CN103865076B - 一种季铵盐超支化型抗静电剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料抗静电剂技术领域,特别涉及一种季铵盐超支化型抗静电剂:丙炔醇与丁二酸酐反应得到改性单体R1,R1与3-(二甲氨基)-1-丙硫醇反应得到改性单体R2,R2与端羟基超支化聚合物反应,得到端二甲基胺超支化结构,然后与烷基氯反应得到季铵盐超支化型抗静电剂。本发明抗静电剂分子中含有更多的有效活性基团,分子利用率更高,在基体中表面吸水性更强,相应具有更好的抗静电效果;表现出与基质更好的相容性,且很好的分散性。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料抗静电剂技术领域,特别涉及一种季铵盐超支化型抗静电剂,还涉及所述季铵盐超支化型抗静电剂的制备方法。
背景技术
随着高分子材料的不断发展,高分子产品有着越来越多的利用,高分子除了具有与无机材料相比质量较轻的特点,在强度等物理性能上也有着较好的性能。然而,由于普通高分子材料是一种很好的绝缘材质,表面由于摩擦易产生静电,如果这些静电不及时排出去,大量的静电会产生火花,这在不同领域会引起不同的危害。例如,塑料表面产生静电可能引起生产不能正常进行,发生火花导致爆炸和损坏电子设备的集成电路等问题。此外,在纺织加工和纤维制品的使用中已成为一种普遍存在静电问题。由于大多数合成纤维缺少亲水性基团导致其吸湿能力很差,且一般既不能电离,也不会产生自由电子,所以疏水性好而且电荷性高。如聚丙烯纤维和聚丙烯睛纤维都是非导电性材料,不仅导致其加工困难,还严重影响穿着舒适性,使穿着时易产生静电。
目前,消除高分子材料在生产、加工和使用过程中产生静电的起因在实际上是不可能的,而提高高分子材料的抗静电性能,使用抗静电剂以及其它方法将产生的电荷耗散是防止静电产生的基本方法。
抗静电剂也是一种表面活性剂,它具有吸湿性,在聚合物的表面吸收大气中的水分而形成一层很薄的导电薄膜,从而使静电迅速消除。在这一过程中水分起着重要的作用,随着大气湿度的提高,材料的表面导电能力也提高,使静电荷迅速流失,产生较好的抗静电性能。抗静电剂目前市场上应用的还主要是低分子抗静电剂,然而,低分子抗静电剂固有的一些缺点(迁移性、暂时性),注定了其必将被大分子型抗静电剂所取代。
超支化聚合物具有独特的三维结构,分子中含有大量活性基团,结构内部有大量空腔,表现出溶解性高、化学反应活性强和黏度低等特点。其独特的结构和性能特点以及可实现工业化生产的优点,很快成为研究的热点之一,在更多的科研领域有所研究。与线性高分子相比不同的是,超支化聚合物的活性受端基的影响很大,因此可以根据需要进行各种功能化改性。
发明内容
为了解决以上现有技术中低分子抗静电剂的稳定性不好,与基体相容性差,易迁移等缺陷,本发明提供了一种与基体相容性好,能大大提高抗静电性能且基本不影响基体物理性能的季铵盐超支化型抗静电剂。
本发明还提供了所述季铵盐超支化型抗静电剂的制备方法。
本发明是通过以下措施实现的:
一种季铵盐超支化型抗静电剂,结构式如下:
,
其中,M代表端羟基超支化聚合物,m为端羟基超支化聚合物中端羟基的数量,n为发生取代的端羟基的数量。
所述的季铵盐超支化型抗静电剂,m为3-48,n为1-48。
所述的季铵盐超支化型抗静电剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)改性单体的合成:丙炔醇与丁二酸酐反应得到改性单体R1,反应式如下式1所示;
(2)R1与3-(二甲氨基)-1-丙硫醇反应得到改性单体R2,反应式如下式2所示;
(3)R2与端羟基超支化聚合物反应,得到端二甲基胺超支化结构,见式3(以端羟基数量为12为例),然后与烷基氯反应得到季铵盐超支化型抗静电剂,见式4(以端羟基数量为12为例)。
所述的制备方法,优选步骤(1)中丙炔醇与丁二酸酐的摩尔比为1:1。
所述的制备方法,优选步骤(2)中R1与3-(二甲氨基)-1-丙硫醇的摩尔比为1:2。
所述的制备方法,优选步骤(3)中R2与端羟基超支化聚合物中端羟基的摩尔比为1-1.5:1。
所述的制备方法,优选步骤(3)中R2与烷基氯的摩尔比为1:2。
所述的制备方法,优选端羟基超支化聚合物是通过以下步骤得到的:
(1)将相同摩尔量的酸酐和二乙醇胺反应得到带有一个羧基和两个羟基的AB2型单体;
(2)AB2型单体与核分子反应得到端羟基超支化聚合物。
所述的制备方法,优选核分子为三羟甲基丙烷。
所述的制备方法,优选AB2型单体与核分子摩尔比为21:1,AB2型单体与核分子摩尔比不同,会得到不同端羟基数量的超支化聚合物。当AB2型单体与核分子以摩尔比9:1、21:1、45:1反应时,分别得到第二代、第三代、第四代端羟基超支化聚合物。通过采用氯离子含量来确定季铵化转化率,第二代产品的转化率为89.63%;第三代产品的转化率为88.76%;第四代产品的转化率为86.32%。从转化率可以看出,随着代数的增加,转化率略有所降低,影响较小。
利用超支化聚合物跟传统的线性大分子相比所具有的一些特殊性质,其独特的三维立体状的分子结构使分子链无缠绕性和无结晶性。其溶解性能好,粘度低,当分子量增加或浓度提高时,仍能保持较低的粘度,而且末端带有数量众多的活性基团。它的合成过程相对简单,不需要多步的分离提纯,制备简单,生产成本较低,适用于大规模工业化生产。本发明提出一种带有大量端羟基的超支化结构基础上,合成一种一端含有羧基,一端含有二甲基胺的改性体,并对超支化结构进行二甲基胺改性,然后通过氯代烷烃季胺化,合成一种季铵盐超支化型抗静电剂。
本发明的有益效果是:
(1)与普通抗静电剂相比,本发明抗静电剂分子中含有更多的有效活性基团,分子利用率更高,在基体中表面吸水性更强,相应具有更好的抗静电效果;
(2)本发明分子末端具有大量的烷基脂肪烃,基体中依托超支化三维空间结构,分子间不缠绕,使分子表现出与基质更好的相容性,且很好的分散性;
