CN108586526B - 含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物、其制备方法及包括其的光固化涂料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物、其制备方法及包括其的光固化涂料。该含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物具有如式I所示的结构,式I中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C8的烷基;n1和n2之和为2~30的整数;n3为1~20的整数。上述低聚物中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。将本发明提供的低聚物应用在光固化涂料中,能够使涂料兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成,具体而言,涉及一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物、其制备方法及包括其的光固化涂料。
背景技术
高分子包含芴系骨架可使高分子具有高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性。为了利用芴骨架化合物的这些优异的特性,可使不饱和键的化合物与含有芴骨架的化合物发生酯化、加成等反应,形成含有带碳碳双键等结构的低聚物或单体。比如:专利文献CN100564349C公开了对含有芴骨架高分子化合物的改进,用多元醇与丙烯酸或其衍生物反应来制备。专利文献CN103980472B则是用公开了另一种对芴骨架高分子化合物的改进方法,用双酚芴醚化加成酸酐后、与环氧化合物反应而成。这些芴系骨架的低聚物应用在光固化涂料中均有利于提高涂层的耐热性、透明性、折射率等方面的性能,
除了需要上述性能以外,传统光固化涂料在阻燃性方面也需要改善提高。现有的改善光固化涂料阻燃性的方法主要是在涂料中添加阻燃剂,然而,因小分子阻燃剂具有迁移性,会严重影响涂层性能,而且卤素系列阻燃剂燃烧时还会产生有毒的卤化氢气体并有腐蚀性。
基于以上原因,有必要提供一种光学性能较好、阻燃性能好且无小分子阻燃剂迁移的低聚物和光固化涂料。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物、其制备方法及包括其的光固化涂料,以解决现有技术中的光固化涂料无法兼具优异的光学性能、高阻燃性及无小分子阻燃剂迁移的问题。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,其具有如式I所示的结构:
式I中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C8的烷基;n1和n2之和为2~30的整数;n3为1~20的整数。
进一步地,式I中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C4的烷基。
进一步地,式I中,n1为1~5的整数,n2为1~5的整数,n3为2~4的整数。
根据本发明的另一方面,还提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物的制备方法,其包括以下步骤:将化合物A、化合物B及苯基膦酰二氯进行聚合,得到含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物;其中化合物A具有式II所示结构,化合物B具有式III所示结构:
式II和式III中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C8的烷基;n1和n2之和为2~30的整数;n3为1~20的整数。
进一步地,制备方法包括以下步骤:将化合物A和苯基膦酰二氯在溶剂和第一催化剂的作用下进行反应,得到第一反应体系;将化合物B、第二催化剂及第一反应体系进行反应,得到第二反应体系;以及对第二反应体系进行提纯,得到含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。
进一步地,第一催化剂和第二催化剂分别为胺类催化剂,优选胺类催化剂为叔胺类催化剂,更优选胺类催化剂为三乙胺、三丙胺及N,N-二甲基苯胺中的一种或多种。
进一步地,化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:(1.8~2.2):(1.8~2.2);优选地,化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:(1.95~2.05):(1.95~2.05)。
进一步地,第一催化剂和化合物A之间的摩尔比为(1.95~2.05):1,第二催化剂和化合物B之间的摩尔比为(0.95~1.05):1。
进一步地,溶剂为苯、甲苯、二氯甲烷、二甲苯及2-苯氧基乙基丙烯酸酯中的一种或多种;优选地,将溶剂的重量记为a,将化合物A的重量记为b,将第一催化剂的重量记为c,[a/(a+b+c)]×100%=10~80%。
进一步地,将化合物A和苯基膦酰二氯在溶剂和第一催化剂的作用下进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h;优选地,将化合物B、第二催化剂及第一反应体系进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h。
根据本发明的另一方面,还提供了一种光固化涂料,包括可聚合性低聚物,该可聚合性低聚物为上述的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。
