CN109467571A - 一种硅氧烷改性天门冬氨酸酯及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅氧烷改性天门冬氨酸酯及其制备方法和用途,该天门冬氨酸酯带有硅氧烷结构,可增进所制备涂料涂层与无机、金属基材的附着力。合成时先通过丁烯二酸二酯和多乙烯多胺反应得到具有未反应仲胺基团的天门冬氨酸酯多胺,然后加入可以和胺基发生反应的硅烷偶联剂,得到硅氧烷改性的天门冬氨酸酯。该硅烷改性天门冬氨酸酯可用作双组份聚脲/聚氨酯涂料树脂单体,用于提高涂层与基材的附着力。

Description

一种硅氧烷改性天门冬氨酸酯及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于天门冬氨酸酯合成领域,具体涉及一种硅烷改性天门冬氨酸酯及其制备方法和用途。
背景技术
天门冬氨酸酯(Aspartic Ester,AE)作为一类特殊的位阻型仲胺,由于酯基的空间位阻和诱导效应,降低了仲胺与NCO反应时的活性,因而克服了传统聚脲材料施工时间短、涂膜附着力差、表面缺陷多的弊病。虽然更长的凝胶固化时间,使得涂料能够更好的浸润基材,但是天门冬氨酸酯聚脲对金属基材的附着力依然不够理想。
硅烷偶联剂普遍用作涂料中的附着力增强剂,用于提高有机树脂涂层和无机或金属基材的附着力。
美国专利US5364955和US20050137322公开了通过NCO预聚物与氨基甲氧基硅烷改性天冬氨酸酯反应形成脲或乙内酰脲基团制成硅氧烷封端树脂。该方法通过使氨基官能硅烷与马来酸酯或富马酸酯反应制备硅烷天门冬氨酸酯,硅烷天冬氨酸酯与NCO预聚物反应形成可湿固化的树脂。此类脂族多异氰酸酯-氨基硅烷加合物与可水解硅烷的缩合产物表现出高硬度、耐磨性和耐化学性方面与高挠性方面之间优异的平衡性。该多异氰酸酯-氨基硅烷加合物与可水解硅烷经缩聚反应可以形成具有高硬度和极好耐溶剂性的挠性无机-有机混合涂料。美国专利US9957417B2报道了氨基甲氧基硅烷改性天冬氨酸酯、聚硅氧烷以及任选可水解硅烷作为I组分,多异氰酸酯和催化剂作为组分II构成的双组份快速固化天冬氨酸酯聚硅氧烷杂化涂料,该类杂化双组份涂料的适用期可大于2h,却可在15分钟达到硬干,60°具备74的光泽度,以及在4000h耐候测试中表现出良好的保光性,并且相比于传统天门冬氨酸酯聚脲具备更加优异的耐酸和溶剂腐蚀特性。
中国专利CN201510180977报道了通过γ-氨丙基三烷氧基硅烷中的伯胺和马来酸酯双键发生Michael加成反应制备了一种单官能度的硅氧烷改性天门冬氨酸酯,用于改善硅氧烷封端聚氨酯因NH2和NCO反应太快而导致的产品粘度上升过快,以及体系相容性差和均一性差的问题。中国专利CN201611244525同样通过γ-氨丙基三甲氧基硅烷和马来酸酯先合成单官能度硅氧烷改性天门冬氨酸酯,然后和等当量的异氰酸酯三聚体反应掉部分NCO,得到硅氧烷改性的多异氰酸酯固化剂。
综上所述,目前报道的硅烷改性天门冬氨酸酯均是通过含氨基硅烷偶联剂直接和丁烯二酸二乙酯反应制得的单官能度改性单体,多用于硅氧烷封端涂料/胶粘剂树脂或预聚物的合成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多官能度硅氧烷天门冬氨酸酯。
本专利的另一目的在于提供该改性天门冬氨酸酯的制备方法,使其可以用于硅氧烷改性预聚物或聚脲/聚氨酯涂料树脂体系。
为实现上述发明目的并用于上述用途,本发明采用以下技术方案:
一种硅氧烷改性天门冬氨酸酯,具有如下两种结构中的任意一种:
其中R1~R6为相同或不同的烷基、芳基或烷氧基基团,优选C3~C8的支链、C1~C8直链烷基或烷氧基,n为≥1的整数,优选1~3。
本发明中,硅氧烷改性天门冬氨酸酯的制备方法包含如下步骤:
(1)Michael加成反应:多乙烯多胺和丁烯二酸二酯反应得到天门冬氨酸酯多胺;
(2)硅氧烷改性反应:将步骤(1)的反应液中加入可与仲胺反应的硅烷偶联剂,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯。
上述步骤(1)天门冬氨酸酯多胺合成时,多乙烯多胺的伯胺基团和丁烯二酸二酯发生反应,而仲胺基团由于位阻效应几乎不参与加成反应。因此,步骤(2)可以通过加入含环氧或者NCO基团的硅烷偶联剂和保留的仲胺基团反应,生成硅氧烷改性的天门冬氨酸酯单体,并进一步开发硅氧烷改性的预聚物或聚脲/聚氨酯涂料树脂。
本发明中,步骤(1)的Michael加成反应如式1所示:
其中,R1和R2为相同或不同的烷基、芳基或烷氧基基团,n为≥1的整数。
本发明中,步骤(1)中多乙烯多胺和丁烯二酸二酯的摩尔比为1:2。
本发明中,步骤(1)中多乙烯多胺和丁烯二酸二酯的原料含水量指标控制在300ppm以下。
本发明中,步骤(1)中的多乙烯多胺选自二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的一种或多种。