(3)所用原料均是常见的工业化产品,价格低廉,而且其合成过程相对简单,不需要多步的分离提纯,制备简单,生产成本较低,综合成本较低;
(4)本发明的超支化型抗静电剂,是一种三维立体结构的新型抗静电剂,它具有大量的活性末端官能,较低的粘度,较高的溶解度,其掺加量少,与基体相容性好,能大大提高高分子材料的抗静电性能且基本不影响基体物理性能;
(5)采用带有大量活性基团的季铵盐超支化型抗静电剂,利用超支化型抗静电剂特殊的结构及具有大量的活性季铵盐,以及长链脂肪烃,在树脂基体中表现出较好的活性以及基体相容性等优点。
具体实施方式
以下对本发明的季铵盐超支化型抗静电剂及制备方法进行更详细的描述,其目的在于说明本发明的构思及特点,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
1、首先制备第二代端羟基超支化G21
(1)称取9.02g(0.09mol)丁二酸酐,9.48g(0.09mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应2h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50ml甲苯,再加入1.34g(0.01mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.15g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,保温6h后结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第二代端羟基超支化聚合物G21。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,二氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液50ml加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗,减压蒸馏除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥后,得到黄色晶体状产物R158.6克;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g。氮气保护下用波长为365nm的紫外线照射反应84h。旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取46.8g(0.12mol)R2加入第二代端羟基超支化聚合物G21(0.01mol)中,加入DMF溶解,加入50ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至分水器里甲苯中无水滴,反应结束加入氯代十二烷0.24mol,温度控制在80℃,反应10h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M1。
实施例2
1、首先制备第二代端羟基超支化G22
(1)称取9.02g(0.09mol)丁二酸酐、4.08g(0.09mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计和分水器的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应2h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50mL甲苯,再加入1.34g(0.01mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.15g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,保温6h后结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第二代端羟基超支化聚合物G22。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,二氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液50ml加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗涤,减压蒸馏除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥,得到黄色晶体状产物R158.6g;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g,通氮气50min后在室温下用波长为365nm的紫外线照射反应84h。旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取70.1g(0.18mol)R2加入第二代端羟基超支化聚合物G22(0.01mol)中,加入DMF溶解,加入60ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至分水器中无水生成,反应结束加入氯代十四烷0.24mol,温度控制在80℃,反应12h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M2。
实施例3
1、首先制备第三代端羟基超支化G31
