一种具有杂化交联网络的动态聚合物
技术领域
本发明涉及智能材料领域,具体涉及一种包含动态可逆共价键和超分子氢键的具有杂化交联网络的动态聚合物。
背景技术
传统的热塑性聚合物材料为非交联的高分子,在被加热时能发生流动变形,冷却后可以保持一定形状。大多数热塑性聚合物材料在一定温度范围内,具备能反复加热软化和冷却硬化的性能,很容易进行挤出、注射、吹塑和焊接等成型加工。因此,热塑性材料是可以再加工和循环使用的。但另一方面,大量热塑性聚合物材料也因为是非交联结构,容易发生蠕变从而结构稳定性不佳,力学性能也非常有限。通过在热塑性聚合物中引入超分子氢键交联,可以提高材料的力学性能,如热塑性尼龙和聚氨酯材料。但是除了在一定程度上提高力学性能外,氢键通常起到的作用非常有限。
通过在聚合物链之间形成分子间的共价键交联,形成三维无限网络结构,可以获得热固性聚合物材料。热固性聚合物材料具有出色的机械性能、热稳定性和耐化学性。但是,由于热固性材料通过共价键交联成型,只要聚合反应完成,键的断裂将变得十分困难,而且材料的性能也被固定化。所以,传统的热固性材料是不能回收和循环使用的。
如何获得出色的力学性能和结构稳定性,同时又能够自修复、可回收和循环使用,并且具有刺激响应性特别是应力、应变响应性的高分子材料,是当前的一大挑战。利用位阻效应可以削弱羰基的碳原子和相邻氮原子之间形成的化学键,从而产生动态效果。通过此原理,本发明提供了一种基于位阻效应诱导的动态共价键和超分子氢键的具有杂化交联网络的动态聚合物。
发明内容
本发明针对上述背景,提供了一种基于位阻效应诱导的动态共价键和超分子氢键的具有杂化交联网络的动态聚合物。所述的动态聚合物具有极好的动态可逆性,可不需要额外加入催化剂和促进剂等外部添加剂,也可无需光照和高温条件,在一般的温和条件下即可具有良好的动态可逆性,并体现出可重复使用性、可回收性、形状记忆能力以及仿生力学性能。
本发明通过如下技术方案予以实现:
本发明涉及一种具有杂化交联网络的动态聚合物,其特征是:其中包含共价交联和超分子氢键交联;其共价交联网络骨架链上包含有至少一种基于位阻效应诱导的动态共价键,所述基于位阻效应诱导的动态共价键作为动态聚合物的聚合链接点或者交联链接点或者同时作为聚合链接点和交联链接点而存在,是形成/维持动态聚合物共价交联结构的必要条件;所述超分子氢键交联中含有侧氢键基团和/或端基氢键基团参与形成的氢键。
在本发明的实施方式中,所述基于位阻效应诱导的动态共价键,其选自位阻效应诱导的酰胺键、位阻效应诱导的脲键、位阻效应诱导的动态硫脲键等。其特征在于,含有下述通式(1)所示结构,
其中,X选自碳原子、硅原子和氮原子;Z选自氧原子和硫原子。其中,X优选氮原子;Z优选氧原子。
当X为氮原子时,R1存在,R2不存在;且R1选自氢原子、取代原子、取代基;
当X为碳原子、硅原子时,R1、R2存在,且R1和R2各自独立地选自氢原子、取代原子、取代基;其中,R1和R2可以相同,也可以不相同;
其中,Rb即为所述具有位阻效应的大基团;
其中,所述侧氢键基团同时含有氢键受体和氢键供体;
其中,所述氢键基团的受体优选含有下述通式(2)所示的结构至少一种,
其中,A选自氧原子、硫原子;D选自氮原子和CR基团。其中,R选自氢原子、取代原子、取代基。本发明中,A优选氧原子,D优选CR基团;
其中,所述氢键基团的供体含有下述通式(3)所示结构,
在本发明的实施方式中,所述的动态聚合物还可选地含有由骨架氢键基团构成的超分子氢键交联。
在本发明的实施方式中,用于连接动态共价键和/或氢键基团的连接基可以选自杂原子连接基、分子量不超过1000Da的二价或多价小分子烃基、分子量大于1000Da的二价或多价聚合物链残基、分子量不超过1000Da的二价或多价无机小分子链残基、分子量大于1000Da的二价或多价无机大分子链残基中的任一种或任几种。
在本发明的一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第一种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物由两个网络构成(第二种网络结构),其特征在于,第1网络中仅含动态共价交联,其交联度在其凝胶点以上;第2网络中仅含超分子交联,其交联度在其凝胶点以上。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物由两个网络构成(第三种网络结构),其特征在于,第1网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度在其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;第2网络中仅含超分子交联,其交联度在其凝胶点以上。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第四种网络结构),其特征在于,其中仅含有凝胶点以上的动态共价交联,超分子交联度在其凝胶点以下的超分子聚合物分散在动态共价交联网络中。