本发明中,步骤(1)中的丁烯二酸二酯选自马来酸二酯和/或富马酸二酯,其中马来酸二酯优选自马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丙酯、马来酸二丁酯和马来酸甲基丙基酯中的一种或多种,富马酸二酯优选自富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、富马酸二丙酯、富马酸二丁酯和富马酸甲基丙基酯中的一种或多种。
本发明中,步骤(1)的反应装置为配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、N2气路管、鼓泡器的四口反应器。
本发明中,步骤(1)的反应过程为:将多乙烯多胺加入到四口反应器中,将丁烯二酸二酯加入恒压滴液漏斗中,体系通入N2置换空气,搅拌下缓慢滴入丁烯二酸二酯,滴完之后继续反应至丁烯二酸二酯消耗完。
本发明中,步骤(1)中的反应需通入N2,通入时间为10~30min;滴加加入丁烯二酸二酯,滴加时间0.5~1h,控制反应温度为30℃,滴完后升温至40~60℃,继续反应3~6h。
本发明中,步骤(2)缓慢滴加可与胺基反应的硅烷偶联剂,与步骤(1)中未参与反应的仲胺基团反应。步骤(1)生成的位阻型仲胺基团反应活性低,因此通过控制硅烷偶联剂的加入量和滴加速率,可以降低其参与反应的概率。反应过程如式2所示:
其中,R1~R6为相同或不同的烷基、芳基或烷氧基基团,n为≥1的整数。
本发明中,步骤(2)中硅烷偶联剂选自含环氧和/或NCO基团的硅烷偶联剂,其中含环氧基硅烷偶联剂优选自2-(3,4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油丙基甲基二乙氧基硅烷和γ-缩水甘油丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种,含NCO基团硅烷偶联剂优选为3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷。
本发明中,步骤(2)中硅烷偶联剂加入量与步骤(1)中多乙烯多胺加入量的摩尔比为(1~n):1,优选摩尔比为n:1,n是天门冬氨酸酯中的重复单元数。
本发明中,步骤(2)的反应装置为配有机械搅拌、温度计、恒压滴液漏斗的四口反应器。
本发明中,步骤(2)中滴加加入硅烷偶联剂,滴加时间1~3h,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,恒温50℃反应2~4h,得硅氧烷改性天门冬氨酸酯。降温至室温,充干燥N2密封保存。
本发明中,上述制备方法制得的硅烷改性天门冬氨酸酯用于制备硅氧烷改性预聚物或聚脲/聚氨酯涂料树脂。该硅氧烷改性天门冬氨酸酯无需进一步分离纯化,即可用于后续的下游应用,其可以加入到传统天门冬氨酸酯组合物中,再和异氰酸酯或其低聚物进行复配制备聚脲涂料/胶粘剂树脂,用于提高涂料或树脂与无机或金属基材的附着力。硅氧烷改性天门冬氨酸酯在天门冬氨酸酯组合物中的加入量为0.5-10mol%。
本发明制备的硅氧烷改性天门冬氨酸酯具备多官能度仲胺或羟基基团,具有如下积极效果:
(1)相比于单官能度硅氧烷改性天门冬氨酸酯,本发明的改性天门冬氨酸酯不仅限于硅氧烷封端,也可用于嵌段或支化共聚预聚物的合成;
(2)本发明的改性天门冬氨酸酯具备多官能度仲胺或羟基基团,可提供更高的交联密度,提高涂膜机械物理强度;
(3)相比于硅氧烷和天门冬氨酸酯混合组合物,本发明的改性天门冬氨酸酯能够赋予涂膜更加优异的基材附着力。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明所提供的技术方案予以进一步地说明,但本发明不限于所列出的实施例,还包括在本发明权利范围内其它任何公知的改变。
原料信息:二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺,纯度大于98%,TCI;马来酸二乙酯,纯度大于99%,安耐吉;马来酸二丁酯,纯度大于99.5%,阿拉丁;富马酸二乙酯,纯度大于98.5%,阿拉丁;含环氧和NCO基团硅烷偶联剂,纯度大于99.9%,日本信越。
测试与表征:
通过硫醇-碘滴定对步骤(1)反应体系中的不饱和度进行测定:
1)将样品溶解在盛有10mL吡啶的100mL烧瓶中;
2)加入5滴1%酚酞乙醇溶液指示剂;
3)分散入8mL 1N的1-十二烷硫醇的乙醇溶液;
4)用0.5N NaOH的乙醇溶液滴定直至出现深紫色(在第一次滴加NaOH/乙醇溶液时开启定时器,精确地定时2分钟);
5)2分钟后加入2mL醋酸;
6)加入60mL乙醇;
7)用0.1N碘的水溶液滴定直至观察到持续的黄色;
8)用每套滴定参数做一次空白对照;
9)计算马来酸数。
在上述第2-4步需提供氮气保护。按照下列公式计算马来酸数:
马来酸数(mg/g树脂)=1.161×(空白体积-样品体积)/样品重量。
按照国标GB/T 1667-2008的盐酸-丙酮法测定步骤(2)硅氧烷改性反应体系中的环氧值;按照国标GB/T 18446-2009的二正丁胺法测定步骤(2)硅氧烷改性体系中的NCO含量。
