚硅氧烷50g,加入引发剂,添加量为可交联改性聚硅氧烷质量的0.05%~1%,加入乙醇100g,充分搅拌均匀,放置于旋转蒸发仪内,水浴温度50摄氏度,转速60rpm,真空度调节至10mbar,旋蒸处理1h,得到添加了引发剂的样品。
使用刮涂机器将添加了引发剂的样品在PET膜表面进行涂膜,涂膜厚度为100微米,在上表面再覆盖一层PET,之后进行光固化,置于UV灯箱内接受30s的照射,或者进行热固化,置于烘箱内30min。如果采用电子束固化,固化时间为30s,引发剂不是必须添加。
根据各自的引发条件进行固化验证,确认其固化效果。将已经固化的样品刮下来称重,用乙醇溶液充分浸泡并超声24h,过滤分离液体和剩余固体,计算剩余固体失重,若失重大于10%,则认为固化不充分,若失重小于10%则确认固化充分。对比例和实施例样品的交联固化结果见表1。
表1对比例和实施例样品的交联固化结果
从表1的结果可以看出,按照可交联硅烷偶联剂单体中交联基团的特性,选择适当的引发体系,使用的引发剂质量在可交联改性聚硅氧烷质量的0.05%~1%之间时可以完全固化所有样品,即采用无溶剂条件制备的聚硅氧烷可以和在有机溶剂体系下制备的聚硅氧烷材料达到相同的固化效果。当然,本领域的技术人员知晓,引发剂质量在可交联改性聚硅氧烷质量中的占比可以超过1%,并不对固化程度产生明显影响,出于经济性考虑,本申请优选引发剂质量在可交联改性聚硅氧烷质量的0.05%~1%之间。
图1是实施例2制备的无溶剂型聚硅氧烷样品的HNMR图谱,可以明显看出在6.02ppm和5.47ppm化学位移处的甲基丙烯酰氧基双键上的两个H的特征峰,以此可以确定可交联改性基团的含量,也证明了可交联硅烷偶联剂单体,即甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷已聚合到可交联改性聚硅氧烷分子链上。
本发明提供的无溶剂型可交联改性聚硅氧烷可以应用在多种需要通过固化实现产品制作的工艺过程中,例如芯片、LED灯、太阳能发电等封装体系中,也可以应用在3D打印体系、光固化/热固化成膜体系中,如电致变色膜、光学膜、红外阻隔膜等多种产品中。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种可交联改性聚硅氧烷的无溶剂合成方法,其特征在于,合成过程不使用有机溶剂,包含以下步骤:
预混:将100质量份的硅氧烷低聚物,1~20质量份可交联硅烷偶联剂单体,0.1~5质量份酸性催化剂,1~10质量份反应控制剂,混合均匀;所述硅氧烷低聚物为羟基封端硅氧烷低聚物、甲氧基封端硅氧烷低聚物中的一种或多种;所述可交联硅烷偶联剂单体为氨基硅烷偶联剂单体、乙烯基硅烷偶联剂单体、甲基丙烯酰氧基硅烷偶联剂单体、丙烯酰氧基硅烷偶联剂单体中的一种或多种;所述酸性催化剂为硫酸、苯磺酸、甲基磺酸、三氟甲磺酸、氟磺酸中的一种或多种;所述反应控制剂为水和/或醋酸;
反应:将预混后的混合物加热至40~80℃反应1~10h,反应结束后,在真空度低于10mbar下蒸馏除去低沸物,即得到可交联改性聚硅氧烷。
2.一种可交联改性聚硅氧烷,其特征在于,采用权利要求1所述方法合成;主链为硅氧烷,侧链含有至少一种可交联官能团,其结构可如下图所示
其中,
R1为氢、烷基、烷氧基、芳香基中的一种或多种;
R2为可交联官能团,选自乙烯基、氨基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基中的一种或多种;所述可交联官能团含量为聚硅氧烷总体质量的0.1%~20%;
R3为氢、羟基、甲氧基中的一种或多种;
n=1~100,000的正整数,m=1~10,000的正整数。
3.根据权利要求2所述的一种可交联改性聚硅氧烷,其特征在于,所述聚硅氧烷的分子量Mn=1000~100,000,粘度为500~50,000cPs。
4.一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,由权利要求2~3任一所述可交联改性聚硅氧烷在光和/或热作用下,在引发剂的引发下通过交联固化反应得到。
5.根据权利要求4所述的一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,所述光作用为UV光照射。
6.根据权利要求4所述的一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,所述热作用为加热可交联改性聚硅氧烷至40℃~80℃。
7.根据权利要求4所述的一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,所述引发剂为阳离子引发剂,选自硫鎓盐类、芳基重氮盐类、二芳基卤鎓盐类、三芳基卤鎓盐类中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,所述引发剂为自由基引发剂,选自184(CAS号947-19-3)、ITX(CAS号5495-84-1或者83846-86-0)、819(CAS号162881-26-7)、1173(CAS号7473-98-5)、BDK(CAS号24650-42-8)、BP(CAS号119-61-9)、TPO(CAS号75980–60–8)、369(CAS号119313-12-1)、907(CAS号71868-10-5)中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的一种固体改性硅氧烷高聚物,其特征在于,所述引发剂的添加量为可交联改性聚硅氧烷质量的0.05%~1%。
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