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CN115746044A - 一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂及其制备方法及其制备方法 - Google Patents

一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂及其制备方法及其制备方法 Download PDF

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CN115746044A
CN115746044A CN202211180587.XA CN202211180587A CN115746044A CN 115746044 A CN115746044 A CN 115746044A CN 202211180587 A CN202211180587 A CN 202211180587A CN 115746044 A CN115746044 A CN 115746044A
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CN
China
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coupling agent
silane coupling
chain
urea bond
agent containing
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Pending
Application number
CN202211180587.XA
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English (en)
Inventor
冷雪菲
宋冠军
车鉴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Xinyulong Marine Biological Seed Industry Technology Co ltd
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian Xinyulong Marine Biological Seed Industry Technology Co ltd
Dalian University of Technology
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Publication date
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Abstract

本发明提供一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂及其制备方法及其制备方法,属于硅烷偶联剂技术领域。该硅烷偶联剂结构式为
Figure DDA0003866615300000011
其是由氨基和异氰酸根之间的高反应活性制得。由于该硅烷偶联剂链中含有柔性链段,可作为刚性聚合物的偶联剂,结合后可以显著提高聚合物交联网络的韧性。同时,脲键可以提供碱性环境,催化硅氧共价键之间的可逆键交换。本发明提供的柔性偶联剂具有偶联效率高,可催化硅氧键交换,反应简单的优点。

