CN101245127B - 低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料及其制备方法，涉及一种共聚物。提供一种反应条件温和、反应产物结构明确且保留各嵌段原有的骨架结构、操作简便的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料及其制备方法。低表面能硅丙苯三嵌段共聚物为聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯。先制备溴原子封端的聚二甲基硅氧烷大分子引发剂，再制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物大分子引发剂，最后制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯三嵌段新型共聚物。

Description

低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种共聚物，尤其是涉及一种新型低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料及其制备方法。

背景技术

同时含有聚二甲基硅氧烷嵌段和聚丙烯酸酯类嵌段的共聚物很少有见报道，通过阴离子聚合可合成此类聚合物，在聚合过程中必须注意以聚二甲基硅氧烷嵌段引发丙烯酸酯类单体聚合，反之则不能聚合。有关低表面能有机硅嵌段共聚物(聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯)的合成至今未见报道。丙烯酸类树脂具有优良的耐热性、耐候性、耐腐蚀性、耐玷污性、附着力高和保色保光性好等优点，但在实际应用中，由于自身结构的限制，仍存在一些不足之处，如硬度、抗污染性、耐溶剂性等方面不尽人意。有机硅材料具有优良的耐热、耐候、抗氧化、耐辐射的性能，而且表面能低，具有憎水、抗污性；苯乙烯树脂最重要的特点是熔融时的热稳定性和流动性非常好，所以易成型加工，特别是注射成型容易，适合大量生产；成型收缩率小，成型品尺寸稳定性也好；能自由着色。因此以有机硅、丙烯酸酯和苯乙烯共聚可以制得硅丙苯材料集三者之长，不仅具有超耐候性，还具有优异的耐水性、耐盐雾、耐温变性、耐玷污性及耐洗刷性能，主要应用于对耐候性能有特殊要求的建筑外墙涂料、工程机械涂料以及作业环境更为恶劣的码头设备、海洋设施等的表面防腐及装饰。目前通过阴离子聚合合成该类聚合物的方法主要有以下的不足之处：1、阴离子聚合对反应体系的纯度要求很高，不仅体系不能含有氧和水，甚至其他杂质也对反应有较大影响，因此对纯化要求很高。2、丙烯酸酯类的阴离子聚合副反应较多，对于反应结束后的分离纯化难度大。3、阴离子聚合通常在低温下进行，对反应设备要求较高。在本发明中采用原子转移自由基聚合合成硅丙材料不仅反应条件温和，而且反应产物分离较容易，反应过程副反应几乎没有。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应条件温和、反应产物结构明确且保留各嵌段原有的骨架结构、操作简便的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物(即聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯)材料及其制备方法。

本发明的技术方案是以大分子聚二甲基硅氧烷为引发剂，经过原子转移自由基聚合反应合成聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物，再以该两嵌段共聚物为大分子引发剂引发苯乙烯单体聚合制备目标聚合物(聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯)。

本发明所述的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物为聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯，其结构式为：

其中x为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合度，y为聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)的聚合度，z为聚苯乙烯(PS)的聚合度。

本发明所述的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物反应式如下：

其中x为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的聚合度，y为聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)的聚合度，z为聚苯乙烯(PS)的聚合度。

本发明所述的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法包括以下具体步骤：

1)制备溴原子封端的聚二甲基硅氧烷大分子引发剂：在氮气气氛保护下，以单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷与2-溴异丁酰溴为起始原料在惰性有机溶剂和三乙胺中搅拌反应，反应结束后，过滤，将滤液减压蒸馏除去溶剂后溶解在二氯甲烷中，用碳酸氢钠溶液洗涤至少1次，分液，有机层用无水硫酸镁干燥除水，再过滤，将滤液减压蒸馏除去二氯甲烷溶剂得到聚二甲基硅氧烷大分子引发剂，按摩尔比单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷∶2-溴异丁酰溴∶三乙胺为1∶(1.4～4.0)∶(2.2～5.5)；

