CN107022053A - 一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂,其制备首先利用溶胶‑凝胶结合水热法成功合成了KH‑560‑TiO2颗粒,在纳米二氧化钛颗粒表面引入环氧基团;使用乙烯基三甲氧基硅烷为原料进行水解缩聚反应制得八乙烯基笼型倍半硅氧烷,而后进一步氧化得到带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子,之后通过二氧化钛、硅氧烷上的环氧基团与丙烯腈发生接枝反应,即得抗老化剂。本发明在TiO2颗粒表面引入环氧基团,与带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子、丙烯腈接枝反应,从而制备出聚合物杂化纳米材料,将其作为抗老化剂,添加到聚乙烯等电缆材料中,可明显提高电缆材料的抗紫外老化性能。
Description
技术领域
本发明涉及丙烯腈材料领域,具体涉及一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂及其制备方法。
背景技术
聚乙烯具有优良的电绝缘性、耐低温性、易成型加工性和足够的机械强度等,是一种很好的电气绝缘材料,已被广泛用作电线、电缆绝缘层和护套料的主要原料。但是,由于它的使用温度低、承受短路能力差,不适合用于发热量较大的导线和1kV以上的电力电缆等领域,其市场受到了很大的限制。通过较长时间探索研究,现已找到了对聚乙烯进行交联改性的方法,开发出性能优异和生产、安装、维护等都较简便的硅烷交联聚乙烯(SXPE)电线电缆绝缘材料。
笼型倍半硅氧烷(POSS)是一类以无机的Si-O键为骨架结构,外层带有多个有机基团R的杂化材料,作为一种新型材料具有比较特殊的结构,其单体本身即为核壳结构的有机无机杂化材料,因此,POSS具有非常优异的性能。Si-O-Si无机骨架使其具有较高的热稳定性,而有机基团R则可通过合成调控从而获得不同性能。
马岩、胡立江等人在其《硅烷交联聚乙烯电缆材料的制备与反应动力学研究》一文中,以多官能团八乙烯基笼型倍半硅氧烷(OVPOSS)作为交联剂,用双螺杆挤出机熔融制备过氧化物母粒和OVPOSS母粒,然后将两种母粒按一定比例与低密度聚乙烯进行挤出共混,制备得到可交联的复合体系,具有优良的绝缘性能。
纳米二氧化钛具有良好的紫外线吸收作用,能提高复合材料的耐老化性能,另外纳米二氧化钛因其具有较高的介电常数,作为一种无机纳米填料对有机物材料的绝缘改性,可大幅度提高材料的耐局部放电性能。但目前使用二氧化钛改性聚乙烯材料的方法主要是直接混合加入,与材料的相容性较差。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂及其制备方法。
一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂,其制备首先利用溶胶-凝胶结合水热法成功合成了KH-560-TiO2颗粒,在纳米二氧化钛颗粒表面引入环氧基团;使用乙烯基三甲氧基硅烷为原料进行水解缩聚反应制得八乙烯基笼型倍半硅氧烷,而后进一步氧化得到带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子,之后通过二氧化钛、硅氧烷上的环氧基团与丙烯腈发生接枝反应,即得抗老化剂。
具体步骤如下:
(1)硅烷偶联剂KH-560修饰纳米TiO2:
室温下将钛酸四丁酯、硅烷偶联剂KH-560、冰醋酸与无水乙醇均匀混合,记为A溶液;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到剧烈搅拌的A溶液中,继续搅拌,直至形成均匀透明的溶胶,将溶胶静置于38-43℃下陈化至形成凝胶,在200℃下水热反应2-3天,所得产物用无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性,室温下真空干燥,粉碎处理得KH-560-TiO2颗粒;
(2)八乙烯基笼型倍半硅氧烷合成:
