CN108341965A - 一种交联动态聚合物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交联动态聚合物,其结构中含有普通共价交联和动态共价键;其中,所述普通共价交联由普通共价键形成,并且普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上;所述动态共价键为有机硼氧硼键。在动态聚合物中,普通共价交联赋予动态聚合物一定的强度与稳定性,有机硼氧硼键具有的动态可逆性赋予动态聚合物在特定材料中起到阻尼、增韧、缓冲等效果。所述动态聚合物结合了普通共价交联、有机硼氧硼键各自的优势,具有结构多样、性能丰富的特点,应用范围广。所述动态聚合物可应用于防护材料、运动防护制品、缓冲减震材料、韧性材料、应力传感器、胶黏剂、密封件等领域。
Description
技术领域
本发明涉及智能聚合物领域,具体涉及一种含有普通共价交联和有机硼氧硼动态共价键的交联动态聚合物。
背景技术
目前,随着科学技术的进步,各行各业对材料的要求越来越高。传统单一的结构材料或功能材料已不能满足飞速发展的高技术领域的需求,各种各样高性能化、多功能化、智能化的材料应运而生。
为了获得高性能的聚合物,常采用交联赋予聚合物三维网络结构,提高聚合物的热稳定性、力学性能、耐溶剂性以及抗蠕变性等性能。对于通过普通共价键形成的交联聚合物,其力学性能及稳定性虽得到提高,但缺乏动态可逆性、多功能性以及智能性等。
目前常见聚合物一般由普通共价键构成,具有良好的稳定性与应力承载能力。而动态共价键是一种比非共价相互作用稳定,又相对弱于普通共价键的共价化学键,并且能够在合适的条件下发生可逆的断裂与重建。相对于利用非共价相互作用(例如氢键等)构筑的动态聚合物,此类动态聚合物具有更优异的稳定性。在没有外部刺激时,动态共价键通常十分稳定,基本不会主动进行化学键的断裂与重建;但当改变外部条件(例如温度、添加剂等)时,动态共价键会发生断裂与重建;当外部条件恢复时,这种断裂与重建瞬间终止,达到平衡,平衡过程具有很好的可逆性与可控性。动态共价键结合了非共价相互作用的可逆性与普通共价键的稳定性,赋予动态聚合物广泛的应用。将动态共价键引入聚合物结构中,是一种制备新型聚合物的可行方法,并赋予聚合物良好的综合性能。
目前,常见的交联聚合物多为普通共价交联、非共价相互作用交联或动态共价交联等单一交联方式的聚合物,无法实现结构稳定性与动态性的良好调控,因此需要发展一种新型聚合物将普通共价交联与动态性有效结合起来。
发明内容
鉴于上述背景,本发明提供一种交联动态聚合物,其结构中含有普通共价交联和动态共价键;其中,所述普通共价交联由普通共价键形成,并且普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上;所述动态共价键为有机硼氧硼键,其是交联动态聚合物的聚合链接点和/或交联链接点。
在本发明中,所述交联动态聚合物还可选地含有氢键。其中,所述可选的氢键起到以下任意一种或任意几种作用:接枝、成环、聚合、交联,优选为聚合和/或交联。
所述交联动态聚合物结构中还可选地存在至少一个连接基,所述连接基将交联动态聚合物结构中任意两个形成不同有机硼氧硼键的硼原子连接在一起,所述连接基选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:碳连接基、杂连接基、碳-杂连接基、碳-元素连接基、碳-杂-元素连接基。
所述有机硼氧硼键具有动态可逆性,兼具良好的热稳定性,并且动态可逆反应条件温和,在无需催化剂、无需高温等温和条件下即能发生可逆断裂与重建。在合适的条件下,交联动态聚合物中任意位置的有机硼氧硼键均可以参与动态可逆变换。
在本发明中,所述交联动态聚合物可以含有一个、两个或多个交联网络。
当交联动态聚合物含有一个交联网络时,优选所述交联网络结构中含有所述普通共价交联和有机硼氧硼键。
当交联动态聚合物含有两个或多个交联网络时,其可以由两个或多个相互共混的交联网络构成,或者由两个或多个相互穿插的交联网络构成,或者由两个或多个部分相互穿插的交联网络构成,或者由以上方式任意组合构成,但本发明不仅限于此。
所述交联动态聚合物的交联网络中可以共混和/或穿插其他具有非交联结构的聚合物,所述具有非交联结构的聚合物的分子链拓扑结构选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:线形、环状、支化、凝胶点以下的二维团簇、凝胶点以下的三维团簇。
在本发明中,所述普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上,可以确保交联动态聚合物在仅含有一个交联网络的情况下,即使所述有机硼氧硼键和可选的氢键全部断裂时,也可以保持平衡结构,即在通常状态下可以为或者至少部分为不溶解且不熔融的固体。
根据本发明的一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,制备比较容易且过程比较简单,普通共价交联结构与非交联结构的分子链结构搭配也容易调控;普通共价交联网络提供稳定结构,含有有机硼氧硼键的非交联结构分散在交联网络中,提供动态性,与普通共价交联网络相结合。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在非交联动态聚合物中或者同时在普通共价交联网络和非交联动态聚合物中含有氢键。在本实施方式中,制备比较容易且过程比较简单,普通共价交联结构与非交联结构的分子链结构搭配也容易调控;普通共价交联网络提供稳定结构,含有有机硼氧硼键的非交联结构分散在交联网络中,提供动态性,氢键的引入提高了体系的动态性,且赋予动态性能的层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,交联动态聚合物颗粒分散在普通共价交联网络中,能够在更大范围与程度上与普通共价交联网络相结合,在动态聚合物应用时充分发挥动态性的优势。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在交联动态聚合物颗粒中或者同时在普通共价交联网络和交联动态聚合物颗粒中含有氢键。在本实施方式中,交联动态聚合物颗粒分散在普通共价交联网络中,能够在更大范围与程度上与普通共价交联网络相结合,同时氢键的引入提高了体系的动态性且赋予动态性能的层次性,动态聚合物在应用时能充分发挥动态性能体现的特性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,制备比较容易且过程简单;普通共价交联提供一个稳定平衡结构;动态共价交联的交联度并未限定,提供动态性,提高交联动态聚合物的韧性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在交联网络中含有氢键。在本实施方式中,制备比较容易且过程简单;动态共价交联提供动态性,在单一交联网络结构的基础上引入氢键,使交联动态聚合物的动态可逆性得到提高,并且具有层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,两个交联网络中分别仅含有一种交联形式,并且两个交联网络之间相互独立,在制备过程以及所得交联动态聚合物分子链结构搭配上具有优势。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,在普通共价交联网络和动态共价交联网络相互独立的基础上,通过引入氢键,调控交联动态聚合物的动态性,提高交联动态聚合物中不同作用的协同效果。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,两个交联网络均含有普通共价交联,通过设计每个普通共价交联网络的分子链结构,能够合理调控交联动态聚合物的力学性能,应用于不同领域。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,两个交联网络均含有普通共价交联,通过设计每个普通共价交联网络的分子链结构,能够合理调控交联动态聚合物的力学性能,氢键的引入与动态共价交联共同提供动态性能,并且具有层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,其中一个交联网络的普通共价交联提供稳定的结构;两个交联网络均含有动态共价交联,在较大程度上丰富了动态性能,动态聚合物在应用时能更好地体现出动态性的作用,赋予交联动态聚合物更好的韧性、缓冲性能等。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,其中一个交联网络的普通共价交联提供稳定的结构;两个交联网络均含有动态共价交联,在较大程度上丰富了动态性能,氢键的引入进一步提高了体系的动态性能,且赋予层次性,动态聚合物在应用时能更好地体现出动态性的作用。
此外,本发明还可以有其他多种多样的实施方式,一个实施方式中可以含有两个或多个相同或不相同的交联网络,一个交联网络中可以含有不同的普通共价交联和/或不同的有机硼氧硼键交联,同时还可选地含有相同或不同的氢键,但本发明不仅限于此。任意一个交联网络的任意一种交联形式的交联度也可以合理地进行控制,实现良好调控平衡结构和动态性能。
在本发明中,所述交联动态聚合物含有的有机硼氧硼键,其可以存在于交联动态聚合物链骨架上,还可以存在于交联动态聚合物链的侧基、端基上,还可以存在于非交联动态聚合物链骨架、侧基、端基上;其中,优选存在于交联动态聚合物链骨架、非交联动态聚合物链骨架上。其中,只有存在于交联网络链骨架上的有机硼氧硼键才能形成动态共价交联。
在本发明中,所述有机硼氧硼键具有如下结构:
其中,所述结构中每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;所述结构中每个硼原子均可以形成一个或者两个有机硼氧硼键,不同的有机硼氧硼键可以相连成环或者不相连成环;表示与任意合适的原子、基团、取代基、聚合物链的连接,至少两个不同的硼原子通过各自上至少一个接入聚合物链中;同一个硼原子上的不同可以相连成环或者不相连成环,不同硼原子上的也可以相连成环或者不相连成环,所述的环包括但不仅限于脂肪族环、芳香族环、醚环、缩合环及其组合形式。
典型地,所述有机硼氧硼键可以包括以下结构形式,但本发明不仅限于此:
在本发明中,至少利用有机硼化合物进行反应获得所述交联动态聚合物。
其中,所述有机硼化合物可选自以如下结构表示的化合物:
其中,Q为有机硼酸基元,q为Q的个数,q≥1;T为单个Q上的取代基团,或者为两个或多个Q之间的连接基团,t为T的个数,t≥1;当q=1时,T选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基;当q>1时,T选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:杂原子链段、分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基。
其中,所述有机硼酸基元Q选自但不仅限于以下任意一种或任意几种结构:
其中,所述结构中的每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;表示与任意合适的原子、基团、取代基、聚合物链的连接;为有机硼酸基;为有机硼酸酯基,E1、E2、E3、E4各自独立地为有机基团或者有机硅基团,E1、E2、E3、E4通过碳原子或者硅原子与氧原子相连;为有机硼酸盐基,G1 +、G2 +、G3 +为一价正离子,一价正离子优选为Na+、K+、NH4 +,G4 2+为二价正离子,二价正离子优选为Ca2+、Mg2+、Ba2 +、Zn2+;为有机卤硼烷基,X1、X2、X3为卤素原子; 为有机硼酸酐基,J1、J2、J3为有机硼基团,J1、J2、J3通过硼原子与氧原子相连,其中J2、J3可选地连接成环;在中,M1、M2不相同,M1、M2各自独立地选自-OH、-OE5、-O-G5 +、-X4、-OJ4,其中,E5为有机基团或者有机硅基团,E5通过碳原子或者硅原子与氧原子相连,G5 +为一价正离子,一价正离子优选为Na+、K+、NH4 +,X4为卤素原子,J4为有机硼基团,J4通过硼原子与氧原子相连。
所述有机硼化合物优选自含有有机硼酸基的化合物、含有有机硼酸酯基的化合物、含有有机硼酸盐基的化合物、含有有机卤硼烷基的化合物、含有有机硼酸酐基的化合物。
在本发明中,还可选地加入任意合适的仅含有其他反应性基团的化合物作为原料以进行进一步的聚合和/或交联和/或接枝改性等反应。
在本发明中,所述有机硼化合物可以含有其他反应性基团,或者不含有其他反应性基团。所述有机硼化合物、仅含有其他反应性基团的化合物,其可以是分子量不超过1000Da的小分子化合物,或者是分子量大于1000Da的大分子化合物。
用于制备交联动态聚合物的原料组分,还可包括其他含有普通共价交联的交联聚合物。
在本发明中,为了提高形成所述有机硼氧硼键的反应效率且得到稳定的交联动态聚合物产物,通常需要加入适量的含氮配体,其包括但不仅限于三乙胺、吡啶,以及适量的脱水剂,其包括但不仅限于分子筛、无水氯化钙、无水硫酸镁、无水硫酸钠。其中,所述脱水剂也适用于其他反应性基团之间的反应。
在本发明中,所述可选的氢键,其由交联动态聚合物中任意一处或多处的的氢键基团之间形成。所述氢键基团,其可以存在于交联动态聚合物交联网络链骨架上,也可以存在于交联动态聚合物的侧链/支链/分叉链骨架上,还可以存在于交联动态聚合物的侧基、端基上,还可以存在于非交联动态聚合物主链骨架、侧链/支链/分叉链骨架、侧基、端基上,还可以存在于小分子化合物或者填料中。
所述氢键基团优选含有如下结构成分:
更优选含有如下结构成分中至少一种:
在本发明中,用于制备交联动态聚合物的原料组分,还包括可添加的助剂、填料等,但并不是必须添加的。其中,所述可添加的助剂选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:引发剂、催化剂、交联剂、助交联剂、抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂、增塑剂、增韧剂、偶联剂、阻燃剂、抗静电剂、扩链剂、固化剂、乳化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、分散剂、增稠剂、流变剂、流平剂、润滑剂、脱模剂;所述可添加的填料选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:无机填料、金属填料、有机填料。
在本发明中,所述交联动态聚合物或其组成的形态可以是普通固体、弹性体、凝胶、泡沫材料等。
在本发明中,所述交联动态聚合物或其组成范围可调、性能优异,在功能涂层、生物医用材料、能源、建筑、仿生、军事航天设备、智能材料等领域都具有广阔的应用前景。例如,可将其应用于减震制品、缓冲制品、防护材料、运动防护制品、军警防护制品、应力传感器、自修复性涂层、自修复性板材、自修复性胶黏剂、夹层胶、韧性材料、密封件、形状记忆材料、玩具等。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)在本发明中,交联动态聚合物含有的有机硼氧硼键具有动态可逆性并且动态可逆反应条件温和,还具有良好的热稳定性。以此为基础,本发明充分利用了有机硼氧硼键的优势,在相对容易的条件下即能高效率地制备交联动态聚合物,并且降低了交联动态聚合物使用环境的局限性。
(2)在本发明中,交联动态聚合物的结构与性能具有良好的可调控性。通过调整原料化合物中的有机硼酸基元数、分子链结构、分子量、其他反应性基团种类与数量等参数,可制备出具有不同结构、不同动态性、不同功能的交联动态聚合物;通过调整原料化合物的分子链的柔顺性,可制备出具有柔韧或刚性的交联动态聚合物;通过调控制备工艺,可制备出具有不同形态的交联动态聚合物。良好的可调控性,赋予交联动态聚合物丰富各异的性能,拓宽了应用范围。此外有机硼氧硼键的动态共价可逆反应易控制,通过可选择性地控制反应温度、添加剂等条件能够在合适的环境下,可以根据具体需求随时加速或猝灭动态共价可逆反应。