2)制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物大分子引发剂：原子转移自由基聚合在惰性气氛保护下进行，反应体系除氧，以溴原子封端的聚二甲基硅氧烷大分子为引发剂，以卤化亚铜为催化剂，以含吡啶环化合物或吡啶环化合物衍生物为催化剂配体，在惰性溶剂中进行原子转移自由基聚合；按摩尔比，[单体甲基丙烯酸乙酯]∶[催化剂]∶[引发剂]∶[催化剂配体]＝(10～100)∶1∶1∶2；然后经过冷冻-抽真空-解冻循环至少3次后，加热溶液；反应结束后，将所合成的聚合物用四氢呋喃或二氯甲烷等惰性溶剂稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，再沉淀到沉淀剂中，溶解-沉淀至少3次后再将得到的产物烘干，得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物大分子引发剂；

3)制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯三嵌段新型共聚物：单体苯乙烯的原子转移自由基聚合在惰性气氛保护下进行，反应体系除氧，以聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物为引发剂，以卤化亚铜为催化剂，以含吡啶环化合物或吡啶环化合物的衍生物为催化剂配体，在惰性溶剂中进行原子转移自由基聚合；[单体苯乙烯]∶[催化剂]∶[引发剂]∶[催化剂配体]＝(20～150)∶1∶1∶2；然后经过冷冻-抽真空-解冻循环至少3次后，加热溶液，反应结束后，将所合成的聚合物用四氢呋喃或二氯甲烷等惰性溶剂稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，沉淀到沉淀剂中，溶解-沉淀至少3次后再将得到的产物烘干得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯新型三嵌段共聚物。

在步骤1)中，所用的惰性有机溶剂选自四氢呋喃或者二氯甲烷等；所用的氮气的纯度最好超过99.995％(质量比)；反应温度为0～35℃；搅拌时间为10～35h；所用的碳酸氢钠溶液最好为饱和溶液；所用的蒸发最好采用旋转蒸发仪；所用的过滤最好采用滤纸过滤；干燥剂最好用无水硫酸镁或无水硫酸钠等。

在步骤2)中，所述的惰性气体最好采用高纯氮等，高纯氮的浓度最好超过99.995％(质量比)；所述的催化剂最好为溴化亚铜等；所述的催化剂配体最好为N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺等；所述的惰性溶剂最好为甲苯等；所述的冷冻最好用液氮，温度最好在-80℃以下；所述的抽真空最好采用油泵；所述的氧化铝柱最好采用碱性氧化铝柱；所用的蒸发最好采用旋转蒸发仪；反应温度为40～120℃；反应时间最好控制在3～10h；所述的真空干燥温度最好为40～50℃，真空度最好为0.08～-0.1MPa。

在步骤3)中，所述的惰性气体最好采用高纯氮，高纯氮的浓度最好超过99.995％(质量比)；所述的催化剂最好为溴化亚铜等；所述的催化剂配体最好为1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺等；所述的惰性溶剂最好为甲苯等；所述的冷冻最好用液氮，温度最好在-80℃以下；所述的抽真空最好采用油泵；所述的氧化铝柱最好采用碱性氧化铝柱；所用的蒸发最好采用旋转蒸发仪；反应温度为50～130℃；反应时间最好控制在5～15h；所述的真空干燥温度最好为40～50℃，真空度最好为0.08～-0.1Pa。

与现有的硅丙苯聚合物的化学合成方法相比，本发明具有以下突出优点和有益效果：

1.采用原子转移自由基聚合，不仅反应条件温和，产物收率高，相比较于一般自由基法，具有更温和的反应温度，而且反应产物的结构更加清晰，分子量分布更窄。2.相比较于阴离子聚合法，具有更少的副反应和更加温和的反应条件，对反应单体、溶剂等一系列反应物的要求相对低得多。3.本发明中的最终产物较低的表面能。

具体实施方式

为了易于进一步理解本发明，下列实施例将对本发明作进一步的阐述。

实施例1

1)在氮气气氛保护下，将1份单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷、1.5份2-溴异丁酰溴与2.5份三乙胺在0℃下进行反应。然后将上述的溶液搅拌反应30h，反应结束后，将其过滤，将滤液减压蒸馏除去溶剂，再将其溶解在二氯甲烷中，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤数次，分液，有机层用无水硫酸镁干燥除水，再过滤，最后将滤液减压蒸馏除去二氯甲烷溶剂得到油状黄色的大分子引发剂；

