CN101671448B

CN101671448B - 双亲偶联剂及其制备方法

Info

Publication number: CN101671448B
Application number: CN2009101908997A
Authority: CN
Inventors: 张家斌; 何艳琼
Original assignee: CHONGQING JIASHITAI CHEMICAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: CHONGQING JIASHITAI CHEMICAL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN101671448A

Abstract

本发明公开了一种双亲偶联剂及其制备方法，该双亲偶联剂按质量百分比计含有以下组分：铝酸酯偶联剂25～30％、脂肪酸34～38％和表面活性剂9～14％；具有可直接改性高含水量或高羟基含量粉体的特点，无需在改性前对粉体进行苛刻的烘干处理，可简化粉体改性的生产工艺，缩短工艺流程，节约投资，节省人力和能耗，降低生产成本，减少环境污染，适用于无机粉体(如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、硅灰石、重晶石和高岭土等)和有机粉体(如木粉和淀粉等)的干法或湿法改性；其制备方法简单，适合工业化大规模生产。

Description

双亲偶联剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种化工助剂，特别涉及一种双亲偶联剂，还涉及该双亲偶联剂的制备方法。

背景技术

无机或有机粉体填充改性的热塑性塑料是一种重要的复合材料，有着广泛的用途。决定这种复合材料性能的一个重要因素是粉体与树脂基体的相容性和界面结合状况。为改善粉体与树脂基体之间的相容性，通常采用传统偶联剂如钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂等对粉体进行表面改性，但传统偶联剂在应用时都存在如下问题：当粉体含水量较高或羟基含量较高时(大量的羟基可形成分子间氢键或分子内氢键，具有吸水性，吸湿率可达8％～12％)，偶联剂会逐渐发生水解，从而使改性粉体与树脂基体之间的相容性变差，导致下游产品出现气泡、花痕、晶点等疵病，甚至出现机械强度等物理指标的严重下滑。而先将粉体进行烘干处理使其含水量降至0.5％以下后再进行改性，则使工艺流程延长，能耗增加。

发明内容

有鉴于此，为解决传统偶联剂对高含水量或高羟基含量粉体改性效果不理想的难题，本发明的目的之一在于提供一种双亲偶联剂，具有可直接改性高含水量或高羟基含量粉体的特点，无需在改性前对粉体进行苛刻的烘干处理，可简化粉体改性的生产工艺，缩短工艺流程，节约投资，节省人力和能耗，降低生产成本，减少环境污染。本发明的目的之二在于提供一种所述双亲偶联剂的制备方法，操作简便，适合工业化大规模生产。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、双亲偶联剂，按质量百分比计含有以下组分：铝酸酯偶联剂25～30％、脂肪酸34～38％和表面活性剂9～14％。

进一步，所述铝酸酯偶联剂具有以下通式：

式中，R¹和R²独立地为-OCOR⁴、-OSO₂R⁵或-OPO(OR⁶)₂，R⁴、R⁵和R⁶独立地为C₃～C₂₁烷基、C₃～C₂₁环烷基、C₂～C₂₁烯基或被C₇～C₂₁烷基取代的苯基；R³为具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物；

进一步，R³为十八伯胺、邻苯二胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺或芥酸酰胺；

进一步，R⁴为异庚基、C₇～C₂₁环烷基、乙烯基、8-十七烯基或12-二十一烯基；R⁵为十二烷基苯基；R⁶为异辛基；

进一步，所述脂肪酸为月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和芥酸中的一种或多种；

进一步，所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚甘油单硬脂酸酯、山梨醇酐单脂肪酸酯、山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯和聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯中的一种或多种。

2、所述双亲偶联剂的制备方法，包括以下步骤：在占双亲偶联剂计划产量质量百分比21～25％的惰性有机溶剂中，加入三烷氧基铝，搅拌并加热使之完全溶解，加入具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物，再加入与三烷氧基铝摩尔比为3∶1的脂肪酸，在温度为125～130℃搅拌反应0.5～1.5小时，同时减压蒸馏除去低沸点副产物，即得占双亲偶联剂计划产量质量百分比25～30％的铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入占双亲偶联剂计划产量质量百分比34～38％的脂肪酸，搅拌使之完全溶解，再加入占双亲偶联剂计划产量质量百分比9～14％的表面活性剂，在温度为115～120℃搅拌反应1小时，冷却至室温，即得双亲偶联剂。