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第五种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;超分子交联度在其凝胶点以下的超分子聚合物分散在动态共价交联网络中。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第六种网络结构),其特征在于,其中仅含有凝胶点以上的动态共价交联,超分子交联度在其凝胶点以上的超分子聚合物以颗粒状态分散在动态共价交联网络中。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第七种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;超分子交联度在其凝胶点以上的超分子聚合物以颗粒状态分散在动态共价交联网络中。
除上述七种杂化网络结构的实施方式外,本发明还可以有其他多种多样的杂化网络结构实施方式,一个实施方式中可以包含两个或其以上相同或不相同的网络,同一个网络中可以包含不同的共价交联和/或不同的超分子氢键交联,其中包括可选的主链骨架氢键基团参与的超分子氢键交联。特殊情况下,动态共价交联网络内的氢键基团本身不能互相形成氢键,需要与额外添加入的其他成分形成氢键。在部分情况下,动态聚合物形成时,其中含有多个动态共价交联网络,一旦基于位阻效应诱导的动态共价键发生了动态交换反应,则多个动态共价交联网络则转化为更少的动态共价交联网络,甚至一个动态共价交联网络。基于位阻效应诱导的动态共价键用于提供动态性能,包括但不限于可塑性和自修复性;氢键作用一方面作为可逆的物理交联为聚合物提供额外的强度,一方面又可以利用其良好的动态性能,赋予应变响应性、超韧性、自修复、形状记忆等性能。本领域的技术人员可以根据本发明的逻辑和脉络,合理有效地实现。
在本发明的实施方式中,一种具有杂化交联网络的动态聚合物,其特征在于,动态聚合物的形态选自普通固体、弹性体、离子液体凝胶、齐聚物溶胀凝胶、增塑剂溶胀凝胶、有机凝胶、水凝胶、泡沫。
在本发明的实施方式中,所述的具有杂化交联网络的动态聚合物,其至少利用以下两种组分制备得到:组分A:羧酸、酰卤、酸酐、活性酯、异氰酸酯、硫代异氰酸酯中的至少一种;组分B:含位阻基团的多胺化合物。
在本发明的实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物,其原料组分中的聚合物链拓扑结构可选自线型、环状、支化、团簇、交联及其组合形式。
在本发明的实施方式中,所述的具有杂化交联网络的动态聚合物及其原料组分,其可以具有一个或多个玻璃化转变温度,也可以没有玻璃化转变温度。对于所述具有杂化交联网络的动态聚合物的玻璃化转变温度,其至少有一个低于0℃、或者处于0-25℃之间、或者处于25-100℃之间、或者高于100℃。
在本发明的实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物,其特征在于,构成动态聚合物的原料组分还包括以下任一种或任两种可添加物:助剂、添加剂、填料;
其中,可添加的助剂、添加剂选自以下任一种或任几种:溶剂、催化剂、引发剂、抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂、增韧剂、偶联剂、润滑剂、脱模剂、增塑剂、抗静电剂、乳化剂、分散剂、着色剂、荧光增白剂、消光剂、阻燃剂、杀菌防霉剂、脱水剂、成核剂、流变剂、增稠剂、触变剂、流平剂、扩链剂、泡沫稳定剂、发泡剂;
其中,可添加的填料选自以下任一种或任几种填料:无机非金属填料、金属填料、有机填料。
在本发明的实施方式中,一种具有杂化交联网络的动态聚合物,其应用于以下制品:自修复性涂层、自修复性板材、自修复性粘结剂、密封材料、韧性材料、储能器件材料、夹层胶、玩具、形状记忆材料。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明的一种具有杂化交联网络的动态聚合物同时含有两种动态元素:基于位阻效应诱导的动态共价键和超分子侧氢键。基于位阻效应诱导的动态共价键通过位阻效应可以削弱羰基(也包含硫羰基)的碳原子和相邻氮原子之间形成的化学键强度,从而使其具有良好的动态效果,其可在无需催化剂、无需高温、光照条件下进行动态聚合物的合成,体现出动态可逆性。基于位阻效应诱导的动态共价键一方面可用于提供材料的共价交联平衡结构,即尺寸稳定性性和抗蠕变性;另一方面在一定条件下可发生动态共价键的交换反应,发生键的断裂和重新生成,但共价交联网络的交联密度基本不变,交联聚合物因此由热固性转变为热塑性,又显示出类玻璃性能,其在加热塑形过程中粘度变化行为类似熔融的玻璃一样符合阿累尼乌斯定律,赋予材料优异的自修复性、可塑性和可回收性,特别是通过简单地加热可以定制成为任意复杂的形状,并且可以随意焊接。此外,同时含有氢键受体和氨基氢键供体的侧氢键基团能够比单纯的羟基或氨基、巯基更加有效地产生氢键作用,氢键作用的环境响应性也更加丰富;其提供的超分子氢键交联作用一方面用于对共价交联进行交联补充,另一方面用于提供基于其超分子弱键特性和动态性的特异性能,可以赋予材料优异的自修复性和形状记忆能力。这在现有的聚合物体系中是无法实现的。