2)反应体系必须严格除氧，将1份的大分子为引发剂、1份的溴化亚铜为催化剂、2份的N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺为催化剂配体与10份的甲基丙烯酸甲酯为单体在45℃下反应，在加热之前，反应物溶液经过四次冷冻-抽真空-解冻循环后，加热溶液，反应4小时后，将所合成的聚合物用四氢呋喃溶剂稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，到黏度明显变稠的时候将其沉淀到沉淀剂中，反复溶解-沉淀四次后再将得到的产物放在40℃真空干燥箱中烘干得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯共聚物。

3)反应体系必须严格除氧，将1份的聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯大分子引发剂、1份的溴化亚铜为催化剂、2份的N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺为催化剂配体与30份的苯乙烯为单体在50℃下反应，在加热之前，反应物溶液经过四次冷冻-抽真空-解冻循环后，加热溶液，反应5小时后，将所合成的聚合物用四氢呋喃溶剂稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，到黏度明显变稠的时候将其沉淀到沉淀剂中，反复溶解-沉淀四次后再将得到的产物放在45℃真空干燥箱中烘干得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯三嵌段共聚物。

实施例2

1)在氩气气氛保护下，将1份单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷、1.8份2-溴异丁酰溴与2.8份三乙胺在10℃下进行反应。然后将上述的溶液搅拌反应20h，反应结束后，将其过滤，将滤液减压蒸馏除去溶剂，再将其溶解在二氯甲烷中，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤数次，分液，有机层用无水硫酸镁干燥除水，再过滤，最后将滤液减压蒸馏除去二氯甲烷溶剂得到油状黄色的大分子引发剂；

2)除配体为1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺、单体为20份、反应温度为50℃外，其它同实施例1中2)；

3)除反应温度为60℃外，其它同实施例1中3)。

实施例3

1)同实施例1中1)；

2)除单体为30份外，其它同实施例2中2)；

3)除反应温度为70℃、配体为1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺外，其它同实施例2中3)。

实施例4

1)在氮气气氛保护下，将1份单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷、2.0份2-溴异丁酰溴与3.5份三乙胺在15℃下进行反应。然后将上述的溶液搅拌反应18h，反应结束后，将其过滤，将滤液减压蒸馏除去溶剂，再将其溶解在二氯甲烷中，用饱和碳酸氢钠溶液洗涤数次，分液，有机层用无水硫酸镁干燥除水，再过滤，最后将滤液减压蒸馏除去二氯甲烷溶剂得到油状黄色的大分子引发剂；

2)除单体为40份、催化剂配体为N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺外，其它同实施例2中2)；

3)除反应时间为8小时外，同实施例3中3)。

实施例5

1)同实施例4中1)；

2)除温度为40℃外，反应时间为8.5小时外，其它同实施例4中2)；

3)除反应温度为85℃外，其他同实施例3中3)。

实施例6

1)除反应温度为30℃外，同实施例1中1)；

2)除单体为80份、催化剂配体为2，2-联吡啶外，其它同实施例2中2)；

3)除反应时间为6.5小时外，其它同实施例5中3)。

实施例7

1)同实施例6中1)；

2)除单体为75份、反映温度为90℃外，其它同实施例6中2)；

3)除单体为45份外，其它同实施例6中3)。

实施例8

1)除反应时间为30小时外，其余同实施例7中1)；

2)同实施例7中2)；

3)除单体为50份、反应温度为110℃、反应时间为4.5小时外，其余同实施例7中3)。

实施例9

1)同实施例8中1)；

2)除配体为N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺外，其它同实施例2中2)；

3)除反应时间为7.5小时，配体为2，2-联吡啶外，其余同实施例8中3)。

实施例10

1)和2)同实施例8中1)和2)；

3)除溶剂为苯外，其他同实施例2中3)。

实施例11

1)同实施例6中1)；

2)除溶剂为苯、配体为2，2-联吡啶、聚合时间为10小时外，其他同8中2)。

3)同实施例8中3)。

实施例12

1)同实施例6中1)；

2)除单体为100份、催化剂配体为1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺、聚合温度为100℃外，其余同实施例6中2)。