进一步，所述惰性有机溶剂选自液体石蜡、溶剂油、二甲苯和环己烷中的一种或多种；

进一步，所述三烷氧基铝为三异丙氧基铝；所述具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物为十八伯胺、邻苯二胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺或芥酸酰胺；所述脂肪酸选自月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和芥酸中的一种或多种；

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种双亲偶联剂，其含有呈三维网络结构的双亲基团，该双亲基团的亲水端一方面可以将粉体中的水分子束缚在网络中，使水分子热运动受到限制，不易从网络中溢出；另一方面可以与水分子融合形成膨润凝胶体，通过物理交联、化学交联和物理-化学混合交联作用增加粉体与树脂基体之间的熔融效果；该双亲基团的亲油端可以与粉体形成化学键合从而进行多点锚固。

本发明优选具有上述通式的铝酸酯偶联剂，异丙氧基具有良好的水解反应活性，可以和粉体表面的亲水性基团发生物理、化学或物理化学作用；所定义的R¹和R²基团具有良好的水解稳定性并且可以通过改变结构类型、链长和/或空间位阻等进行调节，以改善粉体与树脂基体之间的相容性和作用力；所定义的R³基团是优良的配位体并可通过选择结构类型或氮原子的数目等克服或减少粉体的缔合性。

本发明解决了传统偶联剂对高含水量或高羟基含量粉体改性效果不理想的难题，所提供的双亲偶联剂具有可直接改性高含水量或高羟基含量粉体的特点，无需在改性前对粉体进行苛刻的烘干处理，可简化粉体改性的生产工艺，缩短工艺流程，节约投资，节省人力和能耗，降低生产成本，减少环境污染，适用于无机粉体(如重质碳酸钙、轻质碳酸钙、滑石粉、硅灰石、重晶石和高岭土等)和有机粉体(如木粉和淀粉等)的干法或湿法改性，多个工厂试用结果显示具有优良的应用效果；所提供的双亲偶联剂的制备方法简单，适合工业化大规模生产。

本发明双亲偶联剂的使用方法简单，干法改性时，直接加入即可，使用量为粉体质量的0.1～1.0％，控制出料温度为120℃；湿法改性时，加入粉体熟浆中研磨即可，使用量为粉体质量的0.1～1.0％。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的优选实施例及其应用效果进行详细的描述。

实施例1

在液体石蜡365g中，加入异丙醇铝102g(0.5mol)，搅拌并加热使异丙醇铝完全溶解，加入十八伯胺20g，搅拌均匀，升温至110℃，加入硬脂酸426g(1.5mol)，控温125～130℃搅拌反应50分钟，同时减压蒸馏除去异丙醇及其他低沸点副产物，得铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入硬脂酸525g，搅拌使之完全溶解，再加入硬脂酸甘油酯61g和山梨醇酐单脂肪酸酯70g，控温115～120℃搅拌反应1小时(使表面活性剂与铝酸酯偶联剂充分接枝)，冷却至室温，即得呈白色膏状的双亲偶联剂1479g，按质量百分比计含铝酸酯偶联剂29.6％，脂肪酸36％，表面活性剂9％。

实施例2

在溶剂油158g中，加入异丙醇铝61.2g(0.3mol)，搅拌并加热使异丙醇铝完全溶解，加入芥酸酰胺12g，搅拌均匀，升温至110℃，加入月桂酸180g(0.9mol)，控温125～130℃搅拌反应60分钟，同时减压蒸馏除去异丙醇及其他低沸点副产物，得铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入肉豆蔻酸280g，搅拌使之完全溶解，再加入聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯101g，控温115～120℃搅拌反应1小时(使表面活性剂与铝酸酯偶联剂充分接枝)，冷却至室温，即得呈白色膏状的双亲偶联剂738g，按质量百分比计含铝酸酯偶联剂29.6％，脂肪酸38％，表面活性剂13.7％。