(2)本发明的一种具有杂化交联网络的动态聚合物具有良好的可调控性。通过控制原料的分子结构、分子量等参数,可制备出具有不同表观特征、性能可调、用途广泛的动态聚合物。通过控制共价交联骨架链上基于位阻效应诱导的动态共价键和聚合物链侧基和/或侧链上氢键基团的种类和数目,可以制备动态可逆性强弱不同的动态聚合物。通过控制基于位阻效应诱导的动态共价键和超分子氢键交联两者成分的比例,可以制备出力学强度、自修复性、吸能性等多样性的动态聚合物。通过调整氢键基团中的氢键供体和给体的数量,可以调控所形成氢键的齿数和强度。通过调整侧氢键基团与骨架链之间的链接结构与长度,可以调控聚合物的玻璃化转变温度和氢键的动态性。这在传统的共价交联以及超分子交联体系里面是难以做到的。
具体实施方式
下面,对本发明进行详细说明。
本发明涉及的一种具有杂化交联网络的动态聚合物,其特征是:其中包含动态共价交联和超分子氢键交联;其动态共价交联网络骨架链上包含有至少一种基于位阻效应诱导的动态共价键,所述基于位阻效应诱导的动态共价键作为动态聚合物的聚合链接点或者交联链接点或者同时作为聚合链接点和交联链接点而存在,是形成/维持动态聚合物交联结构的必要条件;所述超分子氢键交联含有侧基氢键、侧链骨架氢键、侧链端基氢键、主链端基氢键、其他端基氢键中的至少一种参与形成的氢键。
本发明中所述的“聚合”为链的增长过程/作用,也即通过分子间反应形成直链、支化、环状结构的聚合物。由一种反应物进行聚合得到的产物称为均聚物。由两种或两种以上反应物进行聚合得到的产物称为共聚物。
本发明中所述的“交联”特指形成三维无限网络结构聚合物的过程/作用,可以理解为上述聚合的一种特殊情况。一般情况下,在交联过程中,聚合物链在二维/三维方向不断增长,逐步形成团簇(可以是二维或者三维),再发展为三维无限网络。当交联过程中,初次达到一个三维无限网络的反应点称为凝胶点(渗滤阈值)。除非特别说明,本发明中的交联结构为凝胶点以上的三维无限网络结构,非交联结构包括交联度为零的线型和非线型结构以及凝胶点以下的二维/三维团簇结构。
根据本发明的实施方式,交联作用同时采用动态共价形式(结构)和超分子形式(结构)。其中所述动态共价交联网络骨架链上包含有至少一种基于位阻效应诱导的动态共价键;其中所述超分子交联形式为氢键交联。因此,所述聚合物网络称为“杂化交联网络”。没有特别指明的情况下,本发明中的“网络”,指“交联网络”。
在本发明的实施方式中,同一个体系中的基于位阻效应诱导的动态共价键共价交联可以有一种或者一种以上,即可以采用任意合适的动态共价交联拓扑结构、化学结构、反应方式及其组合等,但动态共价键是形成/维持动态聚合物动态共价交联结构的必要条件。在本发明的实施方式中,一个体系中的交联网络至少有一个,即可以是单一一个网络,也可以有相互共混的多个网络,也可以有互穿的多个网络,也可以同时存在共混和互穿,等等。其中,两个或多个网络可以相同或不同;可以是部分网络仅包含有动态共价交联和部分网络仅包含超分子氢键交联的组合,或者是部分仅包含有动态共价交联和部分同时包含动态共价交联和超分子氢键交联的组合,或者是部分仅包含超分子氢键交联和部分同时包含动态共价交联和超分子氢键交联的组合,或者是各个网络中都同时包含有动态共价交联和超分子氢键交联,但本发明不仅限于此;而且在本发明的实施方式中,所述动态共价交联必须在至少一个网络中达到动态共价交联的凝胶点以上。当存在多个网络时,不同网络之间可以有相互作用,也即超分子作用,也可以相互独立;而且除至少一个网络的动态共价交联必须达到动态共价交联的凝胶点以上外,其他网络的交联(包括动态共价交联和超分子氢键交联之和)可以在凝胶点以上也可以在凝胶点以下,优选在凝胶点以上。
在本发明的实施方式中,除存在至少一种基于位阻效应诱导的动态共价键外,还存在常规共价键。所述“常规共价键”是指,在通常温度下(一般不高于100℃)且在通常时间内(一般小于1天)不可能发生断裂的化学键,包括但不限于碳碳单键、醚键、碳氮键等。所述“基于位阻效应诱导的动态共价键”是指,通过位阻效应可以削弱羰基(也包含硫羰基)的碳原子和相邻氮原子之间形成的化学键强度,从而具有动态效果的一种共价键。