(3)在本发明中,交联动态聚合物结构中含有普通共价交联、有机硼氧硼键以及可选的氢键。由于普通共价交联网络的存在,交联动态聚合物具有稳定的网络结构、良好的尺寸稳定性;有机硼氧硼键与可选的氢键赋予交联动态聚合物动态可逆性,使得交联动态聚合物具有一个在温和条件下可发生可逆变化的动态结构。上述二者在交联动态聚合物结构中表现出协同作用。
(4)在本发明中,当交联动态聚合物受到外力作用时,其含有的有机硼氧硼键与可选的氢键比普通共价键优先发生断裂,耗散能量,在交联网络固有的强度、稳定性的基础上赋予交联动态聚合物良好的韧性,而传统普通共价交联聚合物受到外力后,交联点普通共价链段会被伸长从而提供韧性,因此韧性比较有限;同时,在受到外力作用时,有机硼氧硼键与可选的氢键可以发生次序性的断裂,氢键一般先发生解离,从而产生对力的逐级耗散。同时,有机硼氧硼键可以实现可逆的断裂与重建,赋予材料耐用性。以此为基础,本发明中的交联动态聚合物除具有普通共价交联聚合物固有的强度、稳定性等特性外,还具有更好的韧性、抗冲击性能。
参考下述实施方式说明、实施例和所附权利要求书,本发明的这些和其他特征以及优点将变得显而易见。
具体实施方式
本发明涉及一种交联动态聚合物,其结构中含有普通共价交联和动态共价键;其中,所述普通共价交联由普通共价键形成,并且普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上;所述动态共价键为有机硼氧硼键,其是交联动态聚合物的聚合链接点和/或交联链接点。
在本发明中,所述交联动态聚合物还可选地含有氢键。其中,所述可选的氢键起到以下任意一种或任意几种作用:接枝、成环、聚合、交联,优选为聚合和/或交联。
所述交联动态聚合物结构中还可选地存在至少一个连接基,所述连接基将交联动态聚合物结构中任意两个形成不同有机硼氧硼键的硼原子连接在一起,所述连接基选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:碳连接基、杂连接基、碳-杂连接基、碳-元素连接基、碳-杂-元素连接基。
所述有机硼氧硼键具有动态可逆性,兼具良好的热稳定性,并且动态可逆反应条件温和,在无需催化剂、无需高温等温和条件下即能发生可逆断裂与重建。在合适的条件下,交联动态聚合物中任意位置的有机硼氧硼键均可以参与动态可逆变换。
在本发明中,所述“聚合”指链的增长,即较低分子量的反应物通过反应或作用(包括普通共价化学反应、动态共价化学反应、非共价相互作用等)生成较高分子量的产物。其中,反应物一般为具有聚合能力(即能够自发地进行聚合,或者能够在引发剂或外加作用下进行聚合)的单体、低聚物、预聚物等化合物。在本发明中,所述“聚合”包括分子链的线性增长、支化、成环以及有机硼氧硼键、普通共价键、可选的氢键引起的链增长,也包括分子链的交联过程。
所述“交联”指分子内和/或分子间通过所述普通共价键和/或有机硼氧硼键和/或可选的氢键连接形成三维无限网络结构的过程。当发生交联时,聚合物链一般先在二维或三维方向不断增长,逐步形成二维或三维团簇结构,进而形成三维无限网络结构。在交联过程中,粘度突增,初次达到一个三维无限网络时的反应程度称为凝胶点;交联度在凝胶点以上(含凝胶点,下同)时,产物具有三维无限网络结构;交联度在凝胶点以下时,产物结构中并未形成三维无限网络结构。在本发明中,交联结构指交联度在凝胶点以上的三维无限网络结构,非交联结构指线形、支化、环状等结构以及凝胶点以下的二维、三维团簇结构。
所述“普通共价键”,其指传统意义上的共价键,其在通常温度下(一般不高于100℃)和通常时间内(一般小于1天)较难发生断裂,其包括但不仅限于:碳碳键、碳氧键、碳氢键、碳氮键、碳硫键、氮氢键、氮氧键、氢氧键、氮氮键。
所述“普通共价交联”,其为任意合适的通过普通共价键形成的共价交联链接,其包括但不仅限于:通过碳碳键形成的共价交联、通过碳氧键形成的共价交联、通过碳硫键形成的共价交联、通过碳氮键形成的共价交联、通过碳硅键形成的共价交联、通过硅氧键形成的共价交联。
具体地,所述普通共价交联可以通过任意合适的基团之间的共价反应形成,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):通过羧基、酰卤基团、酸酐基团、酰胺基、异氰酸酯基团与羟基之间的共价反应进行交联;通过羧基、酰卤基团、酸酐基团、酰胺基、异氰酸酯基团与氨基之间的共价反应进行交联;通过烯烃自由基反应、丙烯酸酯自由基反应进行交联;通过叠氮基团和炔基的CuAAC点击反应、巯基和烯烃的点击反应进行共价交联;通过硅羟基之间的缩合反应进行共价交联。
在本发明中,所述交联动态聚合物可以含有一个、两个或多个交联网络。
当交联动态聚合物含有一个交联网络时,优选所述交联网络结构中含有所述普通共价交联和有机硼氧硼键。
当交联动态聚合物含有两个或多个交联网络时,其可以由两个或多个相互共混的交联网络构成,或者由两个或多个相互穿插的交联网络构成,或者由两个或多个部分相互穿插的交联网络构成,或者由以上方式任意组合构成,但本发明不仅限于此;其中,所述两个或多个交联网络可以相同,或者不同,在保证交联动态聚合物结构中含有普通共价交联且普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上条件下,交联网络可以仅含有普通共价交联,或者仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,或者仅含有由可选的氢键形成的交联,或者是以上方式的任意组合,但本发明不仅限于此;所述两个或多个交联网络之间可以有相互作用,或者相互独立。在两个或多个交联网络中,除普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上外,其他交联网络的交联度(包括普通共价交联、动态共价交联、氢键交联及其之和)可以在相应的凝胶点以上,或者在相应凝胶点以下,优选在相应的凝胶点以上。当由有机硼氧硼键形成的动态共价交联的交联度在其凝胶点以上时,交联动态聚合物在应用时能够更好地体现出其动态可逆性的优势。
所述交联动态聚合物的交联网络中可以共混和/或穿插其他具有非交联结构的聚合物,所述具有非交联结构的聚合物的分子链拓扑结构选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:线形、环状、支化、凝胶点以下的二维团簇、凝胶点以下的三维团簇。
在本发明中,所述普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上,可以确保交联动态聚合物在仅含有一个交联网络的情况下,即使所述有机硼氧硼键和可选的氢键全部断裂时,也可以保持平衡结构,即在通常状态下可以为或者至少部分为不溶解且不熔融的固体。
根据本发明的一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,制备比较容易且过程比较简单,普通共价交联结构与非交联结构的分子链结构搭配也容易调控;普通共价交联网络提供稳定结构,含有有机硼氧硼键的非交联结构分散在交联网络中,提供动态性,与普通共价交联网络相结合。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在非交联动态聚合物中或者同时在普通共价交联网络和非交联动态聚合物中含有氢键。在本实施方式中,制备比较容易且过程比较简单,普通共价交联结构与非交联结构的分子链结构搭配也容易调控;普通共价交联网络提供稳定结构,含有有机硼氧硼键的非交联结构分散在交联网络中,提供动态性,氢键的引入提高了体系的动态性,且赋予动态性能的层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,交联动态聚合物颗粒分散在普通共价交联网络中,能够在更大范围与程度上与普通共价交联网络相结合,在动态聚合物应用时充分发挥动态性的优势。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在交联动态聚合物颗粒中或者同时在普通共价交联网络和交联动态聚合物颗粒中含有氢键。在本实施方式中,交联动态聚合物颗粒分散在普通共价交联网络中,能够在更大范围与程度上与普通共价交联网络相结合,同时氢键的引入提高了体系的动态性且赋予动态性能的层次性,动态聚合物在应用时能充分发挥动态性能体现的特性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,制备比较容易且过程简单;普通共价交联提供一个稳定平衡结构;动态共价交联的交联度并未限定,提供动态性,提高交联动态聚合物的韧性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在交联网络中含有氢键。在本实施方式中,制备比较容易且过程简单;动态共价交联提供动态性,在单一交联网络结构的基础上引入氢键,使交联动态聚合物的动态可逆性得到提高,并且具有层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,两个交联网络中分别仅含有一种交联形式,并且两个交联网络之间相互独立,在制备过程以及所得交联动态聚合物分子链结构搭配上具有优势。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,在普通共价交联网络和动态共价交联网络相互独立的基础上,通过引入氢键,调控交联动态聚合物的动态性,提高交联动态聚合物中不同作用的协同效果。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,两个交联网络均含有普通共价交联,通过设计每个普通共价交联网络的分子链结构,能够合理调控交联动态聚合物的力学性能,应用于不同领域。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,两个交联网络均含有普通共价交联,通过设计每个普通共价交联网络的分子链结构,能够合理调控交联动态聚合物的力学性能,氢键的引入与动态共价交联共同提供动态性能,并且具有层次性。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。在本实施方式中,其中一个交联网络的普通共价交联提供稳定的结构;两个交联网络均含有动态共价交联,在较大程度上丰富了动态性能,动态聚合物在应用时能更好地体现出动态性的作用,赋予交联动态聚合物更好的韧性、缓冲性能等。
根据本发明的另一个优选实施方式,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。在本实施方式中,其中一个交联网络的普通共价交联提供稳定的结构;两个交联网络均含有动态共价交联,在较大程度上丰富了动态性能,氢键的引入进一步提高了体系的动态性能,且赋予层次性,动态聚合物在应用时能更好地体现出动态性的作用。
此外,本发明还可以有其他多种多样的实施方式,一个实施方式中可以含有两个或多个相同或不相同的交联网络,一个交联网络中可以含有不同的普通共价交联和/或不同的由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,同时还可选地含有相同或不同的氢键,但本发明不仅限于此。任意一个交联网络的任意一种交联形式的交联度也可以合理地进行控制,实现良好调控平衡结构和动态性能。
在本发明中,所述交联动态聚合物含有的有机硼氧硼键,其可以存在于交联动态聚合物链骨架上,还可以存在于交联动态聚合物链的侧基、端基上,还可以存在于非交联动态聚合物链骨架、侧基、端基上;其中,优选存在于交联动态聚合物链骨架、非交联动态聚合物链骨架上。其中,只有存在于交联网络链骨架上的有机硼氧硼键才能形成动态共价交联。
对于非交联动态聚合物,所述“聚合物链骨架”包括聚合物主链骨架和侧链、支链、分叉链等链骨架;对于交联动态聚合物,所述“聚合物链骨架”包括交联网络链骨架(即构成交联网络的任意链段骨架)和侧链、支链、分叉链等链骨架。
其中,所述“侧链”指与交联网络链骨架、非交联动态聚合物的主链骨架相连接且分布在链骨架旁侧的分子量大于1000Da的链结构;所述“支链”、“分叉链”指从交联网络链骨架、非交联动态聚合物的主链骨架以及其他任意链骨架分叉出来的分子量大于1000Da的链结构;在侧链、支链、分叉链等链骨架上还可以进一步存在侧链、支链、分叉链等次级链,其骨架也属于链骨架。所述“侧基”指与聚合物链骨架(包括交联动态聚合物结构中以及非交联动态聚合物结构中)相连接且分布在链骨架旁侧的分子量不超过1000Da的化学基团和分子量不超过1000Da的链结构;所述“端基”指与聚合物链骨架(包括交联动态聚合物结构中以及非交联动态聚合物结构中)相连接且位于链骨架末端的化学基团。
在本发明中,所述有机硼氧硼键具有如下结构:
其中,所述结构中每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;所述结构中每个硼原子均可以形成一个或者两个有机硼氧硼键,不同的有机硼氧硼键可以相连成环或者不相连成环;表示与任意合适的原子、基团、取代基、聚合物链的连接,至少两个不同的硼原子通过各自上至少一个接入聚合物链中;同一个硼原子上的不同可以相连成环或者不相连成环,不同硼原子上的也可以相连成环或者不相连成环,所述的环包括但不仅限于脂肪族环、芳香族环、醚环、缩合环及其组合形式。
典型地,所述有机硼氧硼键可以包括以下结构形式,但本发明不仅限于此:
在本发明中,至少利用有机硼化合物进行反应获得所述交联动态聚合物。
其中,所述有机硼化合物可选自以如下结构表示的化合物:
其中,Q为有机硼酸基元,q为Q的个数,q≥1;T为单个Q上的取代基团,或者为两个或多个Q之间的连接基团,t为T的个数,t≥1;当q=1时,T选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基;当q>1时,T选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:杂原子链段、分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基。
其中,所述有机硼酸基元Q选自但不仅限于以下任意一种或任意几种结构:
其中,所述结构中的每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;表示与任意合适的原子、基团、取代基、聚合物链的连接;为有机硼酸基;为有机硼酸酯基,E1、E2、E3、E4各自独立地为有机基团或者有机硅基团,E1、E2、E3、E4通过碳原子或者硅原子与氧原子相连;为有机硼酸盐基,G1 +、G2 +、G3 +为一价正离子,一价正离子优选为Na+、K+、NH4 +,G4 2+为二价正离子,二价正离子优选为Ca2+、Mg2+、Ba2 +、Zn2+;为有机卤硼烷基,X1、X2、X3为卤素原子; 为有机硼酸酐基,J1、J2、J3为有机硼基团,J1、J2、J3通过硼原子与氧原子相连,其中J2、J3可选地连接成环;在中,M1、M2不相同,M1、M2各自独立地选自-OH、-OE5、-O-G5 +、-X4、-OJ4,其中,E5为有机基团或者有机硅基团,E5通过碳原子或者硅原子与氧原子相连,G5 +为一价正离子,一价正离子优选为Na+、K+、NH4 +,X4为卤素原子,J4为有机硼基团,J4通过硼原子与氧原子相连。
所述有机硼化合物优选自含有有机硼酸基的化合物、含有有机硼酸酯基的化合物、含有有机硼酸盐基的化合物、含有有机卤硼烷基的化合物、含有有机硼酸酐基的化合物。
其中,合适的含有有机硼酸基的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y各自独立地为固定值或者平均值。