实施例3

在环己烷203g中，加入异丙醇铝61.2g(0.3mol)，搅拌并加热使异丙醇铝完全溶解，加入油酸酰胺10g，搅拌均匀，升温至110℃，加入棕榈酸230g(0.9mol)，控温125～130℃搅拌反应65分钟，同时减压蒸馏除去异丙醇及其他低沸点副产物，得铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入芥酸296g，搅拌使之完全溶解，再加入山梨醇酐单月桂酸酯40g和聚甘油单硬脂酸酯61.57g，控温115～120℃搅拌反应1小时(使表面活性剂与铝酸酯偶联剂充分接枝)，冷却至室温，即得呈白色膏状的双亲偶联剂847.5g，按质量百分比计含铝酸酯偶联剂28％，脂肪酸34.9％，表面活性剂12％。

实施例4

在液体石蜡384g中，加入异丙醇铝81.6g(0.4mol)，搅拌并加热使异丙醇铝完全溶解，加入邻苯二胺20g，搅拌均匀，升温至110℃，加入芥酸405.6g(1.2mol)，控温125～130℃搅拌反应50分钟，同时减压蒸馏除去异丙醇及其他低沸点副产物，得铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入硬脂酸568g，搅拌使之完全溶解，再加入聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯154g，控温115～120℃搅拌反应1小时(使表面活性剂与铝酸酯偶联剂充分接枝)，冷却至室温，即得呈白色膏状的双亲偶联剂1541g，按质量百分比计含铝酸酯偶联剂26.9％，脂肪酸36.9％，表面活性剂10％。

应用实施例1

分别以铝酸酯偶联剂XB-1、钛酸酯偶联剂NDZ-105、硅烷偶联剂KH-550和实施例1所得双亲偶联剂为改性剂，干法改性含水量为10％的1250目重质碳酸钙粉，偶联剂用量为重质碳酸钙粉质量的1％，出料温度为120℃；将改性重质碳酸钙粉与聚氯乙烯(PVC)混合后制成薄膜，观察膜面外观，并取样(宽1mm×长5mm×厚0.05mm)进行拉断负荷和断裂伸长率检测。

结果见表1，与铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂改性重质碳酸钙粉制备的薄膜比较，用实施例1所得双亲偶联剂改性重质碳酸钙粉制备的薄膜，其拉断负荷分别提高了20.9％、19.1％、24.8％，断裂伸长率分别提高了11.6％、21.5％、15.7％，且表面光洁度好。

表1 检测结果

应用实施例2

分别以铝酸酯偶联剂XB-1、钛酸酯偶联剂NDZ-105、硅烷偶联剂KH-550和实施例2所得双亲偶联剂为改性剂，干法改性含水量为5％的淀粉，偶联剂用量为淀粉质量的1％，出料温度为120℃；用改性淀粉制备降解母料，再进一步制成薄膜，观察膜面外观，并取样(宽1mm×长5mm×厚0.05mm)进行拉断负荷和断裂伸长率检测。

结果见表2，与用铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂改性淀粉制备的薄膜比较，用实施例2所得双亲偶联剂改性淀粉制备的薄膜，其拉断负荷分别提高了15.8％、25.7％、17.9％，断裂伸长率分别提高了15.8％、25.7％、17.9％，且表面光洁度好。

表2 检测结果

应用实施例3

分别以铝酸酯偶联剂XB-1、钛酸酯偶联剂NDZ-105、硅烷偶联剂KH-550和实施例3所得双亲偶联剂为改性剂，干法改性含水量为10％的木粉(由水曲柳和杨木按照质量比为7∶3混合而成)，偶联剂用量为木粉质量的1％，出料温度为120℃；用改性木粉与PVC混合制成木质地板，观察地板的韧性、耐磨性和表面光洁度。

