CN102417595B - 一种聚氨酯改性有机硅胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
该发明提供一种新型聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于该聚氨酯改性硅胶是聚氨酯链段、聚醚链段、有机硅链段的嵌段共聚物，通过引入聚氨酯链锻使硅胶保持优良的耐候性、电绝缘性、耐热性、耐沾污性、保光保色性的同时，还具有良好的抗振动冲击性、粘附性、耐溶剂性、柔韧性及耐化学腐蚀性耐水性以及较快的固化时间，有效改善硅胶对涤纶或涤/棉纺织面料附着力；通过引入含氨基活性基团交联剂不仅使改性硅胶具有优良的保光性、粘结性、电绝缘性、耐热性，还具有高表面硬度、抗弯曲性等优点，而且固化速度快、耐抗撕拉、不粉化。该嵌段共聚物结构可控，极大地拓展了聚氨酯改性硅胶的性能和应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及硅胶技术领域，特别是一种用聚氨酯改性硅胶的制备方法。
背景技术
硅胶具有非常优异的耐高低温、耐候、憎水、电绝缘等性能和极宽广的使用温度范围，已成为包括航天、航空、航海、国防军工、电子电器、交通运输、医疗卫生等领域和人类日常生活中不可缺少的重要材料。
但是硅胶的性能还存在着一系列问题，如耐溶剂性不佳、机械强度差、极不耐磨损、固化温度高，特别是涂膜于聚脂基材时，其粘附性差，极大地限制了硅胶的应用范围。聚氨酯树脂具有良好的抗振动冲击性、粘附性、耐溶剂性、柔韧性及耐化学腐蚀性，因此经聚氨酯改性的硅胶能克服其性能的不足，改善硅胶的耐溶剂性、机械强度、耐磨损牢度等性能。当其作为涤纶或涤/棉纺织面料的印花硅胶时，能提高了硅胶与织物间的相容性和粘着力；用作涂料时可以增加漆膜抗撕拉性，提高其耐溶剂性，并使漆膜具有耐候性好、耐腐蚀、固化速度快、可涂饰性等优点。将有机硅胶与聚氨酯树脂两者结合起来，可以弥补两者的不足并兼具两者的优点，提高其综合性能，并拓宽应用范围。
到目前为止，一般采用物理共混的方法将聚酯和有机硅胶等组份共混以提高其综合性能。例如，将含烷氧链段聚合物利用物理共混的方法添加到聚酯树脂中可以提高漆膜柔韧性，但对树脂的硬度稳定性和机械性能等都有不良的影响，很难满足高品质树脂的要求，必然会影响其应用领域；中国专利CN102031697A报道了聚酯/聚醚改性硅油三元共聚织物整理剂的制备方法，该工艺处理织物时虽然提高了织物的亲水性，抗静电性，耐沾污性，但由于其不具有反应性活性基团，很难于聚酯之间建立耐久性的结合，粘附性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种新型聚氨酯改性硅胶的制备方法，通过引入聚氨酯链锻改善了硅胶的耐久性、耐溶剂性、抗撕拉性等性能；通过引入含氨基活性基团交联剂不仅使改性硅胶具有优良的保光性、粘结性、电绝缘性、耐热性，还具有高表面硬度、抗弯曲性等优点，而且固化速度快、耐磨损、不粉化，因此具有广泛的应用价值。
为解决该技术问题，本发明的技术方案包括以下步骤：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷投入反应釜中，在30℃~70℃温度下搅拌反应0.5h~1h，加入酸性催化剂，在50℃~70℃温度下进行平衡化反应3h~10h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚投入反应釜中，在60℃~100℃温度下搅拌反应2h~3h，再滴加铂催化剂搅拌反应2h~3h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与氨基聚醚在80℃~100℃温度下反应1h~3h，得到端氨基改性有机硅。其反应方程式如下：
方程式中的m、n、e代表重复单元的个数
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯、氨基聚醚和聚乙二醇这三种单体投入反应釜中，再加入二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至60℃~80℃，恒温反应2h~3h后，得到聚氨酯预聚体。其反应方程式如下：
方程式中的m、n、s、a、b 代表重复单元的个数
(3)聚氨酯改性硅胶的制备：
将端氨基改性有机硅和聚氨酯预聚体混合投入到反应釜中，在N2保护下，于65℃~90℃温度下反应1h~3h，即得聚氨酯改性硅胶。其反应方程式如下：
方程式中的m、n、a、b、c、e、f代表重复单元的个数
步骤(1)端氨基改性有机硅的制备中，所述的八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷质量比为4:1~19:1；所述的酸性催化剂为质量分数为98%的浓硫酸，其用量为反应物总质量的0.0005%~0.5%。
步骤(1)端氨基改性有机硅的制备中，所述的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚的质量比为1:1.5~1:3，所述的铂催化剂用量为反应物总质量的0.00005%~0.0005%。
步骤(1)端氨基改性有机硅的制备中，所述的端二环氧基硅油与氨基聚醚的质量比为1:5~1:8。
步骤(2)聚氨酯预聚体的制备中，所述的对苯二异氰酸酯:氨基聚醚:聚乙二醇的摩尔比为2.1:1:1，聚乙二醇为聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800或聚乙二醇1000，二月桂酸二丁基锡占单体总质量的0.01%~1%。
步骤(1)和步骤(2)中所述的氨基聚醚为二官能度端氨基聚醚或三官能度端氨基聚醚，其中二官能度端氨基聚醚的分子量为230、400、2000或3000，三官能度端氨基聚醚的分子量为403、3000或5000。
步骤(3)聚氨酯改性硅胶的制备中，所述的端氨基改性有机硅与聚氨酯预聚体的质量比为1: 0.4~2。
本发明的优点：
(1) 由于硅胶中引入聚氨酯嵌段共聚物链段和含氨基活性基团交联剂，从而使硅胶克服了自身性能的不足，使其不仅具有优良的耐候性、电绝缘性、粘结性、耐热性、保光保色性，还具有良好的耐磨性、耐溶剂性、机械强度以及较快的固化速度；
(2) 本发明的聚氨酯改性硅胶采用嵌段共聚的方法引入聚氨酯链段和聚醚链段，三种聚合物链段相容性好，不需要再加入表面活性剂；
(3) 本发明的聚氨酯改性硅胶采用嵌段共聚的方法引入聚氨酯链段和聚醚链段，嵌段共聚物中各聚合物链段比例可以根据需要进行调整，拓宽了改性硅胶的应用范围。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步的说明。
实施例1：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按4:1的质量比投入到反应釜中，在65℃温度下搅拌反应0.5h，再加入占反应物总质量0.0005%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为70℃时，进行平衡化反应3h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:1.5的质量比投入反应釜中，在70℃温度下搅拌反应3h，再滴加占反应物总质量0.00005%的铂催化剂反应3h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为2000的二官能度端氨基聚醚以1:5的质量比投入反应釜于100℃反应2h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为403的三官能度端氨基聚醚和聚乙二醇600(PEG 600) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.1%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至70℃，恒温反应3h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:2的质量比混合, 在N2保护下，于65℃温度下反应3h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为16MPa，断裂延伸度为750%。