本发明提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,该低聚物中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有的高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。将本发明提供的低聚物应用在光固化涂料中,能够使涂料兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了根据本发明的实施例1制备的低聚物的核磁谱图;
图2示出了根据本发明的实施例1制备的低聚物的红外谱图;
图3示出了根据本发明的实施例2制备的低聚物的核磁谱图;以及
图4示出了根据本发明的实施例2制备的低聚物的红外谱图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述,这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
正如背景技术部分所描述的,现有技术中的光固化涂料无法兼具较好的光学性能、高阻燃性及无小分子阻燃剂迁移。
为了解决上述问题,本发明提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,该含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物具有如式I所示的结构:
式I中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C8的烷基;n1和n2之和为2~30的整数;n3为1~20的整数。
上述含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,其结构中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。将本发明提供的低聚物应用在光固化涂料中,能够使涂料兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
为了进一步提高含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物的综合性能,在一种优选的实施方式中,式I中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C4的烷基。更优选地,式I中,n1为1~5的整数,n2为1~5的整数,n3为2~4的整数。
根据本发明的另一方面,还提供了一种含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物的制备方法,其包括以下步骤:将化合物A、化合物B及苯基膦酰二氯进行聚合,得到含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物;其中化合物A具有式II所示结构,化合物B具有式III所示结构:
式II和式III中,R1、R2和R3分别独立地选自氢或C1~C8的烷基;n1和n2之和为2~30的整数;n3为1~20的整数。
利用上述方法制备的该低聚物中,其结构中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有的高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。将本发明提供的低聚物应用在光固化涂料中,能够使涂料兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
在一种优选的实施方式中,制备方法包括以下步骤:将化合物A和二苯基膦酰二氯在溶剂和第一催化剂的作用下进行反应,得到第一反应体系;将化合物B、第二催化剂及第一反应体系进行反应,得到第二反应体系;以及对第二反应体系进行提纯,得到含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。先将化合物A和苯基膦酰二氯进行反应,可以是化合物A中的羟基氢原子和苯基膦酰二氯中的一个氯原子发生消除反应,以将苯基膦酰二氯中的苯基膦结构以化学键连接的方式引入化合物A的端部,得到第一反应体系。再将化合物B、第二催化剂及第一反应体系进行反应,可以使苯基膦酰二氯剩余的氯原子与化合物B中的羟基氢原子发生消除反应,以在分子链中引入丙烯酸酯结构,得到目标产物。除此以外,利用溶剂和催化剂进行反应,有利于提高反应的稳定性和反应效率。
为了进一步提高反应效率,在一种优选的实施方式中,第一催化剂和第二催化剂分别为胺类催化剂,优选胺类催化剂为叔胺类催化剂,更优选胺类催化剂包括但不限于三乙胺、三丙胺及N,N-二甲基苯胺中的一种或多种。
在一种优选的实施方式中,化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:(1.8~2.2):(1.8~2.2)。将各反应原料之间的用量比控制在上述范围内,有利于提高反应的转化率和产物的收率。优选地,化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:(1.95~2.05):(1.95~2.05)。
为了进一步提高反应的效率,在一种优选的实施方式中,第一催化剂和化合物A之间的摩尔比为(1.95~2.05):1,第二催化剂和化合物B之间的摩尔比为(0.95~1.05):1。
上述溶剂可以使用有机合成中常用的溶剂,在一种优选的实施方式中,溶剂包括但不限于苯、甲苯、二氯甲烷、二甲苯及2-苯氧基乙基丙烯酸酯中的一种或多种。这几种溶剂对于反应原料有稳定的分散作用,能够提高反应的稳定性和安全性。优选地,将溶剂的重量记为a,将化合物A的重量记为b,将第一催化剂的重量记为c,[a/(a+b+c)]×100%=10~80%。这样,反应过程更为稳定。
在一种优选的实施方式中,将化合物A和苯基膦酰二氯在溶剂和第一催化剂的作用下进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h;优选地,将化合物B、第二催化剂及第一反应体系进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h。该反应条件下,反应效率更高,原料的转化率更高。
