CN107759615A - 一种全生物基苯并噁嗪树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全生物基苯并噁嗪树脂及其制备方法。这类树脂的单体以松香的衍生物脱氢松香胺、生物酚和多聚甲醛为原料,采用溶液法,在85℃反应20小时。反应物冷却到室温后,经碳酸氢钠溶液洗涤,再经去离子水洗涤,乙醇结晶,可得到纯净的单体。单体在加热或加催化剂下,可开环交联,生成全生物基苯并噁嗪树脂。本发明的优点是合成工艺合理、无需惰性气体保护、产物纯度高、绿色环保;与其他生物基苯并噁嗪及一部分石油基苯并噁嗪相比,得到的新型全生物基苯并噁嗪树脂的开环温度及热稳定性有很大竞争力,且表现出良好的防腐蚀性能。

Description

一种全生物基苯并噁嗪树脂及其制备方法
技术领域
本发明属于热固性树脂技术领域,涉及一种全生物基苯并噁嗪树脂及其制备方法,具体而言是一种含菲环结构的全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法。
背景技术
苯并噁嗪树脂是一种新型的酚醛树脂。由酚类、伯胺及多聚甲醛,采用溶液法或无溶剂法或悬浮法,经Mannich缩合反应得到六元杂环化合物单体。单体经加热或催化剂作用下可开环交联生成苯并噁嗪树脂。苯并噁嗪树脂不仅具有传统酚醛树脂的良好的热性能和机械性能,也有很多酚醛树脂不具备的优点。如:固化时没有小分子放出,固化无需强酸强碱催化,低吸湿性,高阻燃性,低介电性,高残碳率,极好的分子设计灵活性等特点,因此苯并噁嗪树脂被广泛地应用在电子封装、航空航天、汽车工业等领域。
传统的合成苯并噁嗪树脂的原料都是来自石油,但是随着全球能源日益枯竭和环境问题的加剧,通过生物来源的原料合成高分子正在成为新的发展趋势。在过去数年间,不少基于生物来源的酚类合成的苯并噁嗪已经被研究人员合成出来,这些生物酚类包括:腰果酚、丁香酚、愈创木酚、卡双酚、香豆素类、熊果苷等。但在这些报道中,合成苯并噁嗪的另外一种原料:胺类,大都仍然使用基于石油产业的胺类,仅仅壳聚糖、糠胺和十八胺有少量报道。这主要是由于大部分生物来源的胺类的耐热性都不够好,导致合成的苯并噁嗪的耐热性不佳;此外,生物来源的胺类一般分子量都比较大,在用于合成苯并噁嗪时,合成路线和方法上还有待摸索。因此要合成具有实用价值的全生物基苯并噁嗪,就必须要解决具有良好耐热性的生物基胺源的问题,以及与这种胺源相匹配的合成路线方法问题。
脱氢松香胺是松香的重要改性产物之一,也是歧化松香胺的主要成分。它是具有环菲结构的光学活性碱。近年来,随着萃取和纯化技术的改进,脱氢松香胺广泛用于光化学拆分领域,并且在金属加工,精选,表面活性剂,染料,涂料,医药和农药的应用将进一步加强。据我们所知,它从未用于制备苯并噁嗪树脂。
本发明使用这种脱氢松香胺作为胺源,结合基于生物来源的酚类作为酚源,发展了一种新的全生物基苯并噁嗪。这种苯并噁嗪与其他的生物基苯并噁嗪不同,由于通过脱氢松香胺在噁嗪分子中引入了菲环结构,使得这种苯并噁嗪固化物具有良好的热性能。此外,得到的全生物基噁嗪还有低介电常数和良好的抗腐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好耐热性的、含菲环结构的、基于生物来源脱氢松香胺和生物来源的酚类的全生物基苯并噁嗪及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
本发明提供一种含菲环结构的苯并噁嗪树脂,其单体结构式为:
其中,R1、R2、R3、R4由合成噁嗪时使用的生物来源的酚类所引入。这些生物来源的酚为以下其中之一:
本发明还提供一种含菲环结构的全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法:以脱氢松香胺、生物酚源和多聚甲醛为原料,反应制备含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体,化学反应方程式如下:
其中,R1、R2、R3、R4由合成噁嗪时使用的生物来源的酚类所引入。这些生物来源的酚为以下其中之一:
其具体操作步骤为:
(1)在配有磁力搅拌和冷凝回流装置的三口烧瓶中,加入摩尔比为1:1~1.2:2~2.2的脱氢松香胺、生物酚、多聚甲醛及溶剂,加热到65~75℃,待混合物完全溶解,再升温到80~90℃,反应18~24小时;体系经冷却、旋蒸、洗涤、乙醇结晶、抽滤、干燥后得到全生物基苯并噁嗪单体;
(2)全生物基苯并噁嗪树脂的固化步骤为:将所述全生物基苯并噁嗪单体溶解在溶剂中,倒入模具,放入鼓风烘箱干燥;除去溶剂后,放入管式炉,在氮气保护下分段固化,固化过程如下:100℃~180℃之间分步进行预固化,预固化时间1~3h,分步固化的阶梯温度为20℃~50℃,200℃~230℃之间进行分步后固化,分步固化的阶梯温度为10℃~30℃,后固化时间1~2h。