(1)称取10.51g(0.105mol)丁二酸酐、11.04g(0.105mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计和分水器的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应3h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50ml甲苯,再加入0.67g(0.005mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.18g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,反应至无水生成,结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第三代端羟基超支化聚合物G31。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,二氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液50ml加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗涤,旋蒸除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥后,得到黄色晶体状产物R158.6克;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g,通氮气50min后在室温下用波长为365nm的紫外线照射反应84h(注意控制温度防止紫外照射升温),旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取46.8g(0.12mol)R2加入第三代端羟基超支化聚合物G31(0.005mol)中,加入DMF溶解,加入50ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至甲苯中无水,反应结束加入氯代十二烷0.24mol,温度控制在90℃,反应10h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M3。
实施例4
1、首先制备第三代端羟基超支化G32
(1)称取10.51g(0.105mol)丁二酸酐,11.04g(0.105mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计和分水器的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应2h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50ml甲苯,再加入0.67g(0.005mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.19g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,保温6h后结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第三代端羟基超支化聚合物G32。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,二氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液(50ml)加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗涤,旋蒸除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥后,得到黄色晶体状产物R158.6g;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g。氮气保护下用波长为365nm的紫外线照射反应84h,旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取70.1g(0.18mol)R2加入第三代端羟基超支化聚合物G32(0.005mol)中,加入DMF溶解,加入60ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至甲苯中无水,反应结束加入氯代十二烷0.24mol,温度控制在90℃,反应15h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M4。
实施例5
1、首先制备第四代端羟基超支化G41
(1)称取11.25g(0.1125mol)丁二酸酐、11.83g(0.1125mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计和分水器的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应4h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50ml甲苯,再加入0.34g(0.0025mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.15g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,保温6h后结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第四代端羟基超支化聚合物G41。