CN116478108B - 一种含硫杂环化合物及其光学材料组合物和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机新材料领域,涉及一种式(1)所示的含硫杂环化合物及其应用。该化合物同时含有氨基、巯基和杂环,可以在聚合物主链引入C‑N、C‑S等刚性基团以及稳定的五元杂环结构,既能参与聚合反应,又能有效的调控聚合反应速率,使高温段聚合平稳,从而提高光学材料的阿贝数,通过添加式(1)所示化合物,能得到具有更高阿贝数的超高折射率光学材料;
Description
技术领域
本发明属于有机新材料领域,具体涉及一种含硫杂环化合物及其光学材料组合物和应用,适用于塑料透镜、棱镜、光纤、信息存储基板、滤波器等光学材料。
背景技术
光学材料,尤其眼镜透镜所要求的最重要的性能是高折射率和高阿贝数,高折射率可以使透镜薄壁化,而高阿贝数降低了透镜的色差。
目前,市场上的高折产品主要为1.670、1.740,其阿贝数通常在32到33之间,且这种产品主要依赖于进口,如韩国和日本,因产品进口导致产品的单价较为昂贵,同时由于上述产品的阿贝数偏低,色散厉害,会影响消费者的选择。现有技术报道了许多高折射率和高阿贝数的材料,折射率在1.68以上,而阿贝数不到36;或者阿贝数实现40以上,而折射率却只有1.60左右,例如CN106574034B、CN111601835B、CN108689883B、CN107075065B、TWI431048B、CN104114608B、CN101932630B等。
为了实现高折射率和高阿贝数,近年来,报告了许多的折射率和阿贝数的平衡性优良的聚环硫化合物,例如日本特开平9-71580号公报、日本特开平9-110979号公报、日本特开平9-255781号公报,而含硫杂环化合物应用于提高折射率1.7以上眼镜片阿贝数的案例鲜见报道。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足之处,提供了一种式(1)所示的含硫杂环化合物及含有该化合物的光学材料组合物,该化合物同时含有氨基、巯基和杂环,可以在聚合物主链引入C-N、C-S等刚性基团以及稳定的五元杂环结构,既能参与聚合反应,又能有效的调控聚合反应速率,使高温段聚合平稳,从而提高光学材料的阿贝数,通过添加式(1)所示化合物,能得到具有更高阿贝数的超高折射率光学材料。
本申请的具体技术方案是:
发明人首先提供了一种式(1)所表示的含硫杂环化合物:
上述式(1)所表示含硫杂环化合物的制备方法,包括但不限于如下:
由式(3)所示化合物与硫化试剂,在酸性条件及反应溶剂存在的条件下反应制备得到:
其中硫化试剂选自硫脲、硫氰酸铵中的一种或两种,优选硫脲;硫化试剂的用量与式(3)的摩尔配比为0.5-1.5,优选0.8-1.2;当摩尔配比<0.5时,原料转化率较低,而摩尔配比>1.5时,未反应原料剩余过多而不优选。
反应过程中所使用的酸可选自无机酸类或有机羧酸类或磺酸类;其中无机酸类选自盐酸、硼酸、磷酸中的一种或多种;有机羧酸类选自甲酸、乙酸、过氧乙酸、草酸、水杨酸、乙酸酐、马来酸酐中的一种或多种;磺酸类选自对甲苯磺酸、甲烷磺酸、丁基苯磺酸、十二烷基苯磺酸、三氟甲基磺酸中的一种或多种;
其中优选采用盐酸或甲酸或对甲苯磺酸,最优选为盐酸。酸的用量与式(3)的摩尔配比为0.1-1.5,更优选摩尔配比为0.5-1.0;其中摩尔配比<0.5或>1.5时,未反应原料剩余过多而不优选。
反应溶剂选自甲醇或乙醇等醇类;***或四氢呋喃或二氧六环等醚类;二氯甲烷或氯仿或氯苯等卤化烃类;或直接选用水。优选醇类,更优选甲醇。对溶剂量没有特别要求,只要能够完全溶解硫化试剂即可。
反应温度通常选择10-60℃,优选25-45℃。低于10℃硫化试剂溶解性较差,反应慢;而高于60℃时,反应过程中会出现聚合物影响收率。