在三口瓶中加入乙烯基三甲氧基硅烷和无水甲醇,混合均匀得溶液B;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到溶液B中,得到的混合液在35-45℃搅拌反应4-6天,进行抽滤,得白色固体粉末,得到八乙烯基笼型倍半硅氧烷;
(3)环氧化笼型倍半硅氧烷的制备:
取八乙烯基笼型倍半硅氧烷溶于三氯甲烷中,加入到三口瓶中,再加入冰醋酸和浓硫酸,电磁搅拌并升温到67-84℃,缓慢滴加双氧水,冷凝回流反应5-7小时,反应液依次用饱和碳酸钠溶液和去离子水洗涤,除去水相,真空蒸干溶剂,得到环氧化笼型倍半硅氧烷;
(4)环氧化笼型倍半硅氧烷/TiO2接枝丙烯腈:
称取KH-560-TiO2颗粒加入三口瓶内,加入去离子水搅拌混合25-40分钟,然后放入超声器内超声50-65分钟,待水浴达到40-60℃时,加入适量十二烷基苯磺酸钠和丙烯腈,待反应温度达到60-70℃时,加入引发剂过硫酸钾,继续搅拌反应4-5小时,待反应结束后,用N,N-二甲基甲酰胺和丙酮反复洗涤,将清洗后的产物放到45-55℃的真空干燥箱内,干燥至恒重,即得。
其中,所述步骤(4)中KH-560-TiO2颗粒与丙烯腈、过硫酸钾的质量比为1:3:0.1。
其中,所述步骤(3)中冰醋酸、浓硫酸与双氧水的质量比为16:1:32。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明首先利用溶胶-凝胶结合水热法成功合成了KH-560-TiO2颗粒,KH-560分子结构一端的-OCH3-基团与钛酸四丁酯共水解缩合,在颗粒表面引入环氧基团,可以进一步与丙烯腈单体发生接枝反应,从而制备出聚合物杂化纳米材料,另外TiO2颗粒表面的疏水性增强,降低了其表面张力,减轻团聚现象,可以增强电缆材料的绝缘性能、耐老化性能。
(2)本发明使用乙烯基三甲氧基硅烷为原料,以盐酸溶液作为催化剂,进行水解缩聚反应制得八乙烯基笼型倍半硅氧烷,之后以过氧乙酸为氧化剂进一步氧化得到带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子,然后与KH-560-TiO2颗粒、丙烯腈接枝反应,环氧基团在过硫酸钾作用下大量开环后形成-CH2-CH(OH)-,带有羟基基团,与丙烯腈接枝反应制得有机-无机杂化材料,将其作为聚乙烯等电缆材料的抗老化剂,可明显提高电缆材料的抗紫外老化性能。
(3)本发明中将八乙烯基笼型倍半硅氧烷进一步氧化处理时,部分乙烯基团被氧化生成环氧官能团,余下的乙烯基可与聚乙烯等材料交联共聚,提高电缆材料的交联密度,使得硅烷交联聚乙烯材料具有良好的力学性能、耐热性、耐候性以及电绝缘性。
具体实施方式
一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂,其制备首先利用溶胶-凝胶结合水热法成功合成了KH-560-TiO2颗粒,在纳米二氧化钛颗粒表面引入环氧基团;使用乙烯基三甲氧基硅烷为原料进行水解缩聚反应制得八乙烯基笼型倍半硅氧烷,而后进一步氧化得到带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子,之后通过二氧化钛、硅氧烷上的环氧基团与丙烯腈发生接枝反应,即得抗老化剂。
具体步骤如下:
(1)硅烷偶联剂KH-560修饰纳米TiO2:
室温下将钛酸四丁酯、硅烷偶联剂KH-560、冰醋酸与无水乙醇均匀混合,记为A溶液;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到剧烈搅拌的A溶液中,继续搅拌,直至形成均匀透明的溶胶,将溶胶静置于40℃下陈化至形成凝胶,在200℃下水热反应2天,所得产物用无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性,室温下真空干燥,粉碎处理得KH-560-TiO2颗粒;
(2)八乙烯基笼型倍半硅氧烷的制备:
在三口瓶中加入乙烯基三甲氧基硅烷和无水甲醇,混合均匀得溶液B;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到溶液B中,得到的混合液在40℃搅拌反应5天,进行抽滤,得白色固体粉末,即八乙烯基笼型倍半硅氧烷;