合适的含有有机硼酸酯基的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y各自独立地为固定值或者平均值。
合适的含有有机硼酸盐基的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y各自独立地为固定值或者平均值。
合适的含有有机卤硼烷基的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y各自独立地为固定值或者平均值。
合适的含有有机硼酸酐基的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中x、y、z各自独立地为固定值或者平均值。
此外,合适的含有的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y各自独立地为固定值或者平均值。
合适的含有两个或多个不同有机硼酸基元Q的化合物举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,x、y、z各自独立地为固定值或者平均值。
在本发明中,还可选地加入任意合适的仅含有其他反应性基团的化合物作为原料以进行进一步的聚合和/或交联和/或接枝改性等反应。
其中,所述“其他反应性基团”,其指能够自发地、或者能够在引发剂或光、热、辐照、催化等条件下进行物理和/或化学作用生成普通共价键和/或氢键的基团,其包括但不仅限于:羟基、羧基、酰基、酰胺基、酰氧基、氨基、醛基、磺酸基、磺酰基、巯基、烯基、炔基、氰基、嗪基、肟基、肼基、胍基、卤素基团、异氰酸酯基团、酸酐基团、丙烯酸酯基团、丙烯酰胺基团、马来酰亚胺基团、N-羟基琥珀酰亚胺酯基团、降冰片烯基团、偶氮基团、叠氮基团、硅氢基团、杂环基团、三唑啉二酮、碳自由基、氧自由基、氢键基团等;优选羟基、氨基、巯基、烯基、炔基、异氰酸酯基团、酸酐基团、丙烯酸酯基团、丙烯酰胺基团、叠氮基团、硅氢基团、氢键基团。
在本发明中,所述有机硼化合物可以含有其他反应性基团,或者不含有其他反应性基团。所述有机硼化合物、仅含有其他反应性基团的化合物,其可以是分子量不超过1000Da的小分子化合物,或者是分子量大于1000Da的大分子化合物。
用于制备交联动态聚合物的原料组分,还可包括其他含有普通共价交联的交联聚合物。所述其他含有普通共价交联的交联聚合物,其能够与含有有机硼氧硼键的聚合物共同构成交联体系组成交联动态聚合物,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:交联聚氯乙烯、交联聚偏氯乙烯、交联氯化聚乙烯、交联氯化聚氯乙烯、交联丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、交联丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、交联聚乙烯、交联聚酰胺、交联聚丙烯酸、交联聚丙烯酰胺、交联聚丙烯腈、交联聚丙烯酸酯、交联聚丙烯酸甲酯、交联聚甲基丙烯腈、交联聚甲基丙烯酸甲酯、交联聚苯并咪唑、交联聚醋酸乙烯酯、交联聚对苯二甲酸乙二醇酯、交联聚对苯二甲酸丁二醇酯、交联聚碳酸酯、交联聚醚、交联聚酯、交联酚醛树脂、交联脲醛树脂、交联醇酸树脂、交联四氟乙烯-全氟丙烷共聚物、交联聚酰亚胺、交联聚苯醚、交联聚丙烯、交联聚苯硫醚、交联聚苯砜、交联聚苯乙烯、交联聚砜、交联聚醚砜、交联聚芳砜、交联聚氟乙烯、交联聚四氟乙烯、交联聚三氟氯乙烯、交联聚氨酯、交联聚脲、交联聚乙烯吡咯烷酮、交联不饱和聚酯、交联生物聚酯、交联聚醚醚酮、交联聚异戊二烯、交联顺丁二烯、交联聚苯乙烯-丁二烯共聚物、交联丁二烯-丙烯腈共聚物、交联聚氯丁二烯、交联异丁烯-异戊二烯共聚物、交联乙烯-丙烯共聚物、交联硅橡胶、交联氟橡胶、交联液晶聚合物。
在本发明中,为了提高形成所述有机硼氧硼键的反应效率且得到稳定的交联动态聚合物产物,通常需要加入适量的含氮配体,其包括但不仅限于三乙胺、吡啶,以及适量的脱水剂,其包括但不仅限于分子筛、无水氯化钙、无水硫酸镁、无水硫酸钠。其中,所述脱水剂也适用于其他反应性基团之间的反应。
在本发明中,对于所述连接基的分子量并未作特别限定,其可以是分子量不超过1000Da的链段,或者是分子量大于1000Da的聚合物链残基。
其中,所述“碳连接基”指主链由碳原子组成的连接基,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的碳链聚合物残基。
所述“碳-杂连接基”指主链由碳原子和杂原子组成的连接基,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:被杂原子杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的碳-杂链聚合物残基。
所述“碳-元素连接基”指主链由碳原子和素原子组成的连接基,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:被元素原子杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的碳-元素链聚合物残基。
所述“碳-杂-元素连接基”指主链由碳原子、杂原子和元素原子组成的连接基,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:被杂原子和元素原子同时杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的碳-杂-元素链聚合物残基。
所述“杂连接基”指主链由杂原子组成的连接基,其分子量可以不超过1000Da,或者大于1000Da,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):二价1,2-二甲基肼基、二价硫基、二价胺基、三价胺基。
在本发明中,所述“有机基团”,其指主要以碳元素和氢元素作为骨架所构成的基团,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基。合适的基团举例如下(本发明包括但不仅限于此):甲基、乙基、乙烯基、苯基、苄基、羧基、醛基、乙酰基、丙酮基。
所述“有机硅基团”,其指主要由硅元素和氢元素构成的基团,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子硅烷基、分子量大于1000Da的有机硅类聚合物链残基。合适的基团举例如下(本发明包括但不仅限于此):硅烷基、硅氧烷基、硅硫烷基、硅氮烷基。
其中,所述“分子量不超过1000Da的小分子硅烷基”,其可以是任意合适的分子主链主要由硅原子和氮、氧、硫、磷等原子构成的小分子硅烷基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式、任意一种的被杂原子和/或元素原子杂化形式及其组合:硅碳烷链残基、硅氧烷链残基、硅硫烷链残基、硅氮烷链残基。
所述“分子量大于1000Da的有机硅类聚合物链残基”,其可以是任意合适的分子主链主要由硅原子和氮、氧、硫、磷等原子构成的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式、任意一种的被杂原子和/或元素原子杂化形式及其组合:聚有机硅烷链残基、聚有机硅氧烷链残基、聚有机硅硼烷链残基、聚有机硅氮烷链残基、聚有机硅硫烷链残基、聚有机磷硅氧烷链残基、聚有机金属硅氧烷链残基。
所述“有机硼基团”,其通过硼原子与上文-OJ1、-OJ2、-OJ3、-OJ4结构中的氧原子相连,且该硼原子与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与该硼原子相连。
所述“杂原子链段”,其指主链由杂原子组成的链段,其分子量可以不超过1000Da,或者大于1000Da,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):二价1,2-二甲基肼基、二价硫基、二价胺基、三价胺基。
所述“被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基”,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:被杂原子杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、被元素原子杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂原子和元素原子同时杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基。
所述“分子量不超过1000Da的小分子烃基”,其主链由碳原子组成,其一般含有1到71个碳原子,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式及其组合:C1-71烷基、C3-71环烷基、苯基、苄基、芳烃基。
所述“分子量大于1000Da的聚合物链残基”,其可以是任意合适的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:分子量大于1000Da的碳链聚合物残基、分子量大于1000Da的碳-杂链聚合物残基、分子量大于1000Da的碳-元素链聚合物残基、分子量大于1000Da的碳-杂-元素链聚合物残基。
所述“分子量大于1000Da的碳链聚合物残基”,其指任意合适的主链由碳原子组成的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式及其组合:(1)聚烯烃类,例如聚乙烯链残基、聚氯乙烯链残基、聚偏氯乙烯链残基、聚氟乙烯链残基、聚四氟乙烯链残基、聚三氟氯乙烯链残基、聚丙烯链残基、聚异丁烯链残基、聚苯乙烯链残基、聚丁二烯链残基、聚异戊二烯链残基、聚氯丁二烯链残基、聚醋酸乙烯酯链残基、聚乙烯基烷基醚链残基、聚降冰片烯链残基等;(2)聚丙烯酸类,例如聚丙烯酸链残基、聚丙烯酸甲酯链残基、聚甲基丙烯酸甲酯链残基、聚丙烯酰胺链残基等;(3)聚丙烯腈类,例如聚丙烯腈链残基等。
所述“分子量大于1000Da的碳-杂链聚合物残基”,其指任意合适的主链由碳原子和杂原子组成的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式、任意一种的被杂原子杂化形式及其组合:(1)聚醚类,例如聚环氧乙烷链残基、聚环氧丙烷链残基、聚四氢呋喃链残基、酚醛树脂链残基、聚苯醚链残基、环氧树脂链残基等;(2)聚酯类,例如聚丙交酯链残基、聚己内酯链残基、聚戊内酯链残基、聚对苯二甲酸乙二醇酯链残基、聚碳酸酯链残基、不饱和聚酯链残基、醇酸树脂链残基、生物聚酯链残基、液晶聚酯链残基等;(3)聚胺类,例如聚酰胺链残基、聚酰亚胺链残基、聚氨酯链残基、聚硫代氨基甲酸酯链残基、聚脲链残基、脲醛树脂链残基、蜜胺树脂链残基等。
所述“分子量大于1000Da的碳-元素链聚合物残基”,其指任意合适的主链由碳原子和元素原子组成的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式、任意一种的被元素原子杂化形式及其组合:(1)有机碳-硅类,例如聚硅烷与主链由碳原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、聚硅烷与主链由碳原子和元素原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、聚硅碳烷链残基、聚硅碳烷与主链由碳原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、聚硅碳烷与主链由碳原子和元素原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基等;(2)有机碳-硼类,例如碳-硼聚合物链残基、硼-磷聚合物与主链由碳原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、硼-磷聚合物与主链由碳原子和元素原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基等;(3)有机碳-磷类,例如含磷酰键聚合物链残基等。
所述“分子量大于1000Da的碳-杂-元素链聚合物残基”,其指任意合适的主链由碳原子、杂原子和元素原子组成的聚合物链残基,其选自但不仅限于以下任意一种、任意一种的不饱和形式、任意一种的被取代形式、任意一种的被杂原子和/或元素原子杂化形式及其组合:(1)有机碳-杂-硅类,例如聚硅烷与主链由碳原子和杂原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、聚硅碳烷与主链由碳原子和杂原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、其他反应性基团改性的聚硅氧烷链残基、其他反应性基团改性的聚硅氮烷链残基等;(2)有机碳-杂-硼类,例如聚碳硼烷硅氧烷链残基、碳-硼聚合物与主链由碳原子和杂原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基、硼-磷聚合物与主链由碳原子和杂原子组成的其他反应性基团反应生成的聚合物链残基等;(3)有机碳-杂-磷类,例如含磷聚酯聚合物链残基、含磷聚酰胺链残基、含磷聚氨酯链残基等。
所述“杂原子”选自但不仅限于氧原子、硫原子、氮原子。
所述“元素原子”选自但不仅限于硼原子、硅原子、磷原子、砷原子、硒原子、碲原子。
所述“烷基”指具有直链或支链结构的饱和烃基,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):甲基、乙基、丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、2-甲基丁基、正己基、3-甲基戊基、2-乙基丁基、庚基、辛基、壬基、癸基。
所述“环烷基”指饱和的环烃,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):环丙基、环丁基、环戊基、环己基、环庚基、环辛基。
所述“芳烃基”指在各个环中至多7个原子的任何稳定的单环或多环碳环,其中至少一个环为芳香族的,合适的举例如下(本发明包括但不仅限于此):苯基、联苯基、萘基、联萘基、四氢萘基、茚满基、蒽基、联蒽基、菲基、联菲基。
所述“被取代”,以“被取代的烷基”为例,指烷基中任一位置的任意一个或一个以上的氢原子可以被任一取代基所取代。
所述“被杂化”,以“被杂化的烷基”为例,指烷基链骨架中的碳原子被杂原子和/或元素原子取代。
所述“脂肪族环”,其可为任意一种脂环或脂杂环,并且成环原子各自独立地为碳原子或者杂原子或者元素原子;脂肪族环成环原子上的氢原子可以被任一取代基取代,或者不被取代;其可以为单环结构、多环结构、螺环结构、稠环结构、桥环结构、嵌套环结构等。概括地讲,所述脂肪族环包括但不限于环C3-200烷、氮杂环丁烯、方酸、环丁烷二酮、半方酸、茂、吡咯烷、噻唑烷、二氢异噁唑、噁唑烷、环己烯、哌啶、降冰片烷、降冰片烯、降冰片二烯、1,4,7-三氮杂环壬烷、轮环藤宁、噻吩、吡咯、咪唑、噁唑、异噁唑、噻唑、异噻唑、吡唑等;优选环丙烷、环丁烷、环戊烷、环己烷、环庚烷、环辛烷、环壬烷、环癸烷、噻吩、吡咯,更优选环丙烷、环丁烷、环戊烷、环己烷。
所述“芳香族环”,其可为任意一种芳环或芳杂环,并且成环原子各自独立地为碳原子或者杂原子或者元素原子;芳香族环成环原子上的氢原子可以被任一取代基取代,或者不被取代;其可以为单环结构、多环结构、螺环结构、稠环结构、桥环结构、嵌套环结构等。概括地讲,所述芳香族环包括但不限于苯环、吡啶、哒嗪、嘧啶、吡嗪、1,3,5-三嗪、茚、二氢化茚、吲哚、异吲哚、嘌呤、萘、蒽、二氢蒽、菲、二氢菲、二苯并环庚烯、5-二苯并环庚烯酮、喹啉、异喹啉、芴、咔唑、亚氨基二苄、萘乙环、二苯并环辛炔、氮杂二苯并环辛炔等;优选苯环、吡啶。