在本发明的实施方式中,所述基于位阻效应诱导的动态共价键作为动态聚合物的聚合链接点或者交联链接点或者同时作为聚合链接点和交联链接点而存在,是形成/维持动态聚合物动态共价交联结构的必要条件,也即,若部分或全部所述基于位阻效应诱导的动态共价键发生非再生性解离,则所述杂化交联网络动态聚合物将解离为单体、聚合物链片段、二维/三维团簇、交联的颗粒中的一种或多种,也即动态共价交联网络将发生降解。在本发明中,除非采用特定的方法使得所述基于位阻效应诱导的动态共价键发生非再生性解离,否则动态共价交联网络不会发生降解性变化。此外,不排除基于位阻效应诱导的动态共价键存在于非动态共价交联的链骨架或侧基/侧链/端基等位置上。
在本发明的实施方式中,所述基于位阻效应诱导的动态共价键,其选自位阻效应诱导的酰胺键、位阻效应诱导的脲键、位阻效应诱导的动态硫脲键等,其特征在于,含有下述通式(1)所示结构,
其中,X选自碳原子、硅原子和氮原子;Z选自氧原子和硫原子。其中,X优选氮原子;Z优选氧原子。
当X为氮原子时,R1存在,R2不存在;且R1选自氢原子、取代原子、取代基;
当X为碳原子、硅原子时,R1、R2存在,且R1和R2各自独立地选自氢原子、取代原子、取代基;其中,R1和R2可以相同,也可以不相同。
其中,Rb即为所述具有位阻效应的大基团。所述“具有位阻效应的大基团”是指,该基团Rb位于N原子上,并可以削弱羰基的碳原子和相邻氮原子之间形成的化学键强度,从而使得这种碳-氮键具有动态共价键的性质。需要指出的是,“具有位阻效应的大基团”并非越大越好,而是大小适中,并使得碳-氮键具有动态可逆性。
Rb的结构没有特别限制,包括但不限于直链结构、含侧基的支链结构或含环状结构。其中,环状结构没有特别限制,优选为脂肪族环、芳香族环、糖环、缩合环。Rb可以含有杂原子,也可以不含杂原子。
具体地,具有位阻效应的大基团Rb选自包括但不限于异丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基、烯丙基、丙烯基、乙烯基、甲基苯基、丁基苯基、苄基、取代的C3-20烷基、取代的C3-20烯基、取代的芳烃基、取代的C3-20脂杂烃基、取代的杂芳烃基等中任一种原子或基团。
Rb进一步优选为异丙基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基、烯丙基、三苯甲基、苄基、甲基苄基、硝基苄基、C3-10卤代烃基、卤代苄基、硝基苯基、硝基苄基等中任一种基团或任一种基团的被取代形式。
Rb更优选为异丙基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基、苄基、甲基苄基等中任一种基团。
Rb最优选为叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、环戊基、环己基、苄基、甲基苄基。
上述所述基团如有异构体,则包含其所有异构体。例如,辛基包括但不限于正辛基、2-乙基己基、2-丙基戊基等。
在本发明中,“骨架”指的是聚合物链的链长方向上结构。对交联聚合物而言,所述的“主链”,指的是存在于交联网络骨架中的任意链段。对非交联结构的聚合物而言,所述的“主链”,如非特别说明,指的是链节最多的链。其中,所述的“侧链”,指的是同聚合物主链相连接而分布在主链旁侧的链结构;其中,所述的“支链”/“分叉链”可以是侧链也可以是其他从任意链分叉出来的链结构。其中,所述的“侧基”,指的是同聚合物任意链相连接而分布在链旁侧的化学基团。其中,所述的“端基”,指的是同聚合物任意链相连接而位于链末端的化学基团。如非特别说明,侧基特指连接在聚合物链骨架旁侧的分子量不超过1000Da的基团及其中的亚基团。当侧链、支链、分叉链的分子量不超过1000Da时,其本身及其上的基团视为侧基。为简单起见,如非特别说明,侧链、支链和分叉链则统一称为侧链。上述“侧链”、“侧基”,其可具有多级结构,也即侧链/侧基可以继续带有侧链/侧基,侧链/侧基的侧链/侧基可以继续有侧链/侧基。本发明中,对于超支化和树枝状链及其相关的链结构,最外围的聚合物链段可以视为侧链,其余部分可以视为主链。如未特别说明,侧基/侧链也可以是星状或环状等特殊结构。
在本发明的实施方式中,除在动态共价交联网络骨架链上含有至少一种基于位阻效应诱导的动态共价键外,在动态共价交联网络骨架链的侧基和/或侧链以及非交联的聚合物链等任意合适的位置均可以存在所述的位阻效应诱导的动态共价键。
在本发明的实施方式中,超分子氢键交联含有侧氢键和/或端基氢键参与形成的氢键,也即其中含有选自侧基氢键、侧链骨架氢键、侧链端基氢键、主链端基氢键、其他端基氢键中的至少一种参与形成的氢键。此外,还可选地存在聚合物主链骨架上的氢键基团(主链骨架氢键基团)参与形成所述的超分子氢键交联。所述的骨架氢键基团,是指该基团中的至少一个原子直接参与构建所述的聚合物链骨架,包括聚合物主链、侧链、支链、分叉链的骨架;所述的侧基氢键基团,是指该基团上的所有原子均在侧基上;所述的端基氢键基团,是指该基团上的所有原子均在端基上;其他端基氢键基团是指专门用于形成所述动态聚合物的所述氢键作用的小分子、表面有机改性的纳米颗粒等成分中的端基氢键基团。