实施例2：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按9:1的质量比投入反应釜中，在70℃温度下搅拌反应1h，再加入占反应物总质量0.25%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为70℃时，进行平衡化反应5h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:3的质量比投入反应釜中，在60℃温度下搅拌反应3h，再滴加占反应物总质量0.0005%的铂催化剂反应3h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为400的二官能度端氨基聚醚以1:5的质量比投入反应釜于80℃反应3h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为3000的三官能度端氨基聚醚和聚乙二醇600(PEG 600) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.01%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至70℃，恒温反应3h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:0.4的质量比混合, 在N2保护下，于80℃温度下反应2.5h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为7.6MPa，断裂延伸度为450%。
实施例3：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按19:1的质量比投入反应釜中，在60℃温度下搅拌反应0.75h，再加入占反应物总质量0.0005%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为60℃时，进行平衡化反应7h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:3的质量比投入反应釜中，在75℃温度下搅拌反应3h，再滴加占反应物总质量0.0003%的铂催化剂搅拌反应2h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为2000的二官能度端氨基聚醚以1:6.5的质量比投入反应釜于90℃反应2.5h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为2000的二官能度端氨基聚醚和聚乙二醇400(PEG 400) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量1%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至60℃，恒温反应2h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:0.5的质量比混合, 在N2保护下，于80℃温度下反应2.5h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为8.5MPa，断裂延伸度为650%。
实施例4：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按17:3的质量比投入反应釜中，在30℃温度下搅拌反应1h，再加入占反应物总质量0.5%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为50℃时，进行平衡化反应10h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以3:7的质量比投入反应釜中，在80℃温度下搅拌反应2.5h，再滴加占反应物总质量0.00005%的铂催化剂搅拌反应2.5h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为3000的二官能度端氨基聚醚以1:7的质量比投入反应釜于100℃反应2.5h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为5000的三官能度端氨基聚醚和聚乙二醇600(PEG 600) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.5%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至70℃，恒温反应2.5h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:1的质量比混合, 在N2保护下，于75℃温度下反应3h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为12MPa，断裂延伸度为700%。
实施例5：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按9:1的质量比投入反应釜中，在60℃温度下搅拌反应1h，再加入占反应物总质量0.3%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为65℃时，进行平衡化反应6h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以7:13的质量比投入反应釜中，在90℃温度下搅拌反应3h，再滴加占反应物总质量0.0001%的铂催化剂搅拌反应2.5h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为230的二官能度端氨基聚醚以1:6.5的质量比投入反应釜于80℃反应3h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为2000的二官能度端氨基聚醚和聚乙二醇800(PEG 800) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.05%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至70℃，恒温反应3h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:0.4的质量比混合, 在N2保护下，于85℃温度下反应3h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为7MPa，断裂延伸度为420%。