式(1)所示化合物同时具有氨基、巯基和杂环,可以在聚合物主链引入C-N、C-S等刚性基团以及稳定的五元杂环结构,既能参与聚合反应,又能有效的调控聚合反应速率,使高温段聚合平稳,从而提高光学材料的阿贝数和力学性能。
获得上述环硫化合物之后,发明人进一步提供了一种光学材料用组合物,该组合物含有式(1)及式(2)所示化合物为主的聚合性化合物,其中式(1)所示化合物占光学材料用组合物总重量的0.001-5%;更进一步的优选为0.1-3%;式(2)所表示的化合物:
式(2)中,m表示1或2。
式(1)化合物低于0.001%时,有得不到充分的效果的情况,光学材料力学性能稍差,超过5.0%时,有光学材料阿贝数略低的情况。另外,作为聚合性化合物使用前述式(2)所表示的化合物的情况下,本发明的光学材料用组合物中的式(2)所示化合物占光学材料用组合物总重量的55-95%,更优选为65~90%,特别优选为70~88%。
除了上述式(2)所示化合物的聚合性化合物外,所述的光学材料用组合物中还可以含有硫醇化合物和异氰酸酯化合物:
为了改善得到光学材料的耐热性,光学材料用组合物也可以含有硫醇化合物作为聚合性化合物。硫醇化合物选自3-巯基丙醇、2-羟基丙基硫醇、双(2-巯基乙基)硫醚、1,3-双(巯基甲基)苯、1,4-双(巯基甲基)苯、4-巯基甲基-1,8-二巯基-3,6-二硫代辛烷、4,8-二巯基甲基-1,11-二巯基-3,6,9-三硫代十一烷、季戊四醇四巯基丙酸酯、以及三羟甲基丙烷三巯基丙酸酯,优选3-巯基丙醇、双(2-巯基乙基)硫醚、以及季戊四醇四巯基丙酸酯中的一种或多种,硫醇化合物占光学材料组合物重量的2-25.0%,进一步优选为5.5-12.9%。
为了改善得到的树脂的强度,本发明的光学材料用组合物也可以包含异氰酸酯化合物作为聚合性化合物。异氰酸酯化合物中具至少含有2个异氰酸酯基团。异氰酸酯化合物选自二亚乙基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、环己烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、1,4-双(异氰酸酯甲基)环己烷、邻联甲苯胺二异氰酸酯、双(二异氰酸酯甲苯基)苯基甲烷、1,4-亚苯基二异氰酸酯、4,4’-二异氰酸酯基联苯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、1,1’-亚甲基双(4-异氰酸酯基苯)、对二甲苯基二异氰酸酯、双(异氰酸酯甲基)降冰片烯、双(异氰酸酯甲基)金刚烷、硫代二丙基二异氰酸酯,优选异佛尔酮二异氰酸酯、对二甲苯基二异氰酸酯。异氰酸酯化合物占光学材料组合物重量的3-20.0%,进一步优选为6-15.5%。
在上述光学材料用组合物的基础上,发明人还提供了一种聚合固化性组合物,其包含上述任意一种组合的光学材料用组合物,以及相对于光学材料用组合物的总重量0.0001%-10%的聚合催化剂,聚合催化剂,可以使用咪唑类、膦类中的一种,进一步优选的聚合催化剂为四丁基溴化磷,用量为0.1-1%,聚合催化剂的添加量多于10%时有急速聚合的情况,聚合催化剂的添加量少于0.0001%时,有光学材料用组合物不能充分固化而耐热性不良的情况。