(3)环氧化笼型倍半硅氧烷的制备:
取八乙烯基笼型倍半硅氧烷溶于三氯甲烷中,加入到三口瓶中,再加入冰醋酸和浓硫酸,电磁搅拌并升温到70℃,缓慢滴加双氧水,冷凝回流反应6小时,反应液依次用饱和碳酸钠溶液和去离子水洗涤,除去水相,真空蒸干溶剂,得到环氧化笼型倍半硅氧烷;
(4)环氧化笼型倍半硅氧烷/TiO2接枝丙烯腈:
称取KH-560-TiO2颗粒加入三口瓶内,加入去离子水搅拌混合30分钟,然后放入超声器内超声60分钟,待水浴达到50℃时,加入适量十二烷基苯磺酸钠和丙烯腈,待反应温度达到65℃时,加入引发剂过硫酸钾,继续搅拌反应5小时,待反应结束后,用N,N-二甲基甲酰胺和丙酮反复洗涤,将清洗后的产物放到50℃的真空干燥箱内,干燥至恒重,即得。
其中,所述步骤(4)中KH-560-TiO2颗粒与丙烯腈、过硫酸钾的质量比为1:3:0.1。
其中,所述步骤(3)中冰醋酸、浓硫酸与双氧水的质量比为16:1:32。
Claims (4)
1.一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂,其特征在于,其制备首先利用溶胶-凝胶结合水热法成功合成了KH-560-TiO2颗粒,在纳米二氧化钛颗粒表面引入环氧基团;使用乙烯基三甲氧基硅烷为原料进行水解缩聚反应制得八乙烯基笼型倍半硅氧烷,而后进一步氧化得到带有环氧官能团的笼型倍半硅氧烷分子,之后通过二氧化钛、硅氧烷上的环氧基团与丙烯腈发生接枝反应,即得抗老化剂。
2.根据权利要求书1所述的一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)硅烷偶联剂KH-560修饰纳米TiO2:
室温下将钛酸四丁酯、硅烷偶联剂KH-560、冰醋酸与无水乙醇均匀混合,记为A溶液;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到剧烈搅拌的A溶液中,继续搅拌,直至形成均匀透明的溶胶,将溶胶静置于38-43℃下陈化至形成凝胶,在200℃下水热反应2-3天,所得产物用无水乙醇反复洗涤至滤液呈中性,室温下真空干燥,粉碎处理得KH-560-TiO2颗粒;
(2)八乙烯基笼型倍半硅氧烷合成:
在三口瓶中加入乙烯基三甲氧基硅烷和无水甲醇,混合均匀得溶液B;将无水乙醇、去离子水和盐酸均匀混合,加入恒压滴液漏斗中,缓慢滴加到溶液B中,得到的混合液在35-45℃搅拌反应4-6天,进行抽滤,得白色固体粉末,得到八乙烯基笼型倍半硅氧烷;
(3)环氧化笼型倍半硅氧烷的制备:
取八乙烯基笼型倍半硅氧烷溶于三氯甲烷中,加入到三口瓶中,再加入冰醋酸和浓硫酸,电磁搅拌并升温到67-84℃,缓慢滴加双氧水,冷凝回流反应5-7小时,反应液依次用饱和碳酸钠溶液和去离子水洗涤,除去水相,真空蒸干溶剂,得到环氧化笼型倍半硅氧烷;
(4)环氧化笼型倍半硅氧烷/TiO2接枝丙烯腈:
称取KH-560-TiO2颗粒加入三口瓶内,加入去离子水搅拌混合25-40分钟,然后放入超声器内超声50-65分钟,待水浴达到40-60℃时,加入适量十二烷基苯磺酸钠和丙烯腈,待反应温度达到60-70℃时,加入引发剂过硫酸钾,继续搅拌反应4-5小时,待反应结束后,用N,N-二甲基甲酰胺和丙酮反复洗涤,将清洗后的产物放到45-55℃的真空干燥箱内,干燥至恒重,即得。
3.根据权利要求书2所述的一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中KH-560-TiO2颗粒与丙烯腈、过硫酸钾的质量比为1:3:0.1。
4.根据权利要求书2所述的一种环氧化笼型倍半硅氧烷/二氧化钛接枝丙烯腈抗老化剂的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中冰醋酸、浓硫酸与双氧水的质量比为16:1:32。
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