Description

一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂及其制备方法及 其制备方法
技术领域
本发明属于硅烷偶联剂技术领域,涉及一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂及其制备方法。
背景技术
硅烷偶联剂是一类有机-无机杂化的多官能团化合物,内部具有的活性硅氧基团与基体和胶粘剂都会发生化学反应,形成可逆的硅氧共价键,用以改善无机物和有机物之间的界面作用,从而大大提高材料的性能,如物理性能、电性能、热性能、光性能等。正因如此,硅烷偶联剂广泛应用于玻钢、塑料改性、橡胶改性、低烟无卤阻燃电缆材料、摩擦材料等。
根据不同的用途,在应用到刚性材料的偶联时,需要考虑提高材料韧性。专利CN112125927A公开了一种含有弹性体的硅烷偶联剂及其制备方法,通过将二氧化碳、含有环氧基的单体在催化剂的作用下反应得到环碳酸脂单体;再将上述单体与含有氨基的硅烷偶联剂混合,在催化剂作用下,得到含有弹性体的硅烷偶联剂。硅氧偶联剂与基体结合后形成交联网络,其内部的硅氧共价键可以在碱的催化下发生可逆的键交换。但这种可逆的键交换需要在外部碱性催化剂的催化下才能发生,虽然上述专利的硅烷偶联剂分子内含有弹性体单元,但是,并没有能够催化硅氧共价键交换的集团,仍然需要催化剂的添加才能完成硅氧动态键的交换。硅氧共价键的可逆交换可以赋予交联材料可重复加工性、形状记忆等特性。在新兴的硅氧烷液晶弹性体领域,材料的刺激响应性也依赖于催化剂催化的硅氧共价键可逆交换。但是,目前的硅烷偶联剂内部没有可自催化硅氧共价键可逆交换的基团。同时,现有的硅烷偶联剂的反应步骤大多反应步骤繁琐,不适合大规模的制备推广。
因此,开发一种新的含有链中柔性链段、可自催化硅氧共价键可逆交换、高效的硅烷偶联剂是十分有必要的。
发明内容
本发明克服现有技术的不足,提供一种反应速度快、合成工艺简单、适应性广、增韧性能优异的,同时含有链中柔性链段和可催化硅氧共价键可逆交换的脲键的硅烷偶联剂及其制备方法。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂,其分子结构如下:
Figure BDA0003866615280000021
其中,R1为碳数为C1-C4的烷氧基;R2为碳数为C1-C4的烷氧基;R3为碳数为C1-C4的烷氧基;R4为C1-C12的烷基或C6-C30的烷氧基团或Mn为500-50000的聚乙二醇、聚四氢呋喃。
进一步的,所述的R1优选为甲氧基或乙氧基,R2优选为甲氧基或乙氧基,R3优选为甲氧基或乙氧基。
本发明还提供了前述一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,将原料与化合物进行缩合反应,缩合反应后进行纯化得到硅烷偶联剂,具体实现方法如下:
第一步,将原料溶解在有机溶剂中,在15℃-30℃的恒温反应浴中彻底搅拌均匀。所述的原料分子式为R5-R4-R5,其中,R4为C1-C10的烷基或C6-C30的烷氧基;R5为氨基或异氰酸基团。
第二步,按照反应摩尔比将化合物逐滴滴加到上述溶液中,进行缩合反应,于15℃-30℃的恒温反应浴中反应0.5-1.5h后撤去恒温反应浴。所述的化合物分子式为
Figure BDA0003866615280000022
其中,R1,R2,R3分别独立的为C1-C4的烷氧基团,R6为氨基或异氰酸基团。
当R5为氨基时,用于反应的化合物中的R6为异氰酸基;此时,第二步的化合物和第一步的原料的摩尔比为2∶1。
当R5为异氰酸基时,用于反应的化合物中的R6为氨基;此时,第二步的化合物和第一步的原料的摩尔比为1∶2。
第三步,通过后处理除去有机溶剂和未反应的原料,得到含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂。
进一步的,所述的有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、四氢呋喃中的一种或几种。
进一步的,第三步所述的后处理过程为:用石油醚超声清洗三次,25℃真空烘箱干燥12h。
与现有的技术相比,本发明的有益效果是:
(1)制得的硅氧偶联剂对刚性材料有明显的增韧作用,提高材料的综合机械性能;
(2)偶联剂内部的脲键可以催化与偶联后形成的硅氧共价键的可逆交换,不需要额外催化剂的添加;
(3)反应活性高,反应时间短,所用原材料低廉易得、能耗低、可控性好、重复性高、便于工业化的大规模生产;
(4)制得的硅氧偶联剂稳定性好易于保存,与极性或非极性材料相容性好。
附图说明
图1为实施例1制备得到的硅烷偶联剂分子结构及其1H-NMR谱图。
图2为实施例2制备得到的硅烷偶联剂分子结构及其1H-NMR谱图。
图3是实施例1和PHEMA交联前后的红外吸收谱图。
图4是实施例5-8制备的交联聚合物的损耗因子随时间的变化曲线图。
图5是实施例6在不同温度下的应力松弛曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
向配有抽气接头的500mL两口烧瓶抽真空-氮气回填三次,加入2,2’-(乙烯二氧)双乙胺14.8g,加入溶剂三氯甲烷300mL,将其放入15℃恒温反应浴,并开启搅拌。同时称取3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷41.0g并将其加入恒压滴液漏斗中,边搅拌、边缓慢滴加3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷,使其逐滴加入到溶液中。待滴加完成后,在恒温反应浴中反应1.5h。反应完成后,旋蒸除去混合溶液的溶剂,用100mL石油醚清洗三次,在25℃真空烘箱干燥12h。图1为实施例1制备得到的硅烷偶联剂分子结构及其1H-NMR谱图,从图中可以看出,质子氢的特征峰明显,积分面积比符合设计的分子结构,表明合成是成功的。
实施例2
向配有抽气接头的500mL两口烧瓶抽真空-氮气回填三次,加入1,8-二异氰酸酯-3,6-二氧杂辛烷40g,加入溶剂三氯甲烷300mL,将其放入20℃恒温反应浴,并开启搅拌。同时称取3-氨丙基三乙氧基硅烷17.9g并将其加入恒压滴液漏斗中,边搅拌、边缓慢滴加3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷,使其逐滴加入到溶液中。待滴加完成后,在恒温反应浴中反应0.5h。反应完成后,旋蒸除去混合溶液的溶剂,用100mL石油醚清洗三次,在25℃真空烘箱干燥12h。图2为实施例2制备得到的硅烷偶联剂分子结构及其1H-NMR谱图,从图中可以看出,质子氢的特征峰明显,积分面积比符合设计的分子结构,表明合成是成功的。