在本发明的实施方式中,优选所述的动态聚合物含有侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团、侧链端基氢键基团、主链端基氢键、其他端基氢键基团中的至少一种,并可选地含有主链骨架氢键基团。作为例子,在本发明的一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团和侧链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键和侧链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链端基氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链骨架氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧链骨架氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物仅含有主链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链端基氢键基团和侧链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链端基氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团、侧链端基氢键基团和主链端基氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中仅含有侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团、侧链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中含有侧基氢键基团、侧链端基氢键基团、侧链端基氢键基团、主链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;在本发明的另一种优选实施方式中,所述动态聚合物中含有侧基氢键基团、侧链端基氢键基团、侧链骨架氢键基团、主链端基氢键基团和主链骨架氢键基团;但本发明不仅限于此。
在本发明的实施方式中,由于部分氢键不具有方向性和选择性,在特定情况下,不同位置的氢键基团之间可以形成氢键作用,位于相同或不同聚合物分子中相同或不同位置的氢键基团之间均可以相互之间形成氢键作用,还可以与聚合物中的其他成分如可选的其他聚合物分子、填料、小分子等所含有的氢键基团之间形成氢键作用。在本发明中,除形成链间交联外,还可以形成链内环。需要指出的是,本发明中不排除部分所形成的氢键作用既不形成链间交联作用,也不形成链内环,仅形成非交联性聚合、接枝等作用。在本发明的实施方式中,优选侧基氢键基团、侧链骨架氢键基团、侧链端基氢键基团、主链端基氢键基团、其他端基氢键基团中的至少一种在各自同一种氢键基团之间形成链间交联和/或至少两种不同种的氢键基团之间形成链间交联;还可选地与主链骨架氢键基团之间形成链间交联,同时还可选地存在主链骨架氢键基团之间的氢键。作为例子,在本发明的一种实施方式中,优选侧基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧链骨架氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧链端基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧基氢键基团与侧链骨架氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧基氢键基团与侧链端基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧链端基氢键基团与侧链骨架氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧基氢键基团与主链端基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧链端基氢键基团与主链端基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧链骨架氢键基团与主链端基氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧基氢键基团、侧链端基氢键基团与侧链骨架氢键基团之间形成链间交联;在本发明的另一种实施方式中,优选侧基氢键基团、侧链端基氢键基团与主链端基氢键基团之间形成链间交联;但本发明不仅限于此。