3)同实施例8中3)。

Claims (7)

1.一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于其反应式如下：

其中x为聚二甲基硅氧烷的聚合度，y为聚甲基丙烯酸乙酯的聚合度，z为聚苯乙烯的聚合度；

其具体步骤如下：

1)制备溴原子封端的聚二甲基硅氧烷大分子引发剂：在氮气气氛保护下，以单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷与2-溴异丁酰溴为起始原料在惰性有机溶剂和三乙胺中搅拌反应，反应结束后，过滤，将滤液减压蒸馏除去溶剂后溶解在二氯甲烷中，用碳酸氢钠溶液洗涤至少1次，分液，有机层用无水硫酸镁干燥除水，再过滤，将滤液减压蒸馏除去二氯甲烷溶剂得到聚二甲基硅氧烷大分子引发剂，按摩尔比单甲醇终止的聚二甲基硅氧烷∶2-溴异丁酰溴∶三乙胺为1∶(1.4～4.0)∶(2.2～5.5)；

2)制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物大分子引发剂：原子转移自由基聚合在惰性气氛保护下进行，反应体系除氧，以溴原子封端的聚二甲基硅氧烷大分子为引发剂，以溴化亚铜为催化剂，以N-(n-丙基)-2-吡啶甲胺为催化剂配体，在惰性溶剂中进行原子转移自由基聚合；按摩尔比，[单体甲基丙烯酸乙酯]∶[催化剂]∶[引发剂]∶[催化剂配体]＝(10～100)∶1∶1∶2；然后经过冷冻-抽真空-解冻循环至少3次后，加热溶液；反应结束后，将所合成的聚合物用四氢呋喃或二氯甲烷稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，再沉淀到沉淀剂中，溶解-沉淀至少3次后再将得到的产物烘干，得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物大分子引发剂；其中所述的惰性溶剂为甲苯；

3)制备聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯三嵌段共聚物∶单体苯乙烯的原子转移自由基聚合在惰性气氛保护下进行，反应体系除氧，以聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯两嵌段共聚物为引发剂，以溴化亚铜为催化剂，以1，1，4，7，7-五甲基二乙烯基三胺为催化剂配体，在惰性溶剂中进行原子转移自由基聚合；[单体苯乙烯]∶[催化剂]∶[引发剂]∶[催化剂配体]＝(20～150)∶1∶1∶2；然后经过冷冻-抽真空-解冻循环至少3次后，加热溶液，反应结束后，将所合成的聚合物用四氢呋喃或二氯甲烷稀释，再将稀释后的溶液通过氧化铝柱除去催化剂，将滤液用旋转蒸发仪除去溶剂，沉淀到沉淀剂中，溶解-沉淀至少3次后再将得到的产物烘干得到聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯三嵌段共聚物；其中所述的惰性溶剂为甲苯。

2.如权利要求1所述的一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的惰性有机溶剂选自四氢呋喃或二氯甲烷。

3.如权利要求1所述的一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于在步骤1)中，反应温度为0～35℃；搅拌时间为10～35h。

4.如权利要求1所述的一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述的碳酸氢钠溶液为饱和溶液。

5.如权利要求1所述的一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于在步骤2)中，反应温度为40～120℃；反应时间为3～10h。

6.如权利要求1所述的一种低表面能硅丙苯三嵌段共聚物的制备方法，其特征在于在步骤3)中，反应温度为50～130℃；反应时间为5～15h。

7.如权利要求1所述方法制备的低表面能硅丙苯三嵌段共聚物材料，其特征在于为聚二甲基硅氧烷-b-聚甲基丙烯酸乙酯-b-聚苯乙烯，其结构式为：

其中x为聚二甲基硅氧烷的聚合度，y为聚甲基丙烯酸乙酯的聚合度，z为聚苯乙烯的聚合度。