另外,在制造相应的光学材料时,在上述聚合固化性组合物中添加助剂,能够进一步提高得到的光学材料的实用性。即本发明的聚合固化性组合物还可以包含紫外吸收剂、脱模剂、蓝色剂和红色剂等添加剂;其中紫外吸收剂选自5-氯-2-(3,5-二叔丁基-2-羟基苯基)-2H-苯并***、2-(2-羟基-5-叔辛基苯基)-2H-苯并***、2-(2-羟基-4-丁氧基苯基)-2H-苯并***中的一种或多种,添加量为光学材料用组合物的0.001-1%,进一步优选为0.01-0.5%;蓝色剂和红色剂根据光学材料的实际需求添加,对添加量没有具体要求;脱模剂,选自磷酸二正丁酯、El310、壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯、Zelec UNTM中的一种或多种,添加量为光学材料用组合物质量的0.001-1%,进一步优选为0.01-0.5%。
本发明还提供了一种光学材料,采用上述聚合固化性组合物固化获得,具体步骤如下:
a)将聚合固化性组合物和助剂混合均匀,得到混合反应物;混合的温度为0℃-15℃,时间为30min-60min;
b)将步骤a)得到的混合反应物经过滤膜注入模具,进行第一次固化,脱模后再进行第二次固化,得到高折射率高阿贝数光学材料;
其中,步骤b)中所述第一次固化的升温程序:初始温度为15℃-25℃,保温2.0h-3.5h,再依次经10h-15h升温至45℃-60℃、2.0h-4.0h升温至75℃-90℃、最后1.5h-2.5h降温至60℃-75℃;步骤b)中所述第二次固化的温度为80℃-110℃,时间为2h-4h。
上述获得的光学材料可用于光学透镜的制备中。
综上所述,与现有技术相比,本申请获得的式(1)所示的含硫杂环化合物及含有该化合物的光学材料组合物,该化合物同时含有氨基、巯基和杂环,可以在聚合物主链引入C-N、C-S等刚性基团以及稳定的五元杂环结构,既能参与聚合反应,又能有效的调控聚合反应速率,使高温段聚合平稳,从而提高光学材料的阿贝数,通过添加式(1)所示化合物,能得到具有更高阿贝数的超高折射率光学材料。
附图说明
图1为实施例1中式(1)含硫杂环化合物的二级质谱谱图;
图2为实施例1中式(1)含硫杂环化合物的1H NMR谱图;
图3为实施例1中式(1)含硫杂环化合物的13C NMR谱图。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式,对本发明的上述内容做进一步的详细说明,但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围,除特殊说明外,下述实施例中采用原料均为市售产品。
下述实施例中式(2)所表示的化合物:
式(2)中,m表示1或2。
实施例1
称取式(3)所示的化合物126.5g(1mol),加入硫脲83.6g(1.1mol),甲醇200g,浓盐酸17.2g(0.1mol),反应温度35℃,回流反应,液相色谱检测硫脲剩余量,直至不再变化,停止反应。
将反应后的物料进行降温结晶,过滤,析出固体进行干燥,得到白色晶体,然后再用硅胶柱层析进行进一步提纯精制,得到前述式(1)所表示的含硫杂环化合物31g(收率21%)。
将得到的化合物进行二级质谱定性分析及核磁表征,图示如图1、图2、图3所示,二级质谱方法:ESI(电喷雾离子源),Frag(毛细管出口电压)=125V,CID(碰撞能)=5.0V。
质谱(ESI):M+H+·149,如图1所示,其中分子离子、碎片离子及对应的m/z如下表所示:
1H-NMR(400MHz):
δ=2.66ppm(m,2H,与4位碳原子键合的氢原子),δ=3.64ppm(m,1H,与3位碳原子键合的氢原子),δ=3.87ppm(m,2H,与2位碳原子键合的氢原子),δ=4.71ppm(D2O里的氢原子);
13C-NMR:
δ=181.6ppm(1位碳原子),δ=47.2ppm(2位碳原子),δ=71.8ppm(3位碳原子),δ=27.1ppm(4位碳原子);
实施例2-4
在20℃下,向式(2)所表示化合物--双环硫丙基硫醚(m=1)中添加式(1)所示化合物,得到光学材料用组合物,其中式(1)所示化合物的添加量见表1,式(2)所示化合物(m=1)80g,对二甲苯基二异氰酸酯7.5g,3-巯基丙醇12.0g,四丁基溴化鏻0.2g,脱模剂0.1g。