所述骨架氢键基团可以是在聚合物聚合/交联过程中生成,也即通过形成所述氢键基团而产生聚合/交联;也可以是预先生成再进行聚合/交联;优选在聚合物聚合/交联过程中生成。骨架氢键基团一般数量比较有限且不易控制。所述侧氢键基团/端基氢键基团可以在聚合/交联之前、之后或过程中生成,之前或者之后生成的数量可以比较自由地控制。而且侧氢键基团和端基氢键基团通常空间自由度更高,迁移能力更强,更加有利于获得超分子动态性。
在本发明中,所述超分子氢键是由氢键基团的供体(D,也就是氢原子)和受体(A,也就是接受氢原子的电负性原子)构成非共价键合作用,每个D-A组合为一齿(如下式所示,分别列举了一齿、二齿和三齿氢键基团的氢键成键情况)。
一齿、二齿和三齿氢键的成键情况可具体举例如下:
本发明中所述氢键基团的受体优选含有下述通式(2)所示的结构至少一种,
其中A选自氧原子、硫原子;D选自氮原子和CR基团。其中,R选自氢原子、取代原子、取代基。本发明中,A优选氧原子,D优选CR基团。
作为取代基时,R的碳原子数没有特别限制,优选碳原子数为1~20,更优选为1~10。
作为取代基时,R的结构没有特别限制,包括但不限于直链结构、含侧基的支链结构或环状结构。其中,环状结构没有特别限制,可选自脂肪族环、芳香族环、糖环、缩合环,优选脂肪族环。
作为取代基时,R可以含有杂原子,也可以不含杂原子。
R选自氢原子、卤素原子、C1-20烃基、C1-20杂烃基、取代的C1-20烃基或取代的杂烃基。其中,R中的取代原子或取代基没有特别限制,选自卤素原子、烃基取代基、含杂原子的取代基中任一种。
R更优选为氢原子、卤素原子、C1-20烷基、C1-20烯基、芳基、芳烃基、C1-20脂杂烃基、杂芳基、杂芳烃基、C1-20烷氧基酰基、芳基氧基酰基、C1-20烷基硫基酰基、芳基硫基酰基中任一种原子或基团,或任一种基团的被取代形式。
具体地,R选自包括但不限于氢原子、氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、甲基、乙基、正丙基、异丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十三烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基、二十烷基、烯丙基、丙烯基、乙烯基、苯基、甲基苯基、丁基苯基、苄基、甲氧基羰基、乙氧基羰基、苯氧基羰基、苄氧基羰基、甲硫基羰基、乙硫基羰基、苯硫基羰基、苄硫基羰基、乙氨基羰基、苄氨基羰基、甲氧基硫代羰基、乙氧基硫代羰基、苯氧基硫代羰基、苄氧基硫代羰基、甲硫基硫代羰基、乙硫基硫代羰基、苯硫基硫代羰基、苄硫基硫代羰基、乙氨基硫代羰基、苄氨基硫代羰基、取代的C1-20烷基、取代的C1-20烯基、取代的芳基、取代的芳烃基、取代的C1-20脂杂烃基、取代的杂芳基、取代的杂芳烃基、取代的C1-20烷氧基羰基、取代的芳基氧基羰基、取代的C1-20烷基硫基羰基、取代的芳基硫基羰基取代的C1-20烷氧基硫代羰基、取代的芳基氧基硫代羰基、取代的C1-20烷基硫基硫代羰基、取代的芳基硫基硫代羰基等中任一种原子或基团。其中,丁基包括但不限于正丁基、叔丁基。辛基包括但不限于正辛基、2-乙基己基。其中,取代原子或取代基选自卤素原子、烃基取代基、含杂原子的取代基中任一种。
本发明中所述氢键基团的供体优选含有下述通式(3)所示的结构,
通式(2)和(3)所示的结构可以是侧基、端基、直链结构、含侧基的支链结构,也可以形成环状结构等。其中,所述环状结构可以为单环结构、多环结构、螺环结构、稠环结构、桥环结构、嵌套环结构等。
在本发明的实施方式中,所述侧基氢键基团、侧链骨架氢键、侧链端基氢键基团、主链端基氢键基团、其他端基氢键基团中的至少一种基团优选同时含有通式(2)和(3)的结构单元。在本发明的实施方式中,优选所述侧基氢键基团、侧链骨架氢键、侧链端基氢键基团形成不超过四齿的氢键。由于齿数越多氢键作用越强,通常不超过四齿的氢键,其动态性较好,本发明的侧基/侧链因此可以有效提供足够动态性的氢键交联。根据本发明的实施效果,侧氢键基团优选自酰胺基、氨基甲酸酯基、硫代氨基甲酸酯基、脲基、吡唑、咪唑、咪唑啉、三唑、嘌呤、卟啉以及它们的衍生物。
作为例子,所述侧基氢键基团/端基氢键基团可以举出如下结构,但本发明不仅限于此。
其中m、n为重复单元的数量,可以是固定值,也可以是平均值,优选低于20,更优选低于5。在本发明中,同一种聚合物中可以含有超过一种的上述侧氢键基团,同一个网络中也可以含有超过一种的上述侧氢键基团。对可以导入所述侧氢键基团的化合物并无特别限定,对应形成所述基团的反应类型和方式等亦无特别限定。优选如下反应,异氰酸酯与氨基、羟基、巯基、羧基的反应,琥珀酰亚胺酯与氨基、羟基、巯基的反应。
在本发明中,所述侧氢键基团可以通过调整氢键受体和供体的数量控制形成氢键的齿数和强弱/动态性;基于同时存在的受体和氨基供体,所形成的氢键具有更加丰富的环境响应性;所形成的氢键也能够对聚合物的玻璃化转变温度产生更多的影响,特别是通过调整氢键的齿数、结合体尺寸、与聚合物链的链接的长度和柔性等。