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液50ml加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗涤,旋蒸除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥后,得到黄色晶体状产物R158.6g;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g,氮气保护下用波长为365nm的紫外线照射反应84h,旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取46.8g(0.12mol)R2加入第四代端羟基超支化聚合物G410.0025mol中,加入DMF溶解,加入50ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至甲苯中无水,反应结束加入氯代十二烷0.24mol,温度控制在90℃,反应10h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M5。
实施例6
1、首先制备第四代端羟基超支化G42
(1)称取11.25g(0.1125mol)丁二酸酐,11.83g(0.125mol)二乙醇胺(使用前回流脱水),首先将二乙醇胺溶于40mlN,N-二甲基乙酰胺(DMAc),溶解后倒入装有温度计和分水器的三口烧瓶中,再将丁二酸酐用40mlDMAc溶解,然后将其缓慢滴加三口烧瓶瓶中,采用磁力搅拌器在25℃下反应2h,得AB2型单体;
(2)然后再在上述三口烧瓶中先加入50ml甲苯,再加入0.34g(0.0025mol)三羟甲基丙烷作为核分子,等到三羟甲基丙烷完全溶解后,再加入0.15g氨基磺酸,搅拌加热至有回流产生,用分水器分离出生成的水,保温6h后结束反应,降温降至室温,旋蒸除去溶剂,得到以三羟甲基丙烷为核的第四代端羟基超支化聚合物G42。
2、制备季铵盐超支化型抗静电剂
(1)量取丙炔醇25ml(0.43mol),三乙胺5ml,二氯甲烷100ml和丁二酸酐43.16g(0.43mol)的二氯甲烷溶液50ml加入250ml三口烧瓶,氮气保护下加热至回流反应48h,结束后经1mol/lHCl溶液洗涤,旋蒸除去溶剂,再在甲苯中重结晶,干燥后,得到黄色晶体状产物R158.6g;
(2)取R129.55g(0.2mol)用180ml四氢呋喃溶解后置于500mlSchlenk圆底烧瓶中,再加入3-(二甲氨基)-1-丙硫醇49.66g(0.4mol),避光下加入安息香双甲醚2.4g,氮气保护下用波长为365nm的紫外线照射反应84h,旋蒸除去溶剂,用氯仿溶解后在无水乙醇中沉淀两遍,冷却后分层,取下层产物在30℃下真空干燥48h,得到橘红色粘稠状液体R272.8g;
(3)取70.1g(0.18mol)R2加入第四代端羟基超支化聚合物G42(0.0025mol)中,加入DMF溶解,加入60ml甲苯,0.1g对甲苯磺酸,加热升温至回流,反应至甲苯中无水,反应结束加入氯代十六烷0.24mol,温度控制在90℃,反应10h,旋蒸除去溶剂,得到粘稠状季铵盐超支化型抗静电剂M6。
为了说明本发明的技术效果,下面就分别以本发明的产品与对照产品加入PVC树脂中热压成型,测其表面电阻和断裂伸长率和拉伸强度来比较其抗静电性能以及对基体物理性能的影响。其中对照产品,为实施例中得到的改性单体R2直接与烷基氯反应得到的产品,记为D。表面电阻测试按照国标GB/T1410-2006,拉伸性能测试按照国标GB/T1040-92进行。
表1本产品和市售产品各项性能比较
从表中数据可以看出,选用本产品作为抗静电剂,具有很好的抗静电性能,通过与合成的小分子季铵盐抗静电剂相比,在抗静电性能上,同等添加量下,超支化季铵盐抗静电剂具有更好的抗静电性能,这是由于超支化抗静电剂结构末端具有更多的活性基团,此外,本产品添加在基体中对基体的拉伸强度和断裂伸长率影响较小,符合工业生产要求,间接反应出本产品与基体具有很好的相容性和分散性,可以作为一种很好的新型抗静电。
Claims (6)
1.一种季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于结构式如下:
,
其中,M代表端羟基超支化聚合物,m为端羟基超支化聚合物中端羟基的数量,n为发生取代的端羟基的数量;
m为3-48的自然数,n为1-48的自然数;
是通过以下步骤得到的:
(1)改性单体的合成:丙炔醇与丁二酸酐反应得到改性单体R1;
(2)R1与3-(二甲氨基)-1-丙硫醇反应得到改性单体R2;
(3)R2与端羟基超支化聚合物反应,得到端二甲基胺超支化结构,然后与烷基氯反应得到季铵盐超支化型抗静电剂;
端羟基超支化聚合物是通过以下步骤得到的:
(1)将相同摩尔量的丁二酸酐和二乙醇胺反应得到带有一个羧基和两个羟基的AB2型单体;
(2)AB2型单体与核分子反应得到端羟基超支化聚合物;
核分子为三羟甲基丙烷,AB2型单体与核分子摩尔比为21:1。
2.根据权利要求1所述的季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于步骤(1)中丙炔醇与丁二酸酐的摩尔比为1:1。
3.根据权利要求1所述的季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于步骤(2)中R1与3-(二甲氨基)-1-丙硫醇的摩尔比为1:2。
4.根据权利要求1所述的季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于步骤(3)中R2与端羟基超支化聚合物中端羟基的摩尔比为1-1.5:1。
5.根据权利要求1所述的季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于步骤(3)中R2与烷基氯的摩尔比为1:2。
6.根据权利要求1所述的季铵盐超支化型抗静电剂,其特征在于烷基氯为氯代十六烷、氯代十四烷或氯代十二烷。
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