所述“醚环”,其可为任一种含有醚键的环,且成环原子各自独立地为碳原子、氧原子或者杂原子或者元素原子;醚环成环原子上的氢原子可以被任一取代基取代,或者不被取代;其可以为单环结构、多环结构、螺环结构、稠环结构、桥环结构、嵌套环结构等。概括地讲,所述醚环包括但不限于环氧乙烷、四氢呋喃、四氢吡喃、1,4-二氧六环、呋喃、冠醚等;优选环氧乙烷、四氢呋喃。
所述“缩合环”,其可为任一种含有酰胺键、酯键、酰亚胺、酸酐等缩合形成的化学键的环,且成环原子各自独立地为碳原子或者杂原子或者元素原子;缩合环成环原子上的氢原子可以被任一取代基取代,或者不被取代;其可以为单环结构、多环结构、螺环结构、稠环结构、桥环结构、嵌套环结构等。概括地讲,所述缩合环包括但不仅限于内酯、交酯、内酰胺、环酰亚胺、环酸酐、环肽等;优选己内酯、丙交酯、己内酰胺。
所述“分子量”均代表物质的相对分子质量,对于小分子化合物、小分子基团及某些具有固定结构的大分子化合物、大分子基团而言,其分子量一般具有单分散性,也即具有固定分子量;而对于低聚物,高聚物、低聚物残基、高聚物残基等具有多分散性分子量的物质,其分子量一般指代平均分子量。其中,本发明中的小分子化合物、小分子基团特指分子量不超过1000Da的化合物或基团;大分子化合物、大分子基团特指分子量大于1000Da的化合物或基团。
在本发明中,基团中的碳原子数范围以下标形式标注在C的下标位置,表示该基团具有的碳原子数。例如“C1-5”表示具有1至5个碳原子,“不饱和的C10-20烃基”表示C10-20烃基中含有不饱和键的化合物。当一个基团可选自C1-10烃基时,其可选自下标所示范围中任意一种碳原子数的烃基,即可选自C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10烃基中任意一种烃基。在本发明中,没有特别说明的情况下,以区间形式标记的下标均表示可选自该范围内任意一整数,该范围包括两个端点。
所述“和/或”,表示所述的术语可以包含选自“和/或”之前所述的选项,或者选自“和/或”之后所述的选项,或者同时选自“和/或”之前和之后所述的选项这三种情况。例如,说明书中“聚合和/或交联”中的“和/或”,其含义即是可以仅是聚合,或者仅是交联,或者所述同时是聚合和交联。在本发明说明书中其他地方出现的连接词“和/或”,均代表此类含义。
在本发明中,所述可选的氢键,其一般是由与电负性大的Y原子共价相连的氢原子、电负性大且半径小的Z原子形成的Y-H···Z类型的非共价作用。其中,所述Y、Z原子可以是同种原子,或者是不同种原子,其选自但不仅限于碳原子、氮原子、氧原子、氟原子、硫原子、氯原子、溴原子、碘原子,优选为氮原子、氧原子、硫原子,更优选为氮原子、氧原子。
在本发明中,氢键供体(D)和氢键受体(A)形成的氢键数目称为氢键的齿数。其中,形成的氢键齿数越多,其强度大、动态性弱,可以起到促进交联动态聚合物保持平衡结构和提高力学性能的作用;反之,其强度低、动态性强,能够在有机硼氧硼键的基础上提高交联动态聚合物的动态性能,并且赋予动态性能层次性。
所述氢键齿数优选不超过四齿。如下分别为一齿、二齿和三齿氢键结构示意式:
如下分别为一齿、二齿和三齿氢键结构合适的举例(本发明包括但不仅限于此):
在本发明中,所述可选的氢键,其由交联动态聚合物中任意一处或多处的的氢键基团之间形成。所述氢键基团,其可以存在于交联动态聚合物交联网络链骨架上,也可以存在于交联动态聚合物的侧链/支链/分叉链骨架上,还可以存在于交联动态聚合物的侧基、端基上,还可以存在于非交联动态聚合物主链骨架、侧链/支链/分叉链骨架、侧基、端基上,还可以存在于小分子化合物或者填料中。所述氢键基团可以仅含有氢键供体或氢键受体,但体系中并非全部氢键基团仅含有氢键供体或氢键受体,也可以同时含有氢键供体和氢键受体。为有效形成氢键,优选至少部分氢键基团同时含有氢键供体和氢键受体,更优选全部氢键基团同时含有氢键供体和氢键受体。
所述氢键基团优选含有如下结构成分:
更优选含有如下结构成分中至少一种:
在本发明中,当氢键基团存在于交联动态聚合物链骨架(包括侧链/支链/分叉链)、非交联动态聚合物链骨架(包括侧链/支链/分叉链)中且至少部分原子是聚合物链骨架的组成部分时,称为骨架氢键基团,合适的骨架氢键基团举例如下(本发明包括但不仅限于此):
当氢键基团存在于交联动态聚合物链侧基、非交联动态聚合物链侧基中时,称为侧基氢键基团,其中侧基氢键基团也可存在于侧基的多级结构上。合适的侧基氢键基团除具有上述骨架氢键基团的结构外,更具体的举例如下(本发明包括但不仅限于此):
其中,n为固定值或者平均值,n优选小于10,更优选小于5。位于交联动态聚合物链端基、非交联动态聚合物链端基中的氢键基团可以与侧基氢键基团具有相同的结构。
在本发明中,交联动态聚合物中可以含有一种氢键基团或多种氢键基团。所述氢键基团,其可以通过任意合适的化学反应形成,例如(本发明包括但不仅限于此):通过羧基、酰卤基团、酸酐基团、酯基、酰胺基、异氰酸酯基团与氨基之间的共价反应形成;通过异氰酸酯基团与羟基、巯基、羧基之间的共价反应形成;通过琥珀酰亚胺酯基团与氨基、羟基、巯基之间的共价反应形成。
所述氢键基团,其可以存在于反应物中,从而使得形成的交联动态聚合物中产生氢键;也可以在制备交联动态聚合物的过程中形成氢键基团,进而使得形成的交联动态聚合物中产生氢键,但本发明不仅限于此。所述可选的氢键,其可以是在交联动态聚合物进行普通共价交联和/或动态共价交联的过程中生成,也可以是预先生成后再进行普通共价交联和/或动态共价交联,还可以是在普通共价交联和/或动态共价交联形成后的后续制备过程中形成,但本发明不仅限于此。所述可选的氢键可以具有任意合适的交联度,可以在其凝胶点以上,或者在其凝胶点以下。
在本发明中,可通过设计氢键的种类、数量,与交联动态聚合物中的有机硼氧硼键协同作用,赋予交联动态聚合物更好且具层次的动态性、响应性等特性。交联动态聚合物在剪切应力或冲击应力作用下,其含有的有机硼氧硼键与可选的氢键发生断裂,可以耗散能量,赋予交联动态聚合物韧性;有机硼氧硼键与可选的氢键会发生层次性断裂,起到逐级耗散外力的效果,改善交联动态聚合物的耐用性;与此同时,普通共价交联又提供了一个稳定结构。本发明中的交联动态聚合物,其结构中同时含有普通共价交联、有机硼氧硼键以及可选的氢键,赋予交联动态聚合物在力学性能、动态性以及响应性等方面较大范围的调控性。
可通过调控原料化合物分子链结构的柔顺性以及搭配,实现对交联动态聚合物分子链结构的调控。当交联动态聚合物主要由刚性链构成时,其在宏观上通常表现为较好的尺寸稳定性、耐热性和耐化学腐蚀性,硬度和强度相对高。当交联动态聚合物主要由柔性链构成时,其在宏观上通常表现为韧性好、具有一定的延展性和弹性,在使用过程中不易发生脆性断裂,并且制备工艺条件要求低。
通过不同方式对交联动态聚合物进行调控,使其体现出丰富各异的性能,应用于不同的领域。诸如以上所述仅是对本发明中交联动态聚合物调控的部分举例说明,对于本发明中交联动态聚合物结构、性能、用途的设计,其可调范围广泛,本领域的技术人员可以根据本发明的思路进行调整。
在制备交联动态聚合物时,原料组分中可以含有一种、两种或多种有机硼化合物,也可以含有一种、两种或多种仅含有其他反应性基团的化合物。在交联动态聚合物制备过程中,作为原料的有机硼化合物含有有机硼酸基时,可直接进行反应;作为原料的有机硼化合物含有有机硼酸酯基或者有机硼酸盐基或者有机卤硼烷基或其组合时,须通过水解形成有机硼酸基再进行反应;作为原料的有机硼化合物含有有机硼酸酐基时,可通过水解形成有机硼酸基再进行反应,也可不水解利用其含有的其他反应性基团进行反应,但本发明不仅限于此。可通过有机硼化合物中含有的其他反应性基团之间进行反应形成普通共价交联,也可以通过有机硼化合物中含有的其他反应性基团与仅含有其他反应性基团的化合物进行反应形成普通共价交联,还可以通过仅含有其他反应性基团的化合物之间进行反应形成普通共价交联,但本发明不仅限于此。
在交联动态聚合物的制备过程中,当交联动态聚合物仅含有一个交联网络其此交联网络同时含有普通共价交联和动态共价交联时,可采用至少一种有机硼化合物参与反应制备,或者采用至少一种有机硼化合物和至少一种仅含有其他反应性基团的化合物参与反应制备,但本发明不仅限于此。
对于同时含有普通共价交联和动态共价交联的交联网络,不同交联的先后顺序并未限定,可以先进行普通共价交联后再进行动态共价交联,也可以先进行动态共价交联后再进行普通共价交联,也可以控制条件使普通共价交联和动态共价交联同时进行。
当交联动态聚合物含有两个交联网络且其中一个交联网络仅含有普通共价交联、另一个交联网络仅含有动态共价交联时,可采用至少一种仅含有其他反应性基团的化合物参与反应制备仅含有普通共价交联的交联网络,或者采用至少一种已含有普通共价交联的聚合物作为原料进行制备仅含有普通共价交联的交联网络;可采用至少一种有机硼化合物制备仅含有动态共价交联的交联网络。
对于具有其他交联网络结构的交联动态聚合物,均可根据上述思路,利用相应的原料化合物进行制备。
当交联动态聚合物含有两个或多个交联网络时,可采用一步法制备,或者采用分步法制备。具体地,例如采用一步法制备含有两个交联网络的交联动态聚合物时,可以将多种原料化合物混合后在同一反应器中按各自反应进行,得到互穿或部分互穿的交联网络。例如采用分步法制备含有两个交联网络的交联动态聚合物时,可以先利用原料化合物分别制备好第一交联网络、第二交联网络,再将制备好的两个交联网络进行共混得到相互共混的交联网络;也可以将制备好的第一网络加入到制备第二网络的原料化合物中进行溶胀,然后原料化合物反应形成第二网络,得到互穿或部分互穿的交联网络。对于含有多个交联网络的交联动态聚合物,可采用类似的分步法得到多个共混或互穿的交联网络。
在交联动态聚合物的制备过程中,并不要求原料组分中所有的有机硼酸基元和其他反应性基团都完全相互反应形成普通共价键和动态共价键,只要形成的普通共价键和动态共价键足以维持交联动态聚合物的交联网络结构即可。
在本发明中,所涉及的合适的聚合方法,其可以通过本领域内通用的任意一种合适的聚合反应来进行,其包括但不仅限于缩合聚合反应、加成聚合反应、开环聚合反应;其中,加成聚合反应包括但不仅限于自由基聚合反应、阴离子聚合反应、阳离子聚合反应、配位聚合反应。
在制备过程中,化合物原料可利用上述的任意一种聚合反应方法,通过本领域内通用的任意一种合适的聚合工艺来实施。例如:(1)采用缩合聚合反应制备交联动态聚合物时,其可通过熔融聚合、溶液聚合、界面聚合等聚合工艺进行实施;(2)采用自由基聚合反应制备交联动态聚合物时,其可通过本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合、乳液聚合等聚合工艺进行实施;(3)反采用离子聚合反应制备交联动态聚合物时,其可通过溶液聚合、淤浆聚合、气相聚合等聚合工艺进行实施。
所涉及的合适的交联方法,其可以通过本领域内通用的任意一种合适的交联反应来进行。原料化合物可通过物理交联方法制备交联动态聚合物,其包括但不仅限于热引发交联、光引发交联、辐射引发交联、等离子体引发交联、微波引发交联;也可通过化学交联方法制备交联动态聚合物,其包括但不仅限于过氧化物引发交联、亲核试剂取代交联。
在本发明中,优选采用溶液聚合-交联工艺、乳液聚合-交联工艺来制备交联动态聚合物。所述的溶液聚合-交联工艺、乳液聚合-交联工艺,其具有能够降低体系粘度,易于传质传热、便于温度控制、可避免局部过热的优势,所获得的溶液、乳液便于浓缩或分散,有利于进行涂覆、混合等操作。
在交联动态聚合物的制备过程中,可通过本领域已知的任意合适的材料混合方式将一定配比的原料通过混合来制备交联动态聚合物,其可以是间歇、半连续或连续工艺形式的混合;同样,也可选择间歇、半连续或连续工艺形式对交联动态聚合物进行成型。其中,混合方式包括但不仅限于溶液搅拌、熔融搅拌、捏合、密炼、开炼、熔融挤出、球磨等,优选溶液搅拌、熔融搅拌和熔融挤出混合。在原料混合过程中的能量提供形式包括但不仅限于加热、光照、辐射、微波、超声。成型方式包括但不仅限于挤出成型、注射成型、模压成型、流延成型、压延成型、铸塑成型。
所述溶液搅拌混合,通常是将原料溶解或分散在各自的溶剂中或者共同的溶剂中,然后在反应器中进行搅拌混合反应。一般情况下,混合反应温度控制在0~200℃,优选25~120℃,更优选25~80℃;混合搅拌时间控制在0.5~12h,优选1~4h。可将混合搅拌后得到的产物浇注到合适的模具中,在0~150℃,优选25~80℃温度条件下,放置0~48h,得到交联动态聚合物样品。
其中所用到的溶剂,根据反应物、产物及反应过程等实际情况进行选择,包括但不仅限于以下任意一种溶剂或任意几种的混合溶剂:去离子水、丙酮、丁酮、苯、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙醚、甲基叔丁基醚、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、醋酸异丙酯、醋酸正丁酯、三氯乙烯、均三甲苯、柠檬酸缓冲液、乙酸缓冲溶液、磷酸缓冲溶液等;优选去离子水、甲苯、氯仿、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃、二甲基甲酰胺。此外,溶剂也可选自齐聚物、增塑剂、离子液体;所述齐聚物包括但不仅限于聚醋酸乙烯酯齐聚物、聚丙烯酸正丁酯齐聚物、液体石蜡等;所述增塑剂可选自可添加的助剂中的增塑剂中所述类别,这里不再赘述;所述离子液体一般由有机阳离子和无机阴离子组成,有机阳离子可选自烷基季铵离子、烷基季瞵离子、1,3-二烷基取代的咪唑离子、N-烷基取代的吡啶离子等,无机阴离子可选自卤素离子、BF4 -、PF6 -、SbF6 -、CF3SO3 -、(CF3SO2)2N-、C3F7COO-、C4F9SO3 -、CF3COO-、(CF3SO2)3C-、(C2F5SO2)3C-、(C2F5SO2)2N-、AsF6 -等。其中,利用有机溶剂来制备交联动态聚合物并选择将其保留时,可以得到有机凝胶;利用齐聚物来制备交联动态聚合物并选择将其保留时,可以得到齐聚物溶胀凝胶;利用增塑剂来制备交联动态聚合物并选择将其保留时,可以得到增塑剂溶胀凝胶;利用离子液体来制备交联动态聚合物并选择将其保留时,可以得到离子液体溶胀凝胶。
所述熔融搅拌混合,通常是将原料在反应器中直接搅拌混合或加热熔融后搅拌混合反应,此种方式一般在原料为气体、液体或熔点较低的固体的情况下使用。通常,混合反应温度控制在0~200℃,优选25~120℃,更优选25~80℃;混合搅拌时间控制在0.5~12h,优选1~4h。可将混合搅拌后得到的产物浇注到合适的模具中,在0~150℃,优选25~80℃温度条件下,放置0~48h,得到交联动态聚合物样品。
所述熔融挤出混合,通常是将原料加入到挤出机中进行挤出共混反应,挤出温度为0~280℃,优选50~150℃。反应产物可直接流延成型后裁成合适尺寸,或者将得到的挤出样品进行破碎后,利用注塑机或者模压机进行制样。注塑温度为0~280℃,优选50~150℃,注塑压力优选60~150MPa;模压温度为0~280℃,优选25~150℃,更优选25~80℃,模压时间为0.5~60min,优选1~10min,模压压力优选4~15MPa。可将样条置于合适的模具中,在0~150℃,优选25~80℃温度条件下,放置0~48h,得到交联动态聚合物样品。
在本发明中,所述交联动态聚合物或其组成的形态可以是普通固体、弹性体、凝胶、泡沫材料等。可根据具体的需求与应用方向选择制备合适形态的交联动态聚合物。
其中,普通固体一般具有良好的尺寸稳定性以及相对较好的力学性能,体积和形状一般比较固定,其包括但不仅限于硬质固体、韧性固体。
弹性体除具有普通固体的一般性质外,还具有较好的弹性和韧性,易于实现自修复性能,适合应用于制备阻尼缓冲材料。