在本发明的实施方式中,所述主链骨架氢键基团可以是能够形成任意齿数的氢键基团;一个氢键基团内同时有氢键受体和氢键供体;也可以是部分氢键基团含有氢键供体,另外部分氢键基团含有氢键受体;优选同时含有受体和供体。
在本发明的实施方式中,所述侧链骨架氢键基团和可选的主链骨架氢键基团,作为例子,可以举出如下结构,但本发明不仅限于此。
在本发明的实施方式中,形成氢键作用的氢键基团既可以是不同氢键基团间的互补型组合,也可以是同种氢键基团间的自互补型组合,只要基团间能够形成合适的氢键作用即可。一些氢键基团的组合可以举例如下,但本发明不仅限于此:
在本发明中,所述侧基氢键基团、侧链骨架氢键、侧链端基氢键基团、主链端基氢键基团、其他端基氢键基团除上述结构外,还可选自羟基、氨基、仲氨基等。
在本发明的实施方式中,用于连接动态共价键和/或氢键基团的连接基可以选自杂原子连接基、分子量不超过1000Da的二价或多价小分子烃基、分子量大于1000Da的二价或多价聚合物链残基、分子量不超过1000Da的二价或多价无机小分子链残基、分子量大于1000Da的二价或多价无机大分子链残基中的任一种或任几种。
其中,所述的杂原子连接基,其可以是任意合适的含有杂原子的连接基团,其可选自以下任一种或任几种的组合:醚基、硫基、羰基、砜基、酰胺基、碳酸酯基、氨基甲酸酯基、脲基、二价胺基、三价胺基、二价硅基、三价硅基、四价硅基、二价磷基、三价磷基、二价硼基、三价硼基。
其中,所述的分子量不超过1000Da的小分子烃基,其一般含有1到71个碳原子,其可含有杂原子基团,也可不含有杂原子基团。概括地讲,所述的小分子烃基可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式及其组合:C1-71烷基、环C3-71烷基、苯基、苄基、芳烃基;小分子烃基优选为甲基、乙基、丙基、丙烯、丁基、丁烯、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、环己基、苯基;更优选为甲基、乙基、丙基、苯基,其中,小分子烃基也可选自液晶链段。
其中,所述的分子量大于1000Da的聚合物链残基,其可为任意合适的聚合物链残基,包括但不仅限于碳链聚合物残基、碳杂链聚合物残基、元素有机聚合物残基及其组合。其中,聚合物可为均聚物,也可为任几种单体、低聚物或聚合物组成的共聚物;聚合物链可为柔性链,也可为刚性链。
其中,所述的碳链聚合物残基,其可以是任意合适的大分子主链主要由碳原子构成的聚合物残基,其可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式及其组合:聚烯烃类链残基,如聚乙烯链残基、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、聚醋酸乙烯酯链残基、聚乙烯基烷基醚链残基、聚丁二烯链残基、聚异戊二烯链残基、聚氯丁二烯链残基、聚降冰片烯链残基、聚乙烯醇残基等;聚丙烯酸类链残基,如聚丙烯酸链残基、聚丙烯酰胺链残基、聚丙烯酸甲酯链残基、聚甲基丙烯酸甲酯链残基等;聚丙烯腈类链残基,如聚丙烯腈链残基等;优选聚乙烯链残基、聚丙烯链残基、聚苯乙烯链残基、聚氯乙烯链残基、聚丁二烯链残基、聚异戊二烯链残基、聚丙烯酸链残基、聚丙烯酰胺链残基、聚丙烯腈链残基。
所述的碳杂链聚合物残基,其可以是任意合适的大分子主链主要由碳原子和氮、氧、硫等杂原子构成的聚合物残基,其可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式及其组合:聚醚类链残基,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、环氧树脂链残基、酚醛树脂链残基、聚苯醚链残基等;聚酯类链残基,如聚己内酯链残基、聚戊内酯链残基、聚丙交酯链残基、聚对苯二甲酸乙二醇酯链残基、不饱和聚酯链残基、醇酸树脂链残基、聚碳酸酯链残基、生物聚酯链残基、液晶聚酯链残基等;聚胺类链残基,如聚酰胺链残基、聚酰亚胺链残基、聚氨酯链残基、聚脲链残基、聚硫代氨基甲酸酯链残基、脲醛树脂链残基、蜜胺树脂链残基、液晶聚合物链残基等;聚硫类链残基,如聚砜链残基、聚苯硫醚链残基等;优选聚环氧乙烷链残基、聚四氢呋喃链残基、环氧树脂链残基、聚己内酯链残基、聚丙交酯链残基、聚酰胺链残基、聚氨酯链残基、聚脲链残基。