将得到的组合物在20℃下,搅拌50min,得到预聚料液,真空脱气30min后,经孔径为3μm的聚四氟乙烯过滤膜过滤注入玻璃模具中,再将模具放入程序升温固化炉中进行一次固化,得到一次固化后的树脂镜片;所述一次固化的升温程序为:初始温度为20℃,保温2h,再依次经3.5h升温至45℃、3h升温至55℃、6h升温至100℃保温4h,最后2h降温至70℃。将得到的一次固化后的树脂镜片在120℃下进行二次固化4h,得到光学树脂材料镜片。
实施例5-7
在20℃下,向式(2)所表示化合物--双环硫丙基硫醚(m=2)中添加式(1)所示化合物,光学材料用组合物中式(1)所示化合物的添加量见表1。式(2)所示化合物(m=2)80g,异佛尔酮二异氰酸酯6.5g,季戊四醇四巯基丙酸酯10.7g,四丁基溴化鏻0.2g,脱模剂0.1g。
将得到的组合物在20℃下,搅拌50min,得到预聚料液,真空脱气30min后,经孔径为3μm的聚四氟乙烯过滤膜过滤注入玻璃模具中,再将模具放入程序升温固化炉中进行一次固化,得到一次固化后的树脂镜片;所述一次固化的升温程序为:初始温度为20℃,保温2h,再依次经3.5h升温至45℃、3h升温至55℃、6h升温至100℃保温4h,最后2h降温至70℃。将得到的一次固化后的树脂镜片在120℃下进行二次固化4h,得到光学树脂材料镜片。
对比例1-2
与实施例同样的操作条件,不添加式(1)所示化合物,折射率(Ne):采用多波长阿贝折射仪(DR-M4)进行检测;阿贝数(Vd):采用多波长阿贝折射仪(DR-M4)进行检测;各性能检测结果见下表(下表中,式(1)所示化合物添加量为占式(1)所示化合物和聚合性化合物总重量的百分比,所述聚合性化合物主要包括式(2)所示化合物、硫醇化合物和异氰酸酯化合物,特此说明)。
表1.不同光学树脂材料的性能测试结果表
从上表结果可以看出,添加式(1)所示化合物后光学树脂材料镜片的阿贝数得到明显提升,加入式(1)所示化合物共聚改变了分子链所处的环境,主链引入C-N、C-S等刚性基团以及稳定的五元杂环结构,既能参与聚合反应,又能有效的调控聚合反应速率,使高温段聚合平稳,从而提高光学材料的阿贝数。
所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。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 (8)
1.一种含硫杂环化合物,其特征在于,其化学式如式(1)所示:
(1)。
2.一种光学材料用组合物,其特征在于,包含权利要求1所述的含硫杂环化合物和聚合性化合物;聚合性化合物为下述式(2)表示的化合物:
(2),式(2)中,m表示1或2。
3.根据权利要求2所述的光学材料用组合物,其特征在于,其中所述含硫杂环化合物含量为0.001~5.0%。
4.根据权利要求3所述的光学材料用组合物,其特征在于,其包含95.0~99.999%的所述聚合性化合物。
5.根据权利要求2所述光学材料用组合物,其特征在于,该光学材料用组合物中式(2)所示化合物占组合物总重量的55.0~95.0%。
6.一种光学材料的制造方法,其特征在于,在权利要求3~5中任一项所述的光学材料用组合物中添加相对于该光学材料用组合物的总重量0.0001~10%的聚合催化剂进行聚合固化,从而制造光学材料。
7.一种光学材料,其特征在于:采用权利要求6所述的光学材料的制造方法而得到。
8.一种光学透镜,其特征在于:采用权利要求7所述的光学材料。
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