采用核磁共振仪对硅氧烷改性天门冬氨酸酯产品进行1H NMR定性表征。仪器型号:Bruker 400MHz。测试条件:以氘代DMSO为溶剂制样。
实施例1
将103.17g(1mol)二乙烯三胺加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将344.36g(2mol)马来酸二乙酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 10min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,1h匀速滴完,控制反应温度为30℃,然后升温至60℃反应3h,通过硫醇-碘滴定方法测得反应体系中不饱和值为0.33mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应。
在恒压滴液漏斗中滴加加入246.38g(1mol)2-(3,4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷,缓慢滴加至上述反应体系中,1h滴完,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,保温50℃反应2h,通过盐酸-丙酮法测得反应体系中的环氧值为2.9mmol/kg树脂,表明环氧基团转化率达到99.8%,停止搅拌,降至室温,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯1。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,8H),3.72(dt,2H),3.55(s,9H),3.49(m,1H),2.65(m,8H),2.57(m,1H),2.48(m,4H),1.29-1.66(m,19H),1.17(d,2H),0.56(m,2H)。产物为目标产物结构。
实施例2
将103.17g(1mol)二乙烯三胺加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将344.36g(2mol)富马酸二乙酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 30min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,1h匀速滴完,控制反应温度为26℃,然后升温至50℃反应6h,通过硫醇-碘滴定方法测得不饱和值为0.33mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应。
在恒压滴液漏斗中加入246.38g(1mol)2-(3,4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷,缓慢滴加至上述反应体系中,1h滴完,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,保温50℃反应2h,通过盐酸-丙酮法测得反应体系中的环氧值为2.9mmol/kg树脂,表明环氧基团转化率达到99.8%,停止搅拌,降至室温,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯1。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,8H),3.72(dt,2H),3.55(s,9H),3.49(m,1H),2.65(m,8H),2.57(m,1H),2.48(m,4H),1.29-1.66(m,19H),1.17(d,2H),0.56(m,2H)。产物为目标产物结构。
实施例3
将116.99g(0.8mol)三乙烯四胺加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将275.49g(1.6mol)马来酸二乙酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 20min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,0.5h匀速滴完,控制反应温度为34℃,然后升温至40℃反应5h,通过硫醇-碘滴定方法测得不饱和值为0.24mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应。