凝胶质地柔软,弹性好,并且具有一定的稳定性和强度,易于实现自修复,适用于制备阻尼缓冲材料。
所述交联动态聚合物凝胶可以通过在溶胀剂(包括有机溶剂、齐聚物、增塑剂、离子液体及其组合)中进行交联获得,也可以在交联动态聚合物制备完成后再利用溶胀剂进行溶胀获得。本发明并不仅限于此,本领域技术人员可以根据本发明的逻辑和脉络,合理有效地实现。
泡沫材料具有质轻、密度小、比强度高的特点,还具有良好的缓冲减震、隔音隔热特性,此外不同硬度的泡沫材料可应用于功能性保护外壳、缓冲材料等不同领域。
所述交联动态聚合物泡沫材料可按孔结构、硬度和发泡密度进行分类。其中,按孔结构可分为两类:(1)开孔泡沫,泡孔之间互相连通、相互通气,发泡体中气体相与聚合物相间呈连续相,流体可从发泡体内通过;(2)闭孔泡沫,泡孔孤立存在,均匀地分布在发泡体内,互不连通,气泡完整无破碎,泡孔壁形成发泡体的连续相。按硬度可分为三类:(1)软质泡沫,在23℃和50%的相对湿度下,弹性模量小于70MPa;(2)硬质泡沫,在23℃和50%的相对湿度下,弹性模量大于700MPa;(3)半硬质泡沫,在23℃和50%的相对湿度下,弹性模量介于70MPa和700MPa之间。按发泡密度可分为三类:(1)低发泡泡沫,密度大于0.4g/cm3,发泡倍率小于1.5;(2)中发泡泡沫,密度为0.1~0.4g/cm3,发泡倍率为1.5~9;(3)高发泡泡沫,密度小于0.1g/cm3,发泡倍率大于9。
所述交联动态聚合物泡沫材料可通过物理发泡法、化学发泡法和机械发泡法制备。其中,所述物理发泡法,指通过改变原料组分的物理状态而发泡,其主要包括以下三种方法:(1)惰性气体发泡法,即在一定压力下将惰性气体压入聚合物中,然后减压升温释放出气体使之发泡;(2)低沸点液体发泡法,即把低沸点液体压入聚合物中或在压力下把液体溶于聚合物颗粒中,然后加热到液体的沸点,借所产生的蒸汽压力使之发泡;(3)中空微球发泡法,即在聚合物中加入中空微球后经固化而制成泡沫塑料。所述化学发泡法,指通过原料中某些组分在制备过程中发生化学反应,产生气体使之发泡,其主要包括以下两种方法:(1)利用原料中化学发泡剂受热分解逸出气体而发泡;(2)由原料的两个或多个组分相互作用,析出二氧化碳或氮气等惰性气体使聚合物膨胀发泡。所述机械发泡法,指通过强烈的机械搅拌使聚合物乳液、悬浮液或溶液产生泡沫,然后经过胶凝和固化得到泡沫材料,为缩短时间可通入空气、添加乳化剂或表面活性剂等。
所述交联动态聚合物泡沫制品可通过注射发泡成型、挤出发泡成型、模压发泡成型等方法制得。其中,所述注射发泡成型,其工艺、设备与普通注射成型类似,物料加入螺杆后变为熔体状态,将发泡剂注入物料熔体内并混合均匀,在成核剂的作用下形成气泡核,当型腔压力下降时发生气泡核的膨胀过程,随着模具的降温而使发泡体固化定型。所述挤出发泡成型,其工艺、设备与普通挤出成型类似,在挤出之前或挤出过程中将发泡剂加入挤出机中,熔体流经机头处压力下降,发泡剂挥发而形成要求的发泡结构;此方法不仅能够实现连续化生产,而且在成本上比注射发泡成型更具竞争性,因此是目前应用最广泛的发泡成型方法。所述模压发泡成型,指将可发泡原料加入模具中,通过加热加压发泡成型;此方法设备工艺简单,生产效率高、产品质量好。
本领域的技术人员可根据实际条件及需求选择合适的发泡方法、成型方法制备交联动态聚合物泡沫制品。
在本发明中,用于制备交联动态聚合物的原料组分,还可包括合适的助剂、填料等,但并不是必须添加的。
在本发明中,所述可添加的助剂,其能够改善材料制备过程、提高产品质量和产量,降低产品成本或者赋予产品某种特有的应用性能,其可选自以下任意一种或任意几种:引发剂、催化剂、交联剂、助交联剂、抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂、增塑剂、增韧剂、偶联剂、阻燃剂、抗静电剂、扩链剂、固化剂、乳化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、分散剂、增稠剂、流变剂、流平剂、润滑剂、脱模剂。
其中,所述引发剂,其能够在聚合反应中引起单体分子活化而产生自由基,促进反应进行,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)自由基聚合引发剂,主要有偶氮类引发剂(例如偶氮二异丁腈AIBN、偶氮二异庚腈ABVN等)、有机过氧化合物(例如过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯DCP、过氧化二苯甲酰BPO、过氧化十二酰B、过氧化苯甲酸叔丁酯TBPB、过氧化叔戊酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯IPP、过氧化二碳酸二环己酯DCPD等)、无机过氧类引发剂(例如过硫酸铵、过硫酸钾等)、氧化还原体系(例如过硫酸盐/脂肪胺、过硫酸盐/Fe2+、过氧化二苯甲酰/N,N-二甲基苯胺等)、光引发剂(例如二苯甲酮BP、2-羟基-2-甲基苯基丙酮1173、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮DMPA等)等;(2)阴离子聚合引发剂,主要有碱金属(例如钠、钾、锂、钠-萘-四氢呋喃体系等)、有机金属化合物(例如氨基钾、氨基钠、丁基锂、格式试剂、甲醇钠、甲醇钾等)等;(3)阳离子聚合引发剂,主要有SnCl4-RCl体系、ZnCl2-RCOX体系、高氯酸盐、三苯基甲基盐等;(4)配位聚合引发剂,主要有TiCl/Al(C2H5)3、π-丙烯基镍、烷基锂、茂金属等;(5)开环聚合引发剂,主要有环氧乙烷活化剂、三级氧离子(例如四氟硼酸三乙基氧盐等)、有机金属(例如二乙基锌、三乙基铝、辛酸亚锡等)等。
所述催化剂,其能够降低反应活化能,从而提高反应物的化学反应速率,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)聚氨酯合成用催化剂,主要有胺类(例如三乙胺、三亚乙基二胺、N-乙基吗啉、吡啶、四甲基二亚丙基三胺、N,N-二甲基环己胺、N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、N,N,N',N',N'-五甲基二亚乙基三胺、N,N-二甲基苄胺、N,N-二甲基十六胺等)、有机金属类(例如二月桂酸二丁基锡DBTDL、辛酸亚锡、二辛基锡二月桂酸酯、异辛酸锌、异辛酸铅、油酸钾、环烷酸锌、环烷酸钴、乙酰丙酮铁、乙酸苯汞、丙酸苯汞、环烷酸铋、甲醇钠、辛酸钾、油酸钾、碳酸钙等)等;(2)聚烯烃合成用催化剂,例如Ziegler-Natta催化剂、π-烯丙基镍、烷基锂催化剂、茂金属催化剂、一氯二乙基铝、四氯化钛、三氯化钛、三氟化硼乙醚络合物、氧化镁、二甲胺、氯化亚铜、三乙胺、四苯硼钠、三氧化二锑、倍半乙基氯化铝、三氯氧钒、三异丁基铝、环烷酸镍、环烷酸稀土等;(3)CuAAC反应催化剂,由一价铜化合物和胺配体共用协同催化,其中一价铜化合物主要有Cu(I)盐(例如CuCl、CuBr、CuI、CuCN、CuOAc等)、Cu(I)络合物(例如[Cu(CH3CN)4]PF6、[Cu(CH3CN)4]OTf、CuBr(PPh3)3等)等,胺配体主要有三[(1-苄基-1H-1,2,3-三唑-4-基)甲基]胺、三[(1-叔丁基-1H-1,2,3-三唑-4-基)甲基]胺、三(2-苯并咪唑甲基)胺、水合红菲绕啉二磺酸钠等;(4)巯基-烯烃反应用催化剂,例如乙二胺、三乙醇胺、三乙胺、吡啶、咪唑、二异丙基乙基胺等;(5)其他反应用催化剂,例如4-二甲基氨基吡啶DMAP等。
所述交联剂,其配合在交联动态聚合物中需要进行交联的反应物组分进行使用,能在线型的聚合物分子间起架桥作用,使多个线型分子相互键合交联成网状结构,能够进一步增加聚合物的交联密度和交联强度,提高聚合物的耐热性能及使用寿命,同时改善材料的机械性能及耐候性,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:聚丙二醇缩水甘油醚、氧化锌、正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、对甲苯磺酸、对甲苯磺酰氯、二丙烯酸-1,4-丁二醇酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、丙烯酸丁酯、异丙醇铝、醋酸锌、氮丙啶、异氰酸酯、酚醛树脂、六次甲基四胺、甲基化三乙撑四胺、二乙烯基苯、过氧化二异丙苯DCP、过氧化十二酰B、过氧化二苯甲酰BPO、过氧化环己酮、过氧化苯乙酮、过氧化二叔丁基、三乙烯四胺TETA、邻苯过氧二甲酸二叔丁酯、异丙苯过氧化氢、乙烯基三叔丁过氧基硅烷、二苯基-二叔丁过氧基硅烷、三甲基叔丁基过氧硅烷。
所述助交联剂,其配合在交联动态聚合物中需要进行交联的反应物组分进行使用,能够抑制聚合物主键的断裂,提高交联效率,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)肟类,例如对醌二肟、对二苯甲酰苯醌二肟等;(2)甲基丙烯酸酯类,例如甲基丙烯酸甲酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯EDMA、双甲基丙烯酸二缩三乙二醇酯、三甲基丙烯酸三羧甲基丙酯TMPT等;(3)烯丙基类,例如邻苯二甲酸二烯丙酯、三烯丙基氰尿酸酯TAIC、四烯丙基氧基乙烷、马来酸二烯丙酯;(4)马来酰亚胺类,例如马来酰亚胺、N-苯基马来酰亚胺、N,N'-间苯基双马来酰亚胺;(5)其他类,例如马来酸酐、三烯丙基异氰脲酸酯TAIC、对乙烯基甲苯、1,2-聚丁二烯、乙烯基三甲氧乙氧基硅烷。
所述抗氧剂,其能够降低或抑制聚合物制品的氧化反应速率,从而阻止聚合物的老化并延长其使用寿命,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)胺类,例如N-苯基-α-萘胺、4,4'-二辛基二苯胺、N-苯基-N'-异丙基对苯二胺(防老剂4010NA)、N-(1,3-二甲基)丁基-N'-苯基对苯二胺(防老剂4020)、N,N'-二苯基对苯二胺、N,N'-二-(1-甲基庚基)对苯二胺、N-苯基-N'-异丙基对苯二胺、3-羟基丁醛-α-萘胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉聚合物(防老剂RD)等;(2)受阻酚类,例如2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(抗氧剂BHT)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)、2,2'-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(抗氧剂2246)、2,2'-硫代双(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(抗氧剂2246-S)、4,4'-硫代双-(2-甲基-6-叔丁基酚)(抗氧剂736)、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟苄)苯(抗氧剂330)、1,1,3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷(抗氧剂CA)等;(3)亚磷酸酯类,例如亚磷酸三苯酯、亚磷酸二苯一辛酯、亚磷酸三(壬基苯基酯)、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(抗氧剂168)等;(4)含硫化合物类,例如硫代二丙酸二月桂酯、硫代二丙酸双十八酯、2-巯基苯并咪唑等。
所述光稳定剂,其能够抑制或延缓聚合物制品的光降解作用,进而提高其耐光稳定性,延长其使用寿命,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)光屏蔽剂,例如炭黑、二氧化钛、氧化锌等;(2)紫外光吸收剂,例如2-(2'-羟基-3',5'-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑UV-326、2-(2'-羟基-3',5'-二叔戊基苯基)苯并三唑、2,4-二羟基二苯甲酮、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮UV-9、2,4,6-三(2'-羟基-4'-正丁氧基苯基)-1,3,5-三嗪、水杨酸苯酯、取代丙烯腈类等;(3)猝灭剂,例如2,2'-硫代双(对叔辛基苯酚)、二硫代亚磷酸酯、二硫代氨基甲酸酯等;(4)自由基捕获剂,例如双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)癸二酸酯(光稳定剂770)、4-苯甲酰氧基-2,2,6,6-四甲基哌啶、三(1,2,2,6,6-五甲基哌啶基)亚磷酸酯等。
所述热稳定剂,其能够使聚合物制品在加工或使用过程中不因受热而发生降解,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)铅盐类,例如三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅、二盐基邻苯二甲酸铅、二盐基硬脂酸铅、三盐基马来酸铅、碱式碳酸铅、水杨酸铅、硅胶共沉淀硅酸铅等;(2)金属皂类,例如硬脂酸镉、硬脂酸钡、硬脂酸钙、硬脂酸镁、月桂酸锌、硬脂酸铅等;(3)有机锡类,例如硫醇甲基锡、二月桂酸二丁基锡DBTDL、马来酸二丁基锡、双马来酸单丁酯二丁基锡等;(4)有机锑类,例如硫醇锑盐、巯基乙酸酯硫醇锑、巯基羧酸酯锑、五硫醇锑等;(5)稀土类,例如碱式酸稀土、碱式单硬脂酸稀土、棕榈酸稀土等;(6)辅助稳定剂,例如亚磷酸酯、多元醇、环氧化合物、β-二酮、水滑石等。
所述增塑剂,其能够增强聚合物制品的塑形、改善加工性,降低聚合物的玻璃化转变温度,提高聚合物的柔韧性,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种增塑剂:(1)苯二甲酸酯类,例如邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯DOP、邻苯二甲酸二异辛酯DIOP、邻苯二甲酸二异癸酯DIDP、间苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二辛酯等;(2)脂肪族二元酸酯类,例如己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯等;(3)磷酸酯类,例如磷酸三丁酯、磷酸三甲苯酯、磷酸二苯基异辛酯DPOP、磷酸三(2-氯乙基)酯等;(4)环氧化物类,例如环氧甘油三羧酸酯、环氧脂肪酸丁酯、环氧硬脂酸辛酯、环氧四氢邻苯二甲酸酯等;(5)多元醇酯类,例如59酸乙二醇酯、79酸一缩二乙二醇酯、双季戊四醇酯、一缩二(1,2-丙二醇)二甲苯甲酸酯、甘油三乙酸酯等;(6)含氯化合物类,例如氯化石蜡-50、五氯硬脂酸甲酯等;(7)聚酯类,例如聚己二酸丙二醇酯、壬二酸-1,2-丙二醇聚酯等;(8)石油酯类,例如C12-18烷基磺酸苯酯;(9)苯多酸酯类,例如偏苯三酸三辛酯TOTM、均苯四酸四辛酯等;(10)柠檬酸酯类,例如柠檬酸三丁酯、乙酰柠檬酸三乙酯等。
所述增韧剂,其能够改善聚合物制品韧性,提高制品承载强度,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:乙丙橡胶、聚丁二烯橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、氯化聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。