进一步,所述步骤(1)中的溶剂为二氧六环、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等中的一种。
进一步,所述步骤(1)中的洗涤为使用1%的碳酸氢钠溶液洗涤三遍,最后用大量的热去离子水洗涤至中性。
进一步,所述步骤(2)中溶剂为二氧六环、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮等中的一种。
本发明其中的一个实施例为:
(1)在配有磁力搅拌和冷凝回流装置的三口烧瓶中,加入一定配比的脱氢松香胺、生物酚、多聚甲醛及溶剂,加热到70℃,待混合物完全溶解,再升温到85℃,反应20小时。体系经冷却、旋蒸、洗涤、乙醇结晶、抽滤、干燥后得到含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体。
步骤(1)所述的配比为:脱氢松香胺:生物酚可以反应的酚羟基:多聚甲醛=1:1:2(摩尔比)。
步骤(1)所述的溶剂为二氧六环、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等中的一种。
步骤(1)所述的洗涤为使用1%的碳酸氢钠溶液洗涤三遍,最后用大量的热去离子水洗涤至中性。
(2)这种苯并噁嗪树脂的固化步骤为:将噁嗪单体溶解在溶剂中,倒入模具,放入鼓风烘箱干燥24h。除去溶剂后,放入管式炉,在氮气保护下分段固化。固化过程如下:100℃(1h),150℃(1h),180℃(1h),200℃(1h),230℃(1h)。
上述步骤所述的溶剂为二氧六环、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮等中的一种。
本发明还提供一种所述全生物基苯并噁嗪树脂在涂层上的应用
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明的优点是合成工艺简单且合理、无需惰性气体保护、产物纯度高、绿色环保。
(2)与其他生物基苯并噁嗪及石油基苯并噁嗪相比,苯发明得到是全生物基苯并噁嗪树脂,且具有较好的热稳定性。
(3)该发明用于涂层时,具有良好的基体附着力和表面疏水性,表现出良好的防腐蚀性能。
附图说明
图1实施例1得到含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体的1HNMR谱图;
图2实施例1得到含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体的DSC谱图;
图3实施例1得到含菲环结构的全生物基苯并噁嗪树脂的TG谱图;
具体实施方式
以下提供本发明的含菲环结构的全生物基苯并噁嗪树脂及其制备方法的具体实施方式。
实施例1
(1)在配有磁力搅拌和冷凝回流装置的三口烧瓶中,加入脱氢松香胺0.5mol、7-羟基-4-甲基香豆素0.5mol、多聚甲醛1mol及溶剂二氧六环,加热到70℃,待混合物完全溶解,再升温到85℃,反应20小时。体系为透明黄棕色液体,冷却到室温后,60℃旋蒸除去大部分的二氧六环溶剂,然后用1%的碳酸氢钠溶液洗涤三遍,最后用大量的热去离子水洗涤至中性,可得到淡黄色粗产物。粗产物用乙醇结晶,经抽滤和干燥后得到纯净的含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体。
本实施例中含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体的结构为:
本实施例中的噁嗪单体用氘代丙酮作为溶剂,四甲基硅烷(TMS)作为内标,可得到1HNMR谱图,见附图1。芳族质子的吸收峰出现在7.54-6.75ppm,4.89ppm(O-CH2-N)和4.14ppm(Ar-CH2-N)证明噁嗪环的形成。因为脱氢松香胺的复杂结构和来源,所以单体的一些峰重叠在一起。2.90-2.81ppm和1.94-1.36ppm是由菲环上的甲基,亚甲基和次甲基引起的。1.20和0.89ppm对应于脱氢松香胺部分的甲基。
本实施例中的噁嗪单体的固化过程可用差示扫描量热法(DSC)得到DSC谱图,见附图2。从图2中,131℃的吸热峰归属于的单体的熔点;放热峰是噁嗪环的开环聚合产生的,起始和最大开环温度分别为198℃和227℃。
(2)将步骤(1)得到的噁嗪单体溶解在甲基吡咯烷酮中,倒入模具,放入鼓风烘箱干燥24h。除去溶剂后,放入管式炉,通入氮气,分段固化。固化过程如下:100℃(1h),150℃(1h),180℃(1h),200℃(1h),230℃(1h)。固化得到的含菲环的全生物基苯并噁嗪树脂为褐色平整的固体,说明固化时没有小分子放出。