实施例3
向配有抽气接头的500mL两口烧瓶抽真空-氮气回填三次,加入氨基封端的聚乙二醇(Mn=500)50.0g,加入溶剂三氯甲烷300mL,将其放入30℃恒温反应浴,并开启搅拌。同时称取3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷41.0g并将其加入恒压滴液漏斗中,边搅拌、边缓慢滴加3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷,使其逐滴加入到溶液中。待滴加完成后,在恒温反应浴中反应1h。反应完成后,旋蒸除去混合溶液的溶剂,用100mL石油醚清洗三次,在25℃真空烘箱干燥12h。
实施例4
向配有抽气接头的500mL两口烧瓶抽真空-氮气回填三次,加入异氰酸酯封端的聚四氢呋喃(Mn=50000)50.0g,加入溶剂三氯甲烷300ml,将其放入30℃恒温反应浴,并开启搅拌。同时称取3-氨丙基三乙氧基硅烷0.442g并将其加入恒压滴液漏斗中,边搅拌、边缓慢滴加3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷,使其逐滴加入到溶液中。待滴加完成后,在恒温反应浴中反应1.5h。带反应完成,旋蒸除去混合溶液的溶剂,用100mL石油醚清洗三次,在30℃真空烘箱干燥12h。
应用例1
实施例1硅烷偶联剂与含羟基刚性聚合物交联的具体实施例。将13g甲基丙烯酸甲酯、50mL乙二醇甲醚和0.16g偶氮二异丁腈加入经过氮气抽排三次的反应管,放入70℃油浴锅中反应3h得到聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)。反应结束在乙醚中沉淀聚合物,50℃烘箱干燥24h。取1.3g的PHEMA、0.19g实施例1制备得到的硅烷偶联剂溶于5mL的N,N-二甲基甲酰胺中,彻底搅拌溶解后倒入模具,在80℃烘箱保持12h,升高温度至120℃同时抽真空保持6h。得到交联聚合物。图3是实施例1和PHEMA交联前后的红外吸收谱图,交联后的材料在810cm-1处甲氧基的吸收峰完全消失,说明与PHEMA发生缩合反应,硅烷偶联剂的甲氧基被全部消耗,形成交联网络。
应用例2-4
采用实施例5中的方法,制备不同交联密度的聚合物网络,通过硅氧键和羟基之间的比值调整投料比,将硅烷偶联剂的量依次替换为0.38g、0.57g、0.76g从而分别得到实施例6-8的交联聚合物。
通过分析数据可知:本发明制备的硅烷偶联剂不仅纯度高,而且收率都在99%以上,减少了原材料的浪费,在工业化的大生产在具有较好的收益,因该产品的研究与开发具有更广阔的市场前景,更适宜推广。
图4是应用例2-4制备的交联聚合物的损耗因子随时间的变化曲线图。详细的数据记录在表1中。PHEMA在室温干燥条件下是典型的脆性、刚性聚合物,在和实施例1的偶联剂交联后,材料的玻璃化转变温度随交联密度增大明显下降,实施例8因为过高的交联密度玻璃化转变温度有所上升,证明了本硅烷偶联剂能够对聚甲基丙烯酸羟乙酯有良好的增韧效果。
表1
Figure BDA0003866615280000051
图5是应用例2在不同温度下的应力松弛曲线图,可以看到材料在所有温度下均呈现明显的应力松弛行为,说明在脲键的催化作用下,硅氧共价键发生了可逆键交换,且松弛速率较快。
Figure BDA0003866615280000052
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式,但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制,应当指出,对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂,其特征在于,所述的硅烷偶联剂的分子结构如下:
Figure FDA0003866615270000011
其中,R1为碳数为C1-C4的烷氧基;R2为碳数为C1-C4的烷氧基;R3为碳数为C1-C4的烷氧基;R4为C1-C12的烷基或C6-C30的烷氧基团或Mn为500-50000的聚乙二醇、聚四氢呋喃。
2.根据权利要求1所述的一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂,其特征在于,所述的R1优选为甲氧基或乙氧基,R2优选为甲氧基或乙氧基,R3优选为甲氧基或乙氧基。
3.一类权利要求1或2所述的含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,将原料溶解在有机溶剂中,在15℃—30℃的恒温反应浴中搅拌均匀;所述的原料分子式为R5-R4-R5,其中,R4为C1-C10的烷基或C6-C30的烷氧基;R5为氨基或异氰酸基团;
第二步,按照反应摩尔比将化合物逐滴滴加到上述溶液中,进行缩合反应0.5—1.5h后,撤去恒温反应浴;所述的化合物分子式为
Figure FDA0003866615270000012
其中,R1,R2,R3分别独立的为C1-C4的烷氧基团,R6为氨基或异氰酸基团;
第三步,通过后处理除去有机溶剂和未反应的原料,得到含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂。
4.根据权利要求3所述的一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,其特征在于,当R5为氨基时,用于反应的化合物中的R6为异氰酸基;此时,第二步的化合物和第一步的原料的摩尔比为2:1。
5.根据权利要求3所述的一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,其特征在于,当R5为异氰酸基时,用于反应的化合物中的R6为氨基;此时,第二步的化合物和第一步的原料的摩尔比为1:2。
6.根据权利要求3所述的一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,其特征在于,所述的有机溶剂选自二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、四氢呋喃中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的一类含有链中柔性链段和脲键的硅烷偶联剂的制备方法,其特征在于,第三步所述的后处理过程为:用石油醚超声清洗后于真空烘箱中进行干燥处理。
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