实施例6：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按17:3的质量比投入反应釜中，在50℃温度下搅拌反应0.8h，再加入占反应物总质量0.3%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为60℃时，进行平衡化反应8h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:3的质量比投入反应釜中，在100℃温度下搅拌反应2h，再滴加占反应物总质量0.0002%的铂催化剂搅拌反应2h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为3000的三官能度端氨基聚醚以1:8的质量比投入反应釜于90℃反应1h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为403的三官能度端氨基聚醚和聚乙二醇1000(PEG 1000) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.1%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至70℃，恒温反应3h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:1.5的质量比混合, 在N2保护下，于85℃温度下反应2.5h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为14MPa，断裂延伸度为710%。
实施例7：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按4:1的质量比投入反应釜中，在65℃温度下搅拌反应0.5h，再加入占反应物总质量0.2%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为70℃时，进行平衡化反应5h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:2.5的质量比投入反应釜中，在70℃温度下搅拌反应2.5h，再滴加占反应物总质量0.0005%的铂催化剂搅拌反应3h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与分子量为2000的二官能度端氨基聚醚以1:6的质量比投入反应釜于80℃反应3h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为5000的三官能度端氨基聚醚和聚乙二醇600(PEG 600) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量0.5%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至80℃，恒温反应2h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(2) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:0.8的质量比混合, 在N2保护下，于85℃温度下反应1.5h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为12.6MPa，断裂延伸度为680%。
实施例8：
制备聚氨酯改性硅胶的步骤如下：
(1) 端氨基改性有机硅的制备：
将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷按12:1的质量比投入反应釜中，在50℃温度下搅拌反应1h，再加入占反应物总质量0.1%的质量分数为98%的浓硫酸，在温度为70℃时，进行平衡化反应9h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚以1:2的质量比投入反应釜中，在90℃温度下搅拌反应3h，再滴加占反应物总质量0.0001%的铂催化剂搅拌反应3h，得到端二环氧基硅油；将聚端二环氧基硅油与分子量为3000的二官能度端氨基聚醚以1:7的质量比投入反应釜于80℃反应3h，得到端氨基改性有机硅。
(2) 聚氨酯预聚体的制备：
将对苯二异氰酸酯(PPDI)、分子量为400的二官能度端氨基聚醚和聚乙二醇600(PEG 600) 这三种单体按2.1:1:1的摩尔比投入反应釜中，再加入占单体总质量1%的二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至60℃，恒温反应3h后，结束酯化反应，即得聚氨酯预聚体。
(3) 聚氨酯改性硅胶的制备：
将步骤(1)制得的端氨基改性有机硅和步骤(2)制得的聚氨酯预聚体按1:2的质量比混合, 在N2保护下，于90℃温度下反应1h，即得聚氨酯改性硅胶。
材料性能：得到的聚氨酯改性硅胶拉伸强度为14.8MPa，断裂延伸度为750%。
Claims (7)
1.一种聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷投入反应釜中，在30℃～70℃温度下搅拌反应0.5h～1h，加入酸性催化剂，在50℃～70℃温度下进行平衡化反应3h～10h，然后用无水碳酸钠中和后，经过滤、抽真空，得到甲基含氢硅氧烷中间体；将制得的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚投入反应釜中，在60℃～100℃温度下搅拌反应2h～3h，再滴加铂催化剂搅拌反应2h～3h，得到端二环氧基硅油；将端二环氧基硅油与氨基聚醚在80℃～100℃温度下反应1h～3h，得到端氨基改性有机硅；
(2)将对苯二异氰酸酯、氨基聚醚和聚乙二醇这三种单体投入反应釜中，再加入二月桂酸二丁基锡，然后在N2保护下缓慢升温至60℃～80℃，恒温反应2h～3h后，得到聚氨酯预聚体；
(3)将制得的端氨基改性有机硅和聚氨酯预聚体混合投入到反应釜中，在N2保护下，于65℃～90℃温度下反应1h～3h，即得聚氨酯改性硅胶；
其中，步骤(2)中所述的聚乙二醇为聚乙二醇400、聚乙二醇600、聚乙二醇800或聚乙二醇1000；
步骤(1)、步骤(2)中所述的氨基聚醚为二官能度端氨基聚醚或三官能度端氨基聚醚，其中二官能度端氨基聚醚的分子量为230、400、2000或3000，三官能度端氨基聚醚的分子量为403、3000或5000。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于所述的端氨基改性有机硅与聚氨酯预聚体的质量比为1:0.4～2。
3.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于在步骤(1)中，所述的八甲基环四硅氧烷与四甲基二硅氧烷的质量比为4:1～19:1。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于在步骤(1)中，所述的酸性催化剂为质量分数为98%的浓硫酸，用量为反应物总质量的0.0005%～0.5%。
5.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于在步骤(1)中，所述的甲基含氢硅氧烷中间体与烯丙基缩水甘油醚的质量比为1:1.5～1:3，所述的铂催化剂用量为反应物总质量的0.00005%～0.0005%。
6.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于在步骤(1)中，所述的端二环氧基硅油与氨基聚醚的质量比为1:5～1:8。
7.根据权利要求1所述的聚氨酯改性硅胶的制备方法，其特征在于在步骤(2)中，所述的对苯二异氰酸酯:氨基聚醚:聚乙二醇的摩尔比为2.1:1:1，二月桂酸二丁基锡占单体总质量的0.01%～1%。
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