本实施例中的噁嗪树脂的热性能用热重(TG)来研究,得到TG谱图,见附图3。图3显示本实施例中的噁嗪树脂的重量在300℃以下没有变化,表明它们是稳定的,降解主要发生在350℃至500℃的范围内。其残碳率是32%,T5=362℃,T10=405℃,所有这些显示出其作为全生物基的聚苯并噁嗪的高热稳定性。
本实施例中的噁嗪树脂,涂覆了噁嗪聚合物后基材表面的疏水性显著提高,与水接触角达到108-110°,能有效地提高了基材表面的疏水性。
本实施例中的噁嗪树脂的开路电位-时间变化曲线显示初始开路电位为-0.323VvsAg/AgCl,与未涂覆树脂的低碳钢相差267mV,浸入腐蚀液体后两者差值仍高于180mV,防腐蚀性能稳定。
本实施例中的噁嗪树脂的介电常数-频率极化曲线显示腐蚀电位为-0.478VvsAg/AgCl,防腐蚀性能良好。
实施例2
将实施例1中的7-羟基-4-甲基香豆素改为愈创木酚,加入脱氢松香胺1mol、愈创木酚1.1mol、多聚甲醛2.1mol及溶剂二氧六环,加热到75℃,待混合物完全溶解,再升温到88℃,反应22小时。其它步骤同实施例1。
本实施例中含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体的结构为:
本实施例中含菲环结构的全生物基苯并噁嗪的起始和最大开环温度分别为180℃和225℃,残碳率是24%,T5=321℃,T10=358℃。
实施例3
将实施例2中的酚源改为香草醛。其它操作步骤同实施例2中的步骤。
本实施例中含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体的结构为:
本实施例中含菲环结构的全生物基苯并噁嗪的起始和最大开环温度分别为180℃和225℃,残碳率是24%,T5=321℃,T10=358℃。
以上实施例只为说明本发明的构思基本特点,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变,都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (7)

1.一种全生物基苯并噁嗪树脂,其特征在于,其单体结构式为:
其中,R1、R2、R3、R4由合成噁嗪时使用的生物来源的酚类所引入,这些生物来源的酚为以下其中之一:
2.一种权利要求1所述全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法,其特征在于,以脱氢松香胺、生物酚源和多聚甲醛为原料,反应制备含菲环结构的全生物基苯并噁嗪单体,化学反应方程式如下:
其中,R1、R2、R3、R4由合成噁嗪时使用的生物来源的酚类所引入,这些生物来源的酚为以下其中之一:
3.一种权利要求2所述全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法,其特征在于,其具体操作步骤为:
(1)在配有磁力搅拌和冷凝回流装置的三口烧瓶中,加入摩尔比为1:1~1.2:2~2.2的脱氢松香胺、生物酚、多聚甲醛及溶剂,加热到65~75℃,待混合物完全溶解,再升温到80~90℃,反应18~24小时;体系经冷却、旋蒸、洗涤、乙醇结晶、抽滤、干燥后得到全生物基苯并噁嗪单体;
(2)全生物基苯并噁嗪树脂的固化步骤为:将所述全生物基苯并噁嗪单体溶解在溶剂中,倒入模具,放入鼓风烘箱干燥;除去溶剂后,放入管式炉,在氮气保护下分段固化,固化过程如下:100℃~180℃之间分步进行预固化,预固化时间1~3h,分步固化的阶梯温度为20℃~50℃,200℃~230℃之间进行分步后固化,分步固化的阶梯温度为10℃~30℃,后固化时间1~2h。
4.一种权利要求3所述全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的溶剂为二氧六环、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等中的一种。
5.一种权利要求3所述全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的洗涤为使用1%的碳酸氢钠溶液洗涤三遍,最后用大量的热去离子水洗涤至中性。
6.一种权利要求3所述全生物基苯并噁嗪树脂的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中溶剂为二氧六环、二甲基甲酰胺、甲基吡咯烷酮等中的一种。
7.一种权利要求1所述全生物基苯并噁嗪树脂在涂层上的应用。
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