所述偶联剂,其能够改善填料与聚合物间的界面特性,在塑料加工过程中降低聚合物熔体的粘度,改善填料的分散度以提高加工性能,进而使制品获得良好的表面质量及机械、热和电性能,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)硅烷类,例如乙烯基三甲氧基硅烷YDH-171、乙烯基三乙氧基硅烷YDH-151、3-氨丙基三乙氧基硅烷KH-550、γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷KH-560等;(2)钛酸酯类,例如三异硬酯酸钛酸异丙酯、异丙基三(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯等。
所述阻燃剂,其能够提高材料的耐燃性,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)磷系,例如红磷、磷酸二氢铵、磷酸三(α-氯乙基)酯、磷酸甲基二苯酯、磷酸三(1,3-二氯-2-丙基)酯、亚磷酸三苯酯;(2)溴系,例如十溴二苯醚、四溴双酚A、四溴邻苯二甲酸酐、二溴新戊二醇等;(3)氯系,例如氯化石蜡、四氯双酚A、六氯环戊二烯等;(4)三嗪系,例如三聚氰胺、氰尿酸三聚氰胺盐、磷酸三聚氰胺等;(5)无机化合物类,例如氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、硼酸锌等。
所述抗静电剂,其能够将聚合物制品中聚集的有害电荷引导或消除,使其不对生产、生活造成不便或危害,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)阴离子型,例如烷基磺酸钠、对壬基二苯醚磺酸钾、油酸丁酯硫酸钠、对壬基苯氧基丙烷磺酸钠、二月桂基磷酸钠盐、二异丁烯-马来酸二钠盐共聚物等;(2)阳离子型,例如氯化硬脂酰胺乙基二乙基苄基铵、十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐、1-β-羟乙基-2-咪唑啉及其盐类化合物等;(3)两性离子型,例如十二烷基二甲基季铵乙内盐、烷基咪唑啉盐、烷基氨基酸等;(4)非离子型,例如多元醇酯、脂肪醇或烷基酚的环氧乙烷加合物、脂肪胺或脂肪酰胺的环氧乙烷加合物等。
所述扩链剂,其能够与原料分子链上的反应性基团反应,使分子链扩展、分子量增大,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:乙二醇、1,4-丁二醇、丙二醇、二甘醇、三羟甲基丙烷、对苯二酚二羟乙基醚、乙二胺、水合肼、联苯胺、乙醇胺、三乙醇胺、3,5-二乙基甲苯二胺、3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺等。
所述固化剂,其配合在交联动态聚合物中需要进行固化的反应物组分进行使用,能够增进或控制反应物组分在聚合过程中的固化反应,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)胺类固化剂,例如乙二胺EDA、二乙烯三胺DETA、三乙烯四胺、二甲氨基丙胺、六次甲基四胺、间苯二胺等;(2)酸酐类固化剂,例如邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、均苯四酸二酐等;(3)酰胺类固化剂,例如低分子聚酰胺等;(4)咪唑类,例如2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑等;(5)三氟化硼络合物等。
所述乳化剂,其能够降低组成相之间的界面张力,使之形成均匀稳定的分散体系或乳液,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)阴离子型,例如高级脂肪酸盐、烷基磺酸钠、烷基苯磺酸盐、烷基萘磺酸钠、琥珀酸酯磺酸盐、石油磺酸盐、蓖麻油硫酸酯盐、硫酸化蓖麻酸丁酯盐、磷酸酯盐、脂肪酰-肽缩合物;(2)阳离子型,例如烷基铵盐、烷基季铵盐、烷基吡啶盐;(3)两性离子型,例如羧酸酯型、磺酸酯型、硫酸酯型、磷酸酯型;(4)非离子型,例如烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、甘油脂肪酸酯、季戊四醇脂肪酸酯、山梨醇及失水山梨醇脂肪酸酯、蔗糖脂肪酸酯、醇胺脂肪酰胺等。
所述发泡剂,其能够使聚合物制品产生微孔结构,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种发泡剂:(1)物理发泡剂,例如空气、二氧化碳、氮气、丙烷、正戊烷、新戊烷、异戊烷、环戊烷、正己烷、庚烷、异庚烷、石油醚、氯甲烷、二氯甲烷、三氯一氟甲烷、五氟丙烷(发泡剂HFC-245fa)、可膨胀微球发泡剂等;(2)化学发泡剂,例如碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸氢钠、硅酸钠、碳化硅、炭黑、偶氮二甲酰胺(发泡剂AC)、N,N'-二亚硝基五亚甲基四胺(发泡剂H)、偶氮氨基苯、苯磺酰肼(发泡剂BSH)、对甲苯磺酰肼、N,N'-二甲基-N,N'-二亚硝基对苯二甲酰胺等;(3)发泡促进剂,例如尿素、硬脂酸、月桂酸、水杨酸、三盐基硫酸铅、硬脂酸铅、硬脂酸镉、硬脂酸锌、氧化锌;(4)发泡抑制剂,例如马来酸、富马酸、硬脂酰氯、苯二甲酰氯、马来酸酐、苯二甲酸酐、对苯二酚、六氯环戊二烯、二丁基马来酸锡等。
所述泡沫稳定剂,其能够起到有助气泡形成、稳定泡沫和调节泡孔的作用,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:硅油、磺化脂肪醇、磺化脂肪酸、月桂基硫酸钠、十二烷基二甲基氧化胺、烷基醇酰胺、聚氧化乙烯、烷基芳基聚氧化乙烯醇、十三烷基醚、聚氧化乙烯山梨糖醇酐甘油月桂酸酯、硅氧烷-乙烯氧化物的嵌段共聚物。
所述分散剂,其能够使得聚合物混合液中固体絮凝团分散为细小的粒子而悬浮于液体中,均一分散难溶解于液体的固体及液体颗粒,同时也能防止颗粒的沉降和凝聚,形成稳定悬浮液,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)阴离子类,例如烷基硫酸酯钠盐、烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠等;(2)阳离子类;(3)非离子类,例如脂肪醇聚氧乙烯醚、山梨糖醇酐脂肪酸聚氧乙烯醚等;(4)无机类,例如硅酸盐、缩合磷酸盐等;(5)高分子类,例如明胶、水溶性胶、卵磷脂、海藻酸钠、木质素磺酸盐、聚乙烯醇等。
所述增稠剂,其能够增加聚合物的黏度、改善聚合物的流变性能,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)无机类,例如有机酸性白土、蒙脱石、二氧化硅等;(2)纤维素类,例如羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素等;(3)丙烯酸类,例如聚丙烯酸盐、丙烯酸酯共聚物(碱溶胀型);(4)天然产物,例如链炔酸盐、酪蛋白酸钠、瓜耳胶等。
所述流变剂,其能够保证聚合物在涂膜过程中具有良好的涂刷性和适当的涂膜厚度,防止贮存时固体颗粒的沉降,能够提高其再分散性,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)无机类,例如硫酸钡、氧化锌、碱土金属氧化物、碳酸钙、氯化锂、硫酸钠、硅酸镁、气相二氧化硅、水玻璃、胶态二氧化硅等;(2)有机金属化合物,例如硬脂酸铝、烷醇铝、钛螯合物、铝螯合物等;(3)有机类,例如有机膨润土、蓖麻油衍生物、异氰酸酯衍生物、丙烯酸乳液、丙烯酸共聚物、聚乙烯蜡等。
所述流平剂,其能够确保得到平整、光滑、均匀的聚合物涂膜,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)溶剂类,例如高沸点的酯、酮、芳烃及其混合物;(2)有机硅类,例如聚二甲基硅氧烷、聚醚聚酯改性聚硅氧烷、烷基芳基改性聚硅氧烷等;(3)聚丙烯酸酯类,例如分子量分布窄的较低相对分子质量的丙烯酸酯共聚物。
所述润滑剂,其能够减少聚合物与加工设备金属表面的摩擦力,并能调控聚合物塑化速率但又不明显降低制品性能,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)烃类,例如液体石蜡、天然石蜡、微晶石蜡、聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、氯化石蜡等;(2)脂肪酸类,例如硬脂酸、软脂酸、油酸、12-羟基硬脂酸等;(3)脂肪酸酯类,例如硬脂酸正丁酯、硬脂酸十八醇酯、邻苯二甲酸双(十八醇酯)、褐煤蜡及其衍生物、硬脂酸单甘油酯等;(4)金属皂类,例如硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钡等;(5)高级脂肪醇类,例如软脂醇、硬脂醇、花生醇等;(6)脂肪酰胺类,例如硬脂酰胺、芥酸酰胺、1,2'-亚乙基双硬脂酰胺等。
所述脱模剂,其能够使聚合物制品易于从模具上分离且表面光滑平整,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:二甲基硅油、乙基硅油、甲基苯基硅油、含乙氧基硅油、石蜡、液体石蜡、聚乙烯蜡、高级脂肪酸金属盐、脂肪酰胺衍生物(例如硬脂酸酰胺等)、滑石粉悬浮液等。
在本发明中,所述可添加的填料,其在交联动态聚合物中主要起到以下作用:(1)降低成本;(2)改善聚合物的加工性能;(3)改善聚合物的综合性能,例如尺寸稳定性、强度、刚性、硬度、耐热性等(3)赋予聚合物新的性能,例如抗静电性能、导热性能等。所述可添加的填料选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:无机填料、金属填料、有机填料。
其中,所述无机填料,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:碳酸钙、硫酸钙、氢氧化钙、水合硅酸钙、硼酸锌、氧化锌、锡酸锌、硫化锌、高岭土、硫酸钡、偏硼酸钡、滑石粉、蒙脱土、二氧化钛、二氧化硅、气相二氧化硅、粘土、石英、方英石、云母、粘土、石棉、砂石、石灰石、重晶石粉、石墨、炭黑、白炭黑、石墨烯、碳纳米管、氧化石墨烯、二硫化钼、硅藻土、浮石、硅灰石、沸石、蛭石、白云石、海泡石、氧化铁、铁氧体、氧化铝、氢氧化铝、硅镁土、氢氧化镁、粉煤灰、玻璃微珠、珍珠岩、水泥、玻璃纤维、片状玻璃、碳纤维、氮化硼、氧化铋、石英纤维、陶瓷纤维、硼酸铝晶须等。
所述金属填料,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:铜、银、镍、铁、金等及其合金的粉末、纳米颗粒和纤维。
所述有机填料,其选自但不仅限于以下任意一种或任意几种:(1)天然有机填料,例如皮毛、天然橡胶、棉花、棉绒、麻、黄麻、亚麻、剑麻、椰壳纤维、石棉、纤维素、醋酸纤维素、甲壳素、壳聚糖、木质素、半纤维素、淀粉、木粉、壳粉、木糖、蚕丝等;(2)合成橡胶,例如如异戊橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、热塑性弹性体等;(3)合成树脂,例如聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、高抗冲聚苯乙烯、丙烯腈-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚酰胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚砜、聚醚砜、酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚甲基丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚氨酯、聚乙酸乙烯酯、脲醛树脂、不饱和聚酯等。
本发明对可添加的填料类型不限定,主要根据所需求的材料性能而定,优选碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、粘土、炭黑、石墨烯、碳纳米管、玻璃纤维、碳纤维、天然橡胶、纤维素、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物等。
在本发明中,所述交联动态聚合物性能大范围可调,具有广阔的应用前景,在军事航天设备、功能涂层、生物医药、生物医用材料、能源、建筑、仿生、智能材料等领域,都体现出令人瞩目的应用效果。
例如,可利用有机硼氧硼键和可选的氢键在外力作用下发生断裂耗散能量,从而制备韧性聚合物板材等;可利用有机硼氧硼键和可选的氢键的动态可逆性,制备具有部分自修复功能的胶黏剂、密封圈等密封件,还可制备具有部分自修复功能的抗划伤涂层,以及部分可回收的垫片或板材;利用交联动态聚合物的动态性、应力响应性,可制备缓冲材料应用于缓冲包装材料、运动防护制品、防护制品以及军警用防护材料等方面,起到减震缓冲作用;因为存在普通共价交联,也可将其作为形状记忆材料进行使用,当外力去除时,材料在加载过程中由于可逆有机硼氧硼键的断裂而产生的形变能够得以恢复;利用交联动态聚合物具有的动态可逆性和应力响应性,制备出应力敏感型的聚合物材料,可应用于制作应力传感器。
下面结合一些具体实施方式对本发明所述的交联聚合物材料做进一步描述。具体实施例为进一步详细说明本发明,非限定本发明的保护范围。
实施例1:
将季戊四醇、与ε-己内酯加入到反应瓶中,通氩气保护,加入异辛酸亚锡,抽真空、密封,控温120℃搅拌反应12h,经过纯化、干燥后得到羟基封端四臂聚己内酯;取一定量的四臂聚己内酯溶解于氯仿中,在冰水浴中滴加丁-3-烯酰氯,常温搅拌反应4h,经过过滤、沉淀、干燥等处理得到烯基封端四臂聚己内酯。将4-羟基丁基硼酸频新戊二醇酯与ε-己内酯加入到反应瓶中,通入氩气20min后,加入异辛酸亚锡的甲苯溶液,通入氩气10min后密封,控温110℃反应6~7h,反应结束后,得到硼酸酯、羟基封端的聚己内酯;将硼酸酯、羟基封端的聚己内酯溶解于吡啶中,降温至0℃,加入乙酸酐搅拌反应12h,得到硼酸酯单封端聚己内酯。以羧基双封端聚己内酯、(3-羟基丙基)甲基硼酸甲酯(在BPO存在下,烯丙基甲基硼酸甲酯与溴化氢加成,然后进行水解获得)为原料,加入强酸型阳离子交换树脂及无水MgSO4,在室温下进行酯化反应,得到硼酸甲酯双封端聚己内酯。
取8g硼酸酯单封端聚己内酯、7g硼酸甲酯双封端聚己内酯溶解于氯仿溶剂中,滴加适量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,随后加入适量无水MgSO4,控温60℃,恒温搅拌反应3.5h。反应结束后,加入0.6g纳米碳酸钙,超声、搅拌10min,随后加入烯基封端四臂聚己内酯的氯仿溶液(溶质为16g),充分搅拌,控温60℃,在氮气氛围下,加入0.03g抗氧剂BHT、0.05gAIBN,缓慢滴加丙烷-1,2,3-三硫醇(1.4g),恒温搅拌反应3h。反应结束后,将物料倒入合适的模具中,置于60℃真空烘箱中8~12h,得到交联动态聚合物片状固体。所得交联动态聚合物试样拉伸强度约25.3MPa,断裂伸长率高达620%,冲击强度约10.7KJ/m2。可用作一种防护板材或者夹层填充物,可起到保护、支撑、缓冲效果。
实施例2:
将双(氢硅基)二甲基硅油与烯丙基甲基硼酸甲酯混合,充分搅拌,控温90℃,在氮气氛围下,加入铂络合物催化剂,搅拌反应,反应结束后,经过水解等处理制得硼酸双封端二甲基硅油。
取15g硼酸双封端二甲基硅油、60ml液体石蜡混合均匀,加入适量无水MgSO4,充分搅拌均匀,控温60℃,恒温搅拌反应4.5h。反应结束后,加入26g含氨丙基侧基的二甲基硅油,充分搅拌均匀,将反应体系置于冰浴条件下,随后加入三乙胺和DMAP搅拌30min,然后逐滴加入1,6-己二酰氯(3.6g),搅拌反应4h。反应结束后,将物料倒入合适的模具中置于60℃烘箱中8h,得到交联动态聚合物凝胶。所得交联动态聚合物凝胶具有一定的强度、韧性和表面弹性,经测试得到拉伸强度为4.55MPa,断裂伸长率为924%;并且具有部分自修复性,例如出现小裂纹后稍微润湿置于60℃烘箱中6~8h可自粘结裂纹。可作具有部分自修复功能的胶黏剂、堵缝密封材料使用。