结果显示，用实施例3所得双亲偶联剂改性木粉制备的地板，其韧性、耐磨性和表面光洁度均优于用其它三种偶联剂改性木粉制成的地板。

应用实施例4

分别以铝酸酯偶联剂XB-1、钛酸酯偶联剂NDZ-105、硅烷偶联剂KH-550和实施例4所得双亲偶联剂为改性剂，干法改性含水量为8％的滑石粉，偶联剂用量为滑石粉质量的1％，出料温度为120℃；用改性滑石粉制备透明母料，再进一步制成薄膜，观察膜面外观，并取样(宽1mm×长5mm×厚0.05mm)进行拉断负荷和断裂伸长率检测。

结果见表3，与用铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂或硅烷偶联剂改性滑石粉制备的薄膜比较，用实施例4所得双亲偶联剂改性滑石粉制备的薄膜，其拉断负荷分别提高了13.8％、12.8％、22.2％，断裂伸长率分别提高了12.0％、36.6％、17.3％，且表面光洁度和透光性好。

表3 检测结果

从上述应用效果可以看出，本发明的双亲偶联剂可以直接改性高含水量的无机粉体(如重质碳酸钙粉、滑石粉等)和高羟基含量的有机粉体(如木粉、淀粉等)，用其改性粉体制备的下游产品的表面光洁度好，无花痕和晶点等疵病，拉断负荷和断裂伸长率等物理指标均优于传统的铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims

1.双亲偶联剂，其特征在于：按质量百分比计含有以下组分：铝酸酯偶联剂25～30％、脂肪酸34～38％和表面活性剂9～14％；所述铝酸酯偶联剂具有以下通式：

式中，R¹和R²独立地为-OCOR⁴、-OSO₂R⁵或-OPO(OR⁶)₂，R⁴、R⁵和R⁶独立地为C₃～C₂₁烷基、C₃～C₂₁环烷基、C₂～C₂₁烯基或被C₇～C₂₁烷基取代的苯基；R³为具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物；所述脂肪酸为月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和芥酸中的一种或多种；所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚甘油单硬脂酸酯、山梨醇酐单脂肪酸酯、山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯和聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的双亲偶联剂，其特征在于：R³为十八伯胺、邻苯二胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺或芥酸酰胺。

3.根据权利要求1所述的双亲偶联剂，其特征在于：R⁴为异庚基、C₇～C₂₁环烷基、乙烯基、8-十七烯基或12-二十一烯基；R⁵为十二烷基苯基；R⁶为异辛基。

4.权利要求1所述的双亲偶联剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：在占双亲偶联剂计划产量质量百分比21～25％的惰性有机溶剂中，加入三烷氧基铝，搅拌并加热使之完全溶解，加入具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物，再加入与三烷氧基铝摩尔比为3∶1的脂肪酸，在温度为125～130℃搅拌反应0.5～1.5小时，同时减压蒸馏除去低沸点副产物，即得占双亲偶联剂计划产量质量百分比25～30％的铝酸酯偶联剂；向所得铝酸酯偶联剂中加入占双亲偶联剂计划产量质量百分比34～38％的脂肪酸，搅拌使之完全溶解，再加入占双亲偶联剂计划产量质量百分比9～14％的表面活性剂在温度为115～120℃搅拌反应1小时，冷却至室温，即得双亲偶联剂；所述脂肪酸选自月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸和芥酸中的一种或多种；所述表面活性剂为单硬脂酸甘油酯、聚甘油单硬脂酸酯、山梨醇酐单脂肪酸酯、山梨醇酐单月桂酸酯、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯和聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的双亲偶联剂的制备方法，其特征在于：所述惰性有机溶剂选自液体石蜡、溶剂油、二甲苯和环己烷中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的双亲偶联剂的制备方法，其特征在于：所述三烷氧基铝为三异丙氧基铝；所述具有孤电子对氮原子的有机胺类化合物为十八伯胺、邻苯二胺、硬脂酸酰胺、油酸酰胺或芥酸酰胺。