上述提纯步骤可以采用有机合成领域常用的方式,优选地,对第二反应体系进行提纯的步骤包括:对第二反应体系进行抽滤,得到油相产物;水洗油相产物,静置分层收集油相后蒸馏,得到含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。
根据本发明的另一方面,还提供了一种光固化涂料,包括可聚合性低聚物,其中可聚合性低聚物为上述的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。该低聚物中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有的高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。基于以上原因,本发明提供的光固化涂料能够兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果:
表征方法:以下实施例中制备的低聚物的性能表征方法如下:
折射率:用阿贝折光仪先使折光仪与恒温槽相连接,恒温后,分开直角棱镜,用丝绢或擦镜纸沾少量乙醇或丙酮轻轻擦洗上下镜面。待乙醇或丙酮挥发后,加一滴蒸馏水于下面镜面上,关闭棱镜,调节反光镜使镜内视场明亮,转动棱镜直到镜内观察到有界线或出现彩色光带;若出现彩色光带,则调节色散,使明暗界线清晰,再转动直角棱镜使界线恰巧通过“十”字的交点,记录读数与温度。
粘度:运用锥板粘度计测量粘度。首先,选择锥转子和安装,再进行转速和温度设置。接着,压下手柄,使锥转子接近加热板,并且让手柄位于最低位置,等待10分钟使锥转子与加样板温度接近。然后,提起手柄,把样品加至加热板上,轻轻地压下手柄,样品应完全覆盖锥转子底部表面,并且溢出其边沿1.0mm。等待约1至3分钟,使锥转子,加热板及样品的温度到达设置温度。最后,设置运行时间及保持时间,连接打印机,按下RLN键开始测量,读取及打印结果。
收缩率:测定树脂固化前和固化后的密度,然后根据密度计算收缩率。收缩率=(ρ后-ρ前)/ρ后×100%,其中ρ后和ρ前分别是固化后和固化前的密度。固化前后的密度测定可采用比重瓶法,以水为参比。
阻燃性能:将各实施例中制备的含芴磷酸酯丙烯酸酯低聚物加至增亮膜中,按重量百分比计,配方包括:47%含芴磷酸酯丙烯酸酯低聚物,3%光引发剂184,50%邻苯基苯氧乙基丙烯酸酯(OPPPEA),测试氧指数。所谓氧指数,是指在规定的实验条件下,使材料恰好保持燃烧状态所需氧氮混合气体中氧的最低浓度,用LOI(LimitedOxygenIndex)表示。其测量方法按照国家标准GB5454—85,用HC-1型氧指数测定仪测定样品的氧指数。
百格:用百格刀在测试样本表面划10×10个(100个)1mm×1mm小网格,每一条划线应深及油漆的底层;用毛刷将测试区域的碎片刷干净;用3M600号胶纸或等同效力的胶纸牢牢粘住被测试小网格,并用橡皮擦用力擦拭胶带,以加大胶带与被测区域的接触面积及力度;用手抓住胶带一端,在垂直方向(90°)迅速扯下胶纸,同一位置进行2次相同试验。
规定利用3M600或610的胶带黏贴于百格中,快速拉起3M胶带,其面漆或电度层被胶带黏起的数量依照百格的百分比:ISO等级:0=ASTM等级:5B,表示切口的边缘完全光滑,格子边缘没有任何剥落。ISO等级:1=ASTM等级:4B,表示在切口的相交处有小片剥落,划格区内实际破损≤5%。ISO等级:2=ASTM等级:3B,表示切口的边缘和/或相交处有被剥落,其面积大于5%~15%。ISO等级:3=ASTM等级:2B,表示沿切口边缘有部分剥落或整大片剥落,或部分格子被整片剥落,剥落的面积超过15%~35%。ISO等级:4=ASTM等级:1B,表示切口边缘大片剥落/或者一些方格部分或全部剥落,其面积大于划格区的35%~65%。ISO等级:5=ASTM等级:0B,表示在划线的边缘及交叉点处有成片的油漆脱落,且脱落总面积大于65%。一般要求在4B以上。
实施例1
A.把395g(0.5mol)具有式II式结构的醇(化合物A,黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司购买,R1、R2均为氢原子,n1为5,n2值为5)与101g三乙胺(1mol)溶解在800g二氯甲烷中;
B.把步骤A得到的混合溶液缓慢滴入195g(1mol)苯基膦酰二氯,控制反应温度为30℃,反应时间为2h,得到第一产物体系;
C.把130g(1mol)具有式III结构的化合物(化合物B,上海永正化工有限公司,R3为甲基,n3的值为2)和101g三乙胺(1mol)混合完全后,缓慢滴加至第一产物体系中,反应温度控制在30℃,反应时间为2h,得到第二产物体系;
D.将第二产物体系过滤后水洗至中性,静止分层收集油相产物,并蒸去低沸点溶剂得到目标产物,产物收率为91.2%。产物1H-NMR核磁谱图见图1,红外谱图见图2。
E.目标产物折射率为1.557(25℃),,收缩率为2.21%,加入增亮膜配方测试阻燃性能,其氧指数为28.2,百格为5B。
实施例2
A.把219g(0.5mol)具有式II式结构的醇(化合物A,R1、R2均为氢原子,n1为1,n2值为1)与101g三乙胺(1mol)溶解在1000g二氯甲烷中。
B.把步骤A得到的混合溶液缓慢滴入195g(1mol)苯基膦酰二氯中,控制好反应温度为35℃,反应时间为3h,得到第一产物体系;
C.把116g(1mol)具有式III结构的化合物(化合物B,R3为氢原子,n3的值为2)和101g三乙胺混合完全后,缓慢滴加至第一产物体系中,反应温度控制在35℃,反应时间为2h,得到第二产物体系;
D.将第二产物体系水洗至中性,静止分层收集油相产物,并蒸去低沸点溶剂得到目标产物,产物收率为87.5%。产物1H-NMR核磁谱图见图3,红外谱图见图4。
E.目标产物折射率为1.594(25℃),收缩率为4.43%,加入增亮膜配方测试阻燃性能,其氧指数为28.5,百格为5B。
实施例3
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:1.95:2.05。