实施例3:
以AIBN为引发剂,在氮气氛围、加热条件下,向溴化丁基橡胶(含侧烯基)的氯仿溶液中缓慢滴加一定量4-巯基丁基硼酸乙二醇酯(将硫化氢通到乙醇钠的乙醇液中,得到硫氢化钠,进而与4-溴丁基硼酸乙二醇酯反应,得到4-巯基丁基硼酸乙二醇酯)的氯仿溶液,进行巯基-烯烃点击反应,反应结束后,经过水解等处理制得含硼酸侧基的溴化丁基橡胶,其中溴化丁基橡胶中侧烯基全部参与反应。
取20g含硼酸侧基的溴化丁基橡胶以及适量吡啶加入到密炼机中密炼6min,密炼温度为100℃。随后加入2.1g炭黑N330、0.8g三盐基硫酸铅、0.4g抗氧剂1010、0.2g抗氧剂168,继续密炼10min,密炼温度为45℃。取出物料放入双辊机中制片,并放入合适的模具中加热加压成型,其中模压温度为145℃,模压时间为12min,模压压力为10MPa。开模后将样品置于80℃真空烘箱中3h,然后破碎成小颗粒。将小颗粒与20g溴化丁基橡胶(含侧烯基)、1.2g 1,6-己二硫醇、0.06g抗氧剂1010、2.1g炭黑N330、0.15g硬脂酸钡混合均匀,加入到密炼机中密炼10min,接着加入0.05g光引发剂DMPA继续密炼5min,密炼温度为45℃。取出物料放入双辊机中制片,然后利用紫外光照射15~20min,得到交联动态聚合物材料。所得交联动态聚合物拉伸强度约为4.55MPa,断裂伸长率约为374%,tanδmax约为0.937,具有一定的弹性,有较好的缓冲减震性能。可作为一种缓冲减震材料应用于运动防护领域,例如缓冲垫、运动鞋垫、健身器材缓冲材料。
实施例4:
将一定量的聚四亚甲基醚二醇1000、4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(摩尔比为1:1.05)加入反应瓶中,在氮气氛围下,升温至80℃并保持恒温,滴加微量催化剂DBTDL,搅拌反应4h。反应结束后,反应体系降温至室温,得到异氰酸酯双封端聚氨酯预聚体。将2-氨基乙基硼酸溶解于丙酮中,加入到异氰酸酯双封端聚氨酯预聚体中,在氮气氛围下,搅拌反应3h,得到硼酸双封端聚氨酯预聚体。
取5g硼酸双封端聚氨酯预聚体,加入适量无水MgSO4,控温60℃,恒温搅拌反应3h,反应结束后,脱气、浇注成型并置于80℃烘箱中4h,随后制作成小颗粒。取22g聚四氢呋喃三元醇(分子量约为4400)、1.87g4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯加入反应瓶中,在氮气氛围下,升温至80℃并保持恒温,滴加微量催化剂DBTDL,搅拌反应2h,随后加入前述小颗粒,继续搅拌反应2h。反应结束后,脱气、浇注成型并置于80℃烘箱中4h,得到交联动态聚合物弹性体。所得交联动态聚合物弹性体拉伸强度为35.3MPa,断裂伸长率达548%,撕裂强度约为74.6kN/m。可作为一种弹性缓冲垫片应用于电子设备、机械设备、桥梁支座等领域,起到减震缓冲作用。
实施例5:
以DMPA为光引发剂、正己烷为溶剂,在紫外光照射条件下,向甲基乙烯基硅橡胶中缓慢滴加一定量3-巯基丙基硼酸频哪醇酯(将硫化氢通到乙醇钠的乙醇液中,得到硫氢化钠,进而与3-氯丙基硼酸频哪醇酯反应,得到3-巯基丙基硼酸频哪醇酯),通过巯基-烯烃点击反应制得含硼酸酯侧基的甲基乙烯基硅橡胶。
取40g含硼酸酯侧基的甲基乙烯基硅橡胶溶解于正己烷中,滴加少量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,然后加入适量无水MgSO4,控温60℃,恒温搅拌反应4h。反应结束后,加入2.1g石墨烯、0.6g二甲基硅油、0.8gKH-550,超声、搅拌分散15min。随后控温60℃,在氮气氛围下,加入0.04g抗氧剂BHT、0.06gAIBN,缓慢滴加1,10-癸二硫醇(5.2g),搅拌反应3h。反应结束后,通过浇注、固化得到交联动态聚合物弹性体。所得交联动态聚合物具有优良的拉伸韧性和弹性,可进行大幅度的拉伸而不断裂,经测试拉伸强度约为3.35MPa,断裂伸长率约为862%;导热系数可达2W/(m·K)。可作为一种韧性导热垫片使用。此外,所得交联动态聚合物还具有良好的导电性能,体积电阻率约为8.5×106Ω·cm,对其施加拉力或压力会引起体积电阻率的变化,可对拉力或压力进行检测,可应用于应力传感领域。
实施例6:
以乙烯与4-乙烯基苯硼酸为原料,在与矿物油鼓泡器连接的烧瓶中进行反应。通入氮气和乙烯的混合气体,使反应体系中乙烯压力保持在1atm。加入4-乙烯基苯硼酸(0.4M)的氯苯/甲苯溶液,随后加入Pd-α-二亚胺的氯苯/甲苯溶液,在室温下搅拌反应24h,最后在氮气氛围下加入过量的三乙基硅烷终止聚合反应。随后进行稀释、分离和浓缩,最后真空干燥得到纯净的含多苯硼酸端基的超支化聚乙烯(4-乙烯基苯硼酸插入率为4.3%,99分支每1000CH2,分子量达到66000)。
取45g含多苯硼酸端基的超支化聚乙烯以及适量无水CaCl2加入到密炼机中密炼5min,密炼温度为80℃。随后加入1.65gDCP、0.4g三盐基硫酸铅,继续密炼8min,密炼温度为80℃。最后加入1.6g发泡剂AC、0.8g氧化锌,继续密炼8min,密炼温度为45℃。密炼完毕后,将物料放入双辊机中制片,将片材放入合适模具中进行加压加热,模压温度为150~165℃,模压时间为15~20min,模压压力为10MPa。开模后置于80℃烘箱中4h,得到交联动态聚合物泡沫材料。所得交联动态聚合物泡沫材料密度约为36.4Kg/cm3,经测试发现50%压缩负荷达到79.6KPa;纵向抗张强度约为403.2KPa,横向抗张强度约为327.4KPa;此外其在室温及低温下导热系数均小于0.04W/(m·℃),并且导热系数随温度降低逐渐减小。可将其应用于绝热缓冲材料、保温材料、防震缓冲材料、缓冲保护包装材料等。
实施例7:
将聚三亚甲基甲基硅烷(分子量约为2000)与一定量的烯丙基硼酸二甲酯溶解于苯溶剂中,控温90℃,在氮气氛围下,加入铂络合物催化剂,搅拌反应制得含硼酸酯侧基的聚三亚甲基甲基硅烷。
取30g含硼酸酯侧基的聚三亚甲基甲基硅烷溶于苯溶剂中,滴加少量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,随后加入适量无水MgSO4,控温60℃,搅拌反应3.5h。反应结束后,在氮气氛围下,加入15ml1,8-壬二烯,升温至90℃,加入1.2ml Pt(dvs)-苯溶液,搅拌反应24h。反应结束后,将物料倒入合适的模具中置于80℃真空烘箱中8h,得到片状交联动态聚合物。所得交联动态聚合物质地柔软,经测试拉伸强度为2.75MPa,断裂伸长率为457%,对其进行按压后能够回弹至原形状。可作为一种缓冲材料应用于运动防护用品,如防护垫、鞋垫等。
实施例8:
以三碘甲烷为引发剂、次亚硫酸钠为催化剂,在水中进行氯乙烯单体的聚合,其中引发剂、催化剂、单体的摩尔比为1:16:200。然后以纤维素醚Methocel F50、聚乙烯醇PVA88为稳定剂,并以碳酸氢钠、对甲苯亚磺酸钠为助剂,在35℃下反应24h,得到碘双封端聚氯乙烯。在无水无氧条件下,将碘双封端聚氯乙烯、二亚硫酸钠、碳酸氢钠和烯丙基羟乙基醚溶于二甲基亚砜中,在70℃下反应6h,随后在甲醇中沉淀得到羟基双封端聚氯乙烯。利用羟基双封端聚氯乙烯和5-羧基戊基硼酸频那醇酯进行酯化反应,反应结束后经水解、干燥等处理得到硼酸双封端聚氯乙烯。
取35g硼酸双封端聚氯乙烯加入到60ml磷酸三甲苯酯中,加热到180℃,搅拌均匀后加入适量无水MgSO4,充分搅拌分散后控温80℃,搅拌反应3~4h。反应结束后,向其中加入1.1gTETA、2.1g三盐基硫酸铅,充分搅拌,控温170℃,搅拌反应20min。反应结束后,将反应液倒入合适模具中,并置于80℃真空烘箱中6h,得到交联动态聚合物凝胶。所得交联动态聚合物凝胶具有良好的弹性,类似橡胶状固体;经测试拉伸强度约为21.2MPa,断裂伸长率约为260%;还具有良好的耐磨性能和优异的绝缘性能,但延展性稍微低于普通软橡胶。可作为室内地垫、防护垫等使用,起到缓冲、耐磨等效果。
实施例9:
以橙皮中提取的苎烯氧化物、二氧化碳为原料,在25℃、β-二亚胺锌的催化作用下聚合反应,得到聚碳酸酯PLimC。以AIBN为引发剂、氯仿为溶剂,在氮气氛围、加热条件下,向聚碳酸酯PLimC中缓慢滴加一定量的4-巯基甲基苯硼酸二甲酯、3-巯基苯硼酸钠的混合溶液,通过巯基-烯烃点击反应制得苯硼酸酯-苯硼酸钠接枝聚碳酸酯a。
取43g苯硼酸酯-苯硼酸钠接枝聚碳酸酯a溶解于氯仿中,加入2ml去离子水,搅拌水解。随后进行搅拌反应、加热共沸蒸馏4~5h,直至无水分流出来。反应结束后,控温60℃,在氮气氛围下,加入0.05g抗氧剂BHT、0.08gAIBN,缓慢滴加4-巯甲基-3,6-二硫杂-1,8-辛二硫醇(0.6g),反应4~6h。反应结束后,将物料置于合适的模具中在60℃真空烘箱中12h,最终得到交联动态聚合物固体。所得交联动态聚合物透明度高、表面光洁,经测试得到拉伸强度为41.4MPa,断裂伸长率为50.2%,并且具有良好的抗冲击性、透光性。可应用于抗冲击防护罩、仪表板、替代玻璃、光学透镜等领域。
实施例10:
称取一定量3-氨甲基苯硼酸1,3-丙二醇酯溶解于二甲基甲酰胺溶剂中,控温60~65℃,紧接着加入对甲苯磺酸,搅拌均匀,分若干次投入苯乙烯-马来酸酐共聚物,反应1h,反应结束后,经过水解等处理制得苯硼酸接枝苯乙烯-马来酸酐共聚物。
取40g苯硼酸接枝苯乙烯-马来酸酐共聚物以及适量无水Na2SO4加入到密炼机中密炼5min,密炼温度为80℃。然后加入2.6g1,7-庚二胺、0.2g对甲苯磺酸,继续密炼7min,密炼温度为65℃。最后加入8g改性发泡剂AC、1.6gDBTDL、3.6gDOP、0.25g硬脂酸、0.2g抗氧剂168,继续密炼8min,密炼温度为45℃。密炼完成后,将物料放入双辊机中制片,并放入合适的模具中进行加热加压,模压温度为110℃,模压时间为15min,模压压力为8MPa。开模后置于80℃真空烘箱中5~8h,得到交联动态聚合物泡沫。所得交联动态聚合物泡沫质地较硬,具有良好的尺寸稳定性,经测试密度为35Kg/cm3,抗压强度达到690KPa。可作为对内部物品的保温、防护材料。
实施例11:
取4-羟基丁基硼酸镁溶解于甲苯中,并置于冰浴条件下,随后加入三乙胺和DMAP搅拌30min,然后逐滴加入甲基丙烯酰氯,继续搅拌反应4h,得到甲基丙烯酸酯化合物。以BPO为引发剂,利用甲基丙烯酸酯化合物、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸氨基乙酯进行共聚得到含有硼酸镁、氨基侧基的丙烯酸酯共聚物。
取45g含有硼酸镁、氨基侧基的丙烯酸酯共聚物溶解于甲苯溶剂中,滴加适量的20%乙酸水溶液,搅拌水解10min。再加入适量无水MgSO4,控温60℃,恒温搅拌反应4h。反应结束后,降至室温,并置于冰浴条件下,随后加入适量三乙胺、适量三乙胺DMAP、3wt%钛合金粉末、5wt%硫酸钙,超声、搅拌分散20min。最后逐滴加入1,6-己二酰氯(1.8g),继续搅拌反应4~5h。反应结束后,将物料倒入合适模具中置于80℃真空烘箱中12h,得到交联动态聚合物固体。经测试所得交联动态聚合物固体的拉伸强度为15.2MPa,压缩强度为44.5MPa。可作为一种夹层或填充材料,对外界冲击起到缓冲作用。
实施例12:
取一定量2-氨基乙基硼酸溶解于氯仿中,并加入适量三乙胺,控温55℃,搅拌反应3h,得到氨基三封端硼酸酐化合物。
取20g聚乙二醇1000加入到干燥洁净的三口烧瓶中,加热到110℃除水1h,在氮气氛围下,加入4.3g甲苯-2,4,6-三基三异氰酸酯,在80℃下搅拌反应2h。随后降温到60℃,加入1.42g氨基三封端硼酸酐化合物、1.95g纤维素纳米晶、微量DBTDL,继续搅拌反应3h,在此过程中可加入适量丙酮降低体系粘度。反应结束后,通过浇注、固化得到交联动态聚合物弹性体。所得交联动态聚合物弹性体具有良好的阻尼性能,经测试得到tanδmax为1.12、tanδ>0.5温域在50℃;经测试拉伸强度约为为28.09MPa,断裂伸长率为568%,邵氏硬度约为75,并且长时间承载较大应力作用下不会出现裂纹,应力消除后会恢复原状。可将其作为一种阻尼减震材料应用于桥梁支座、汽车部件等领域,起到减震降噪的作用,还可用于制作弹性玩具。
实施例13:
以马来酸酐为接枝单体、BPO为引发剂,采用熔融接枝法制备得到马来酸酐接枝聚丙烯。取一定量的氨甲基硼酸新戊二醇酯溶解于二甲基甲酰胺溶剂中,控温60~65℃,紧接着加入一定量对甲苯磺酸,搅拌均匀,分若干次投入马来酸酐接枝聚丙烯,反应1h,反应结束后,经水解等处理制得硼酸-马来酸酐接枝聚丙烯。
取50g硼酸-马来酸酐接枝聚丙烯以及适量无水MgSO4加入到密炼机中密炼5min,密炼温度为80℃。然后加入0.05gDCP、1.5g助交联剂N,N'-间苯基双马来酰亚胺、1.2g三盐基碱式硫酸铅继续密炼10min,密炼温度为65℃。最后加入2g碳纤维继续密炼5min,密炼温度为50℃。密炼完成后,将物料放入双辊机中制片,并放入合适的模具中进行加热加压,其中模压温度为170℃,模压时间为5~10min,模压压力为8MPa。开模后置于80℃真空烘箱中5~8h,得到交联动态聚合物。所得交联动态聚合物样品拉伸强度为27.7MPa,具有良好的机械强度和表面硬度。可将其作为汽车领域的内饰部件或其他零部件、覆盖件使用。
实施例14:
以乙烯胺、环戊二烯为原料,通过Diels-Alder反应制得氨基改性降冰片烯;以烯丙基二氯硼烷、环戊二烯为原料,通过Diels-Alder反应制得二氯硼烷改性降冰片烯;以茂金属催化剂/甲基铝氧烷为催化体系,通氮气保护,将氨基改性降冰片烯、二氯硼烷改性降冰片烯、降冰片烯在115~135℃条件下反应5h,制得二氯硼烷-氨基改性聚降冰片烯。
取100g二氯硼烷-氨基改性聚降冰片烯溶解于邻二氯苯溶剂中,滴加适量20%乙酸水溶液,搅拌水解10min,随后加入适量吡啶,控温45℃,搅拌反应3~4h。反应结束后,在氮气氛围下,加入0.73g1,4-环己烷二甲基二异氰酸酯,控温60℃,继续搅拌反应3h。反应结束后,除掉溶剂后热压成型,得到交联动态聚合物固体。所得交联动态聚合物材料具有形状记忆特性,可用于制作各种携带用容器、营帐用品等,不用时折叠,使用时复原。
实施例15:
以AIBN为引发剂、四氢呋喃为溶剂,在氮气氛围、加热条件下,向烯丙基氯硼酸甲酯中缓慢滴加三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯),通过巯基-烯烃点击反应制得氯硼酸酯三封端化合物。以丙三醇、环氧丙烷为原料,三氟化硼乙醚为催化剂,通过阳离子开环聚合得到羟基封端三臂聚环氧丙烷,再将其与丙烯酸通过酯化反应制得丙烯酸酯封端三臂聚环氧丙烷。
取23g氯硼酸酯三封端化合物以及1.4gN,N'-二甲基-N,N'-二(甲基硼酸)溶解于四氢呋喃中,滴加入少量20%乙酸水溶液,搅拌水解。然后加入适量无水Na2SO4,控温60℃,搅拌反应3.5h。反应结束后,加入5.2g丙烯酸酯封端三臂聚环氧丙烷、0.06g光引发剂DMPA、0.03g抗氧剂BHT、1.2g纳米粘土,充分搅拌,随后在紫外光照射条件下缓慢滴加1,6-己二硫醇(0.65g),反应15~30min。然后置于80℃真空烘箱中8h,得到交联动态聚合物固体。所得交联动态聚合物固体样品表现出弹性和拉伸韧性,对其按压可回弹。经测试得到拉伸强度约为3.02MPa,断裂伸长率约为462%。可作为一种缓冲垫片材料、防护垫片材料使用。
实施例16:
以AIBN为引发剂、2-(十二烷基三硫代碳酸酯基)-2-异丁酸为链转移剂,以N-乙烯基吡咯烷酮、4-乙烯基苯硼酸为原料,通过RAFT聚合得到乙烯基吡咯烷酮-乙烯基苯硼酸共聚物。