在恒压滴液漏斗中加入378.14(1.6mol)γ-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷,缓慢滴加至上述反应体系中,2h滴完,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,保温50℃反应3h,通过盐酸-丙酮法测得反应体系中的环氧值为4.2mmol/kg树脂,表明环氧基团转化率达到99.8%,停止搅拌,降至室温,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯2。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,8H),3.72(m,4H),3.63(m,4H),3.55(s,18H),3.35(m,4H),2.65(m,8H),2.48(m,8H),2.37(m,4H),1.42(m,4H),1.29(m,12H),0.56(m,4H)。产物为目标产物结构。
实施例4
将73.12g(0.5mol)三乙烯四胺加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将228.28g(1mol)马来酸二丁酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 20min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,1h匀速滴完,控制反应温度为30℃,然后升温至50℃反应5h,通过硫醇-碘滴定方法测得不饱和值为0.21mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应。
在恒压滴液漏斗中加入248.39g(1mol)γ-缩水甘油丙基甲基二乙氧基硅烷,缓慢滴加至上述反应体系中,2h滴完,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,保温50℃反应4h,通过盐酸-丙酮法测得反应体系中的环氧值为3.6mmol/kg树脂,表明环氧基团转化率达到99.8%,停止搅拌,降至室温,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯3。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,8H),3.83(m,8H),3.72(m,4H),3.63(m,4H),3.35(m,4H),2.65(m,8H),2.48(m,8H),2.37(m,4H),1.40-1.55(m,20H),1.21(m,12H),0.90(m,12H),0.61(m,4H),0.14(s,6H)。产物为目标产物结构。
实施例5
将94.66g(0.5mol)四乙烯五胺加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将228.28g(1mol)马来酸二丁酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 20min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,1h匀速滴完,控制反应温度为30℃,然后升温至50℃反应5h,通过硫醇-碘滴定方法测得不饱和值为0.16mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应。
在恒压滴液漏斗中加入371.06g(1.5mol)3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷,缓慢滴加至上述反应体系中,3h滴完,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,保温50℃反应2h,通过二正丁胺法测得反应体系中的NCO含量为90ppm,表明NCO基团转化率达到99.9%,停止搅拌,降至室温,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯4。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,8H),3.83(m,18H),3.72(m,2H),3.40(m,14H),3.28(m,4H),2.65(m,8H),1.40-1.55(m,22H),1.21(m,27H),0.90(m,12H),0.56(m,6H)。产物为目标产物结构。
对比例1
将442.8g(2mol)γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入1L四口圆底烧瓶中,烧瓶装配有机械搅拌桨、温度计、恒压滴液漏斗、连接有N2气路管、鼓泡器,将344.36(2mol)马来酸二乙酯加入恒压滴液漏斗中,体系中通入N2 20min,置换体系中空气;在25℃搅拌条件下在烧瓶中缓慢滴入马来酸二乙酯,1h匀速滴完,控制反应温度为30℃,然后升温至50℃反应2h,通过硫醇-碘滴定方法测得不饱和值为0.29mg马来酸/g树脂,表明马来酸酯反应转化率99.9%,停止反应,得到单官能度硅氧烷改性天门冬氨酸酯5。充干燥N2密封保存。
反应历程如下所示:
NMR表征结构为:1H NMR(DMSO),δ:4.17(m,4H),3.83(m,6H),3.72(m,1H),2.65(d,2H),2.53(m,2H),1.20-1.40(m,17H),0.56(m,2H)。产物为目标产物结构。
制备含NCO基团预聚物:
在装配有机械搅拌,连接有N2气路管、恒压滴液漏斗、鼓泡器的2L四口烧瓶中加入168.2g(1mol)HDI,体系中通入N2 20min,置换体系中空气;升温至60℃,然后缓慢滴加1000g(0.5mol)分子量2000的聚醚多元醇,1h滴完,60℃下保温20h,得到NCO封端预聚物,通过二正丁胺法测得NCO含量3.94%。
制备双组份聚脲/聚氨酯涂料树脂:
分别以实施例1和对比例1中的硅氧烷改性天门冬氨酸酯作为组分I,NCO预聚物/HDI三聚体 HT-600(摩尔配比9:1)为组分II,NCO/NH比例控制为1.05,制备双组份聚脲/聚氨酯清漆,并涂布于打磨清洁的马口铁上,室温干燥一周,干膜膜厚10μm。产品涂膜性能表征如下:
检测项目 实施例1改性产物配置单组分聚脲 对比例1改性产物配置单组分聚脲
表干时间(min) 20 180
实干时间(h) 2.5 12
拉拔附着力(MPa) 9.3 7.8
邵D硬度 63 45
拉伸强度(MPa) 38 17
断裂伸长率(%) 108 159
单官能度硅氧烷改性天门冬氨酸酯依靠硅氧烷水解缩合进行交联固化,因而固化时间长,本发明的硅氧烷改性天门冬氨酸酯具备更高的官能度,可通过NCO和NH的反应快速固化,施工效率高,并且在附着力、硬度以及物理机械性能方面有较为优异的表现。

Claims (10)

1.一种硅氧烷改性天门冬氨酸酯,具有如下两种结构中的任意一种:
其中R1~R6为相同或不同的烷基、芳基或烷氧基基团,优选C3~C8的支链、C1~C8直链烷基或烷氧基,n为≥1的整数,优选1~3。
2.根据权利要求1所述的硅氧烷改性天门冬氨酸酯,其制备方法包含如下步骤:
(1)Michael加成反应:多乙烯多胺和丁烯二酸二酯反应得到天门冬氨酸酯多胺;
(2)硅氧烷改性反应:将步骤(1)的反应液中加入可与仲胺反应的硅烷偶联剂,得到硅氧烷改性天门冬氨酸酯。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,步骤(1)中多乙烯多胺和丁烯二酸二酯的摩尔比为1:2。
4.根据权利要求2或3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中的多乙烯多胺选自二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的一种或多种。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)中的丁烯二酸二酯选自马来酸二酯和/或富马酸二酯,其中,马来酸二酯优选自马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丙酯、马来酸二丁酯和马来酸甲基丙基酯中的一种或多种,富马酸二酯优选自富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、富马酸二丙酯、富马酸二丁酯和富马酸甲基丙基酯中的一种或多种。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(1)中的反应需通入N2,通入时间为10~30min;滴加加入丁烯二酸二酯,滴加时间0.5~1h,控制反应温度为25~35℃,滴完后升温至40~60℃,继续反应3~6h。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)中硅烷偶联剂选自含环氧和/或NCO基团的硅烷偶联剂,其中含环氧基硅烷偶联剂优选自2-(3,4-环氧基环己基)乙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油丙基甲基二乙氧基硅烷和γ-缩水甘油丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种,含NCO基团硅烷偶联剂优选为3-异氰酸丙基三乙氧基硅烷。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)中硅烷偶联剂加入量与步骤(1)中多乙烯多胺加入量的摩尔比为(1~n):1,优选摩尔比为n:1,n是天门冬氨酸酯中的重复单元数。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)中滴加加入硅烷偶联剂,滴加时间1~3h,滴加时反应体系温度控制在40℃以下,滴加完成后,恒温50℃反应2~4h,得硅氧烷改性天门冬氨酸酯。
10.根据权利要求1所述的硅烷改性天门冬氨酸酯或权利要求1-9中任一项制备方法制得的硅烷改性天门冬氨酸酯,用于制备硅氧烷改性预聚物或聚脲/聚氨酯涂料树脂。
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