产物收率为89.0%。
实施例4
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:2.05:1.95。
产物收率为90.5%。
实施例5
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:1.8:2.2。
产物收率为91.3%。
实施例6
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:化合物A、苯基膦酰二氯及化合物B之间的摩尔比为1:2.2:1.8。
产物收率为89.7%。
实施例7
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:第一催化剂三乙胺和化合物A之间的摩尔比为1.95:1,化合物B和第二催化剂三乙胺之间的摩尔比为0.95:1。
产物收率为87.4%。
实施例8
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:第一催化剂三乙胺和化合物A之间的摩尔比为2.05:1,化合物B和第二催化剂三乙胺之间的摩尔比为1.05:1。
产物收率为91.5%。
实施例9
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:将第一催化剂三乙胺替换为等摩尔量的三丙胺,将第二催化剂三乙胺也替换为等摩尔量的三丙胺。
产物收率为89.5%。
实施例10
该实施例中选用的原料和制备步骤同实施例1,不同之处仅在于:将第一催化剂三乙胺替换为等摩尔量的N,N-二甲基苯胺,将第二催化剂三乙胺也替换为等摩尔量的N,N-二甲基苯胺。
产物收率为88.4%。
从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例实现了如下技术效果:本发明提供的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,该低聚物中同时引入了芴系骨架和磷元素,既利用了芴系骨架具有的高耐热性、高透明性、高折射率、低膨胀系数等优异特性,又通过把磷元素引入高分子材料链结构中不但赋予高分子材料良好的阻燃性能,还具有迁移性小、耐久性好和毒性低等特点。将本发明提供的低聚物应用在光固化涂料中,能够使涂料兼具良好的耐热性、优异的光学性能、良好的阻燃性及无小分子阻燃剂迁移等特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
2.根据权利要求1所述的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,其特征在于,所述式I中,所述R1、所述R2和所述R3分别独立地选自氢或C1~C4的烷基。
3.根据权利要求1所述的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物,其特征在于,所述式I中,所述n1为1~5的整数,所述n2为1~5的整数,所述n3为2~4的整数。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
将所述化合物A和所述苯基膦酰二氯在溶剂和第一催化剂的作用下进行反应,得到第一反应体系;
将所述化合物B、第二催化剂及所述第一反应体系进行反应,得到第二反应体系;以及
对所述第二反应体系进行提纯,得到所述含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物;
其中,所述第一催化剂和所述第二催化剂分别为胺类催化剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述胺类催化剂为叔胺类催化剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述胺类催化剂为三乙胺、三丙胺及N,N-二甲基苯胺中的一种或多种。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述化合物A、所述苯基膦酰二氯及所述化合物B之间的摩尔比为1:(1.8~2.2):(1.8~2.2)。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述化合物A、所述苯基膦酰二氯及所述化合物B之间的摩尔比为1:(1.95~2.05):(1.95~2.05)。
10.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述第一催化剂和所述化合物A之间的摩尔比为(1.95~2.05):1,所述第二催化剂和所述化合物B之间的摩尔比为(0.95~1.05):1。
11.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述溶剂为苯、甲苯、二氯甲烷、二甲苯及2-苯氧基乙基丙烯酸酯中的一种或多种。
12.根据权利要求11所述的制备方法,其特征在于,将所述溶剂的重量记为a,将所述化合物A的重量记为b,将所述第一催化剂的重量记为c,[a/(a+b+c)]×100%=10~80%。
13.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法,其特征在于,将所述化合物A和所述苯基膦酰二氯在所述溶剂和所述第一催化剂的作用下进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h。
14.根据权利要求13所述的制备方法,其特征在于,将所述化合物B、所述第二催化剂及所述第一反应体系进行反应的步骤中,反应温度为20~60℃,反应时间为2~4h。
15.一种光固化涂料,包括可聚合性低聚物,其特征在于,所述可聚合性低聚物为权利要求1至3中任一项所述的含芴的苯膦酸酯丙烯酸酯低聚物。
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