取20mlN-乙烯基吡咯烷酮、适量聚乙烯基吡咯烷酮加入到1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺(EtMeIm+Tf2N-)中,充分搅拌,通入氮气逐出反应装置中的氧气,控温60℃,再加入0.2gAIBN、0.8g交联剂二乙烯基苯,在氮气氛围下进行悬浮聚合2.5h,得到交联聚乙烯基吡咯烷酮溶胀颗粒。取19g乙烯基吡咯烷酮-乙烯基苯硼酸共聚物与120ml1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺(EtMeIm+Tf2N-)充分混合,并加入适量无水MgSO4,充分搅拌均匀,控温60℃,搅拌反应1.5h。随后加入2.3g碳纳米管,超声、搅拌分散15min,再将前述溶胀颗粒溶胀于此体系中,继续在反应2~3h,得到交联动态聚合物凝胶。所得交联动态聚合物凝胶表现出良好的回弹性,对其表面进行按压,样品能够较快地回弹。经测试得到拉伸强度为4.02MPa,断裂伸长率为450%。所得交联动态聚合物离子液体凝胶能够表现出良好的形状记忆特性,能够在外加电场作用下进行凝胶的形变与复原。此外,所得交联动态聚合物离子液体凝胶具有良好的导电性,对其施加拉力或压力均会引起电导率的变化,可应用于应力传感领域。
实施例17:
将2-氨基乙基硼酸铵溶解于二甲基甲酰胺溶剂中,并置于冰浴条件下,随后加入三乙胺和DMAP搅拌30min,然后逐滴加入等摩尔量的丙烯酰氯,继续搅拌反应4h,得到丙烯酰胺基硼酸铵化合物;在引发剂过硫酸铵作用下,以丙烯酰胺基硼酸铵化合物、丙烯酰胺为原料,通过共聚得到含硼酸铵侧基的丙烯酰胺共聚物。
取10g丙烯酰胺溶解于二甲基甲酰胺溶剂中,向其中加入N,N-亚甲基二丙烯酰胺溶液(溶质0.5g)、过硫酸钾溶液(溶质0.3g),搅拌,缓慢升温至50℃,保温反应2h,随后共沸得到微球。取20g含硼酸铵侧基的丙烯酰胺共聚物溶解于二甲基甲酰胺溶剂中,滴加少量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,加入适量无水MgSO4,控温60℃,恒温反应2h,随后加入上述微球,继续反应1~2h。反应结束后,得到交联动态聚合物凝胶。可作为一种缓冲包装材料使用,还具有一定的吸附功能。
实施例18:
以氨甲基硼酸频哪醇酯、1,6-己二异氰酸酯为原料(摩尔比2:1),在氮气氛围、80℃条件下,搅拌反应3h,制得硼酸酯双封端化合物。
取22.5g硼酸酯双封端化合物溶解于四氢呋喃溶剂中,滴加少量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,随后加入适量无水CaCl2,充分搅拌,控温60℃,搅拌反应3.5h。反应结束后,加入20g聚醚胺(分子量约2000),控温60℃,在氮气氛围下,加入微量DBTDL、1.86g十一烷-1,6,11-三基三异氰酸酯,搅拌反应4h。反应临近结束前,加入4.2g微球发泡剂、0.5gOFX-5043硅油表面活性剂,搅拌混合均匀。反应结束后,将物料倒入到合适的模具中,置于60℃真空烘箱中2h。随后将模具置于140℃下进行模压发泡,模压时间为15min,模压压力为10MPa,得到交联动态聚合物泡沫材料。所得交联动态聚合物泡沫材料质地柔软,密度较低,约为19Kg/m3;泡沫开孔,显示出低收缩性能;根据ASTM D-3574-2008测试得到抗拉强度为0.13MPa,压缩变定为66.5%,具有较高的承载性能。可用作汽车垫、地毯底层垫等坐垫或者防震垫或者制作能防止成型后起泡破碎的含有内部导线的零件。
实施例19:
以DMPA为光引发剂,在紫外光照射下,向液体聚丁二烯橡胶(分子量约为4200,1,2-结构占70%,1,4-结构占30%)中缓慢加入一定量3-巯基丙基硼酸乙二醇酯(将硫化氢通到乙醇钠的乙醇液中,得到硫氢化钠,进而与3-氯丙基硼酸乙二醇酯反应,得到3-巯基丙基硼酸乙二醇酯),通过巯基-烯烃点击反应制得硼酸酯接枝液体聚丁二烯橡胶。
取25g硼酸酯接枝液体聚丁二烯橡胶,滴加少量20%乙酸水溶液,充分搅拌水解,随后加入适量无水MgSO4,控温60℃,搅拌反应3.5h。反应结束后,加入0.05g光引发剂DMPA、5.6g炭黑、0.2g抗氧剂168,搅拌均匀后,在紫外光照射下,缓慢滴加1,6-己二硫醇(0.21g),反应15~20min,得到粘稠液体。向粘稠液体中加入25g溴端基液体聚丁二烯橡胶(分子量为4400,1,2-结构占70%,1,4-结构占30%)、0.75g交联剂甲基化三乙撑四胺、1.25g碱式碳酸铅,快速搅拌,然后浇注到合适的模具中,置于平板硫化剂中模压1h,温度为80℃。取出制品放入60℃烘箱中10h,得到交联动态聚合物材料。所得交联动态聚合物样品扯断强度约为10.2MPa,扯断伸长率约为390%,弹性好。可作为一种密封件使用应用于电子器件领域,或者作为橡胶阻尼减震片应用于工业、汽车部件领域。
实施例20:
将马来酸酐、三元乙丙橡胶、BPO等原料混合均匀后加入到转矩流变仪中,在170℃、65r/min条件下混合10min,然后挤出、造粒,并在70℃真空烘箱中干燥除去未反应的马来酸酐单体,得到马来酸酐接枝三元乙丙橡胶;以氨甲基硼酸二甲酯为原料、对甲苯磺酸为催化剂,在加热条件下,分次加入马来酸酐接枝三元乙丙橡胶,反应1h,制得硼酸酯-马来酸酐接枝三元乙丙橡胶。
取20g三元乙丙橡胶加热溶解于二甲苯溶剂中,加入0.04g交联剂DCP、0.015g助交联剂TAIC、0.1g抗氧剂1024、0.25g硬脂酸,充分搅拌均匀,升温至110℃恒温30min,排除空气,最后升温至170℃,通氮气,交联反应1.5h,得到粘稠液体。取16g硼酸酯-马来酸酐接枝三元乙丙橡胶加热溶解于二甲苯溶剂中,滴加少量20%乙酸水溶液,搅拌水解,随后加入适量三乙胺,搅拌溶解,升温至55℃,搅拌反应3.5h。反应结束后,加入前述粘稠液体,充分搅拌,控温65℃,加入2.2g1,4-丁二胺、0.05g对甲苯磺酸,搅拌反应1.5h,得到粘稠液体。向粘稠液体中加入0.5g可膨胀微球发泡剂、5mg抗氧剂BHT,搅拌混合10min,将反应液倒入合适的模具中,置于80℃真空烘箱中4h。随后将模具放在平板硫化机上进行模压发泡,模压温度为150℃,模压时间为15min,模压压力为5MPa,开模后置于80℃真空烘箱中4~6h,得到交联动态聚合物泡沫材料。所得交联动态聚合物泡沫材料具有良好的隔离震动和应力缓冲效果,同时具有一定的应力承载能力,可作为空降和空投的外包装材料、物品运输防震缓冲垫片。
实施例21:
将2-羧基乙基硼酸、亚硫酰氯以及适量无水MgSO4加入到反应器中,控温80℃,搅拌反应6~8h,得到酰氯基三封端硼酸酐化合物。以AIBN为引发剂,在氮气氛围、加热条件下,向烯丙基硼酸1,3-丙二醇酯的苯溶液中,缓慢滴加含巯丙基侧基的二甲基硅油,进行巯基-烯烃点击反应,反应结束后经过水解等处理制得含硼酸、巯丙基侧基的二甲基硅油。
取3.55g酰氯基三封端硼酸酐化合物溶解于二氯甲烷中,加入27g羟丙基双封端二甲基硅油、适量四甲基乙二胺和无水MgSO4,室温下搅拌反应2h。反应结束后,在氮气氛围下,加入1.2g1,5-己二烯、0.03g抗氧剂BHT、0.07gAIBN,控温60℃,缓慢加入含硼酸、巯丙基侧基的二甲基硅油(30g),搅拌反应5h。然后加入适量无水MgSO4,控温60℃,继续搅拌反应3.5h。反应结束后,将粘度较大的物料倒入合适的模具中,置于80℃真空烘箱中8~10h,得到交联动态聚合物。所得交联动态聚合物具有一定的强度和弹性,经测试拉伸强度为4.36MPa,断裂伸长率为478%。可作为阻尼减震橡胶支座,应用于桥梁、器械等领域,起到减震隔振作用。
实施例22:
将2-氨基乙基硼酸溶解于四氢呋喃溶液中,并置于冰浴条件下,随后加入三乙胺和DMAP搅拌30min,然后逐滴加入1,8-辛二酰氯,继续搅拌反应4h,得到硼酸双封端化合物,其中2-氨基乙基硼酸与1,8-辛二酰氯的摩尔比为2:1。以AIBN为引发剂,向三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中缓慢滴加6-氨基-1-巯基己烷,通过巯基-烯烃点击反应制得氨基三封端化合物a。将2-氨基乙基硼酸溶解于四氢呋喃溶液中,加入适量无水MgSO4,搅拌均匀,控温60℃,搅拌反应3h,得到氨基三封端化合物b。
取15.3g硼酸双封端化合物溶解于四氢呋喃溶液中,加入适量无水MgSO4,搅拌均匀,控温60℃,搅拌反应3.5~4h。反应结束后,加入13.84g氨基三封端化合物a、2.06g氨基三封端化合物b,充分搅拌后,置于冰浴条件下,随后加入三乙胺和DMAP搅拌30min,然后逐滴加入1,8-辛二酰氯(12.77g),继续搅拌反应4h。反应结束后,通过除溶剂、提纯得到胶状动态聚合物固体。所得动态聚合物出现细微裂痕后,可稍微润湿并加热,裂痕能够愈合,具有部分程度的自修复性能。可将其作为部分自修复性胶黏剂使用,应用于金属边缝粘结、塑料缝隙粘结等领域。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (20)
1.一种交联动态聚合物,其特征在于,其结构中含有普通共价交联和动态共价键;其中,所述普通共价交联由普通共价键形成,并且普通共价交联的交联度在至少一个交联网络中达到普通共价交联的凝胶点以上;所述动态共价键为有机硼氧硼键;
其中,所述有机硼氧硼键具有如下结构:
其中,所述结构中每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;所述结构中每个硼原子均可以形成一个或者两个有机硼氧硼键。
2.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物结构中还存在至少一个连接基,所述连接基将交联动态聚合物结构中任意两个形成不同有机硼氧硼键的硼原子连接在一起,所述连接基选自以下任意一种或任意几种:碳连接基、杂连接基、碳-杂连接基、碳-元素连接基、碳-杂-元素连接基。
3.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物中还含有氢键。
4.根据权利要求3所述的交联动态聚合物,其特征在于,形成氢键的氢键基团含有如下结构:
5.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,其至少利用有机硼化合物进行反应获得所述交联动态聚合物;
其中,所述有机硼化合物选自以如下结构表示的化合物:
其中,Q为有机硼酸基元,q为Q的个数,q≥1;T为单个Q上的取代基团,或者为两个或多个Q之间的连接基团,t为T的个数,t≥1;当q=1时,T选自以下任意一种或任意几种:分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基;当q>1时,T选自以下任意一种或任意几种:杂原子链段、分子量不超过1000Da的小分子烃基、被杂化的分子量不超过1000Da的小分子烃基、分子量大于1000Da的聚合物链残基;
其中,所述有机硼酸基元Q选自以下任意一种或任意几种结构:
其中,所述结构中的每个硼原子均与至少一个碳原子通过硼碳键相连,并且至少一个有机基团通过所述硼碳键与硼原子相连;为有机硼酸基; 为有机硼酸酯基,E1、E2、E3、E4各自独立地为有机基团或者有机硅基团,E1、E2、E3、E4通过碳原子或者硅原子与氧原子相连;为有机硼酸盐基,G1 +、G2 +、G3 +为一价正离子,G4 2+为二价正离子;为有机卤硼烷基,X1、X2、X3为卤素原子;为有机硼酸酐基,J1、J2、J3为有机硼基团,J1、J2、J3通过硼原子与氧原子相连;在中,M1、M2不相同,M1、M2各自独立地选自-OH、-OE5、-O-G5 +、-X4、-OJ4,其中,E5为有机基团或者有机硅基团,E5通过碳原子或者硅原子与氧原子相连,G5 +为一价正离子,X4为卤素原子,J4为有机硼基团,J4通过硼原子与氧原子相连。
6.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
7.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着含有有机硼氧硼键的非交联动态聚合物,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在非交联动态聚合物中或者同时在普通共价交联网络和非交联动态聚合物中含有氢键。
8.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
9.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联且交联网络中分散着由有机硼氧硼键形成的凝胶点以上的交联动态聚合物颗粒,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在普通共价交联网络中或者在交联动态聚合物颗粒中或者同时在普通共价交联网络和交联动态聚合物颗粒中含有氢键。
10.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
11.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物仅含有一个交联网络,此交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联,并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在交联网络中含有氢键。
12.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
13.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。
14.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
15.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由普通共价键形成的普通共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。
16.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上。
17.根据权利要求1所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物含有两个交联网络,其中一个交联网络仅含有由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,另一个交联网络同时含有由普通共价键形成的普通共价交联和由有机硼氧硼键形成的动态共价交联并且普通共价交联的交联度达到其凝胶点以上,同时,在至少一个交联网络中含有氢键。
18.根据权利要求1到3、6到17中任一项所述的交联动态聚合物,其特征在于,用于制备交联动态聚合物的原料组分还包括以下任意一种或任意几种:含氮配体、脱水剂、仅含有其他反应性基团的化合物、其他含有普通共价交联的交联聚合物、助剂、填料。
19.根据权利要求1到3、6到17中任一项所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物或其组成的形态具有以下任意一种:普通固体、弹性体、凝胶、泡沫材料。
20.根据权利要求1到3、6到17中任一项所述的交联动态聚合物,其特征在于,所述交联动态聚合物或其组成应用于以下制品:减震制品、缓冲制品、防护材料、运动防护制品、军警防护制品、应力传感器、自修复性涂层、自修复性板材、自修复性胶黏剂、夹层胶、韧性材料、密封件、形状记忆材料、玩具。
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