所述的元素有机聚合物残基,其可以是任意合适的大分子主链主要由硅、硼、铝等无机元素杂原子和可选的氮、氧、硫、磷等杂原子构成的聚合物残基,其可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式及其组合:有机硅类聚合物链残基,如聚有机硅烷链残基、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;有机硼类聚合物链残基,如聚有机硼烷链残基、聚有机硼氮烷链残基、聚有机硼硫烷链残基、聚有机硼磷烷链残基等;有机磷类聚合物链残基;有机铅类聚合物链残基;有机锡类聚合物链残基;有机砷类聚合物链残基;有机锑类聚合物链残基;优选聚有机硅烷链残基、聚有机硅氧烷链残基、聚有机硼烷链残基。
所述的分子量不超过1000Da的无机小分子链残基,其可以是任意合适的分子主链和侧链均主要由硅、硼、铝等无机元素杂原子和氮、氧、硫、磷等杂原子构成的无机小分子链残基,概括地讲,所述的无机小分子链残基可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式:硅烷链残基、硅氧化合物链残基、硫硅化合物链残基、硫氮化合物链残基、磷腈化合物链残基、磷氧化合物链残基、硼烷链残基、硼氧化合物链残基;优选硅烷链残基、硅氧化合物链残基、磷腈化合物链残基、硼烷链残基。
所述的分子量大于1000Da的无机大分子链残基,其可以是任意合适的大分子主链和侧链均主要由硅、硼、铝等无机元素杂原子和氮、氧、硫、磷等杂原子构成的无机大分子链残基,其可选自以下组中任一种、任一种的不饱和形式、任一种的被取代形式、任一种的被杂化形式及其组合:聚硅烷链残基、聚硅氧烷链残基、聚硫硅链残基、聚硫氮链残基、聚磷酸链残基、聚磷腈链残基、聚氯代磷腈链残基、聚硼烷链残基;优选聚硅烷链残基、聚硅氧烷链残基、聚磷腈链残基、聚硼烷链残基。
对于用于连接动态共价键和/或氢键基团的连接基的拓扑结构并未作特别限定,其可以是直链型、支链型、多臂结构型、星型、H型、梳型、树枝型、单环型、多环型、螺环型、稠环型、桥环型、带环状结构的链型、二维和三维团簇型及其组合。在本发明中,甚至不排除使用交联的聚合物颗粒进行进一步聚合/交联等反应和连接。连接基的拓扑结构优选为直链型、支链型、星型、梳型、树枝型、二维和三维团簇型,更优选为直链型、支链型。对于直链型、支链型结构的连接基,其分子链运动能垒低,分子链运动能力强,有利于加工成型,并能够使得聚合物体现出快速自修复性和灵敏的应变响应能力,能够获得具有快速自修复、可回收重复使用特性以及良好的加工性能的动态聚合物。对于二维和三维团簇型结构的连接基,其拓扑结构较为稳定,能够为动态聚合物提供较为良好的力学性能、热稳定性、耐溶剂性及抗蠕变性。
在本发明的一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第一种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下。本实施方式中,含有位阻效应诱导的动态共价键的动态共价交联用于提供平衡结构,其中的位阻效应诱导的动态共价键提供动态共价动态性;侧氢键基团和/或端基氢键基团形成的氢键作用提供额外的交联和超分子动态性。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物由两个网络构成(第二种网络结构),其特征在于,第1网络中仅含动态共价交联,其交联度在其凝胶点以上;第2网络中仅含超分子交联,其交联度在其凝胶点以上。该网络结构中,通过第1网络中的动态共价交联保持平衡结构和共价动态性,通过第2网络中的超分子氢键交联提供超分子动态性。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物由两个网络构成(第三种网络结构),其特征在于,第1网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度在其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;第2网络中仅含超分子交联,其交联度在其凝胶点以上。该网络结构中,通过两个网络的互穿等结合方式,可以更好地发挥综合效能;并且可以采用两个网络中的超分子交联提供协同或正交的动态性。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第四种网络结构),其特征在于,其中仅含有凝胶点以上的动态共价交联,超分子交联度在其凝胶点以下的超分子聚合物分散在动态共价交联网络中。该网络结构中,动态共价交联可以保持平衡结构,在特定的条件下,动态共价交联也可提供动态性;分散在其中的超分子聚合物提供动态性,特别是应变响应性。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第五种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;超分子交联度在其凝胶点以下的超分子聚合物分散在动态共价交联网络中。该网络结构中,动态共价交联可以保持平衡结构,在特定的条件下,动态共价交联也可提供动态性;超分子交联提供动态性,分散在其中的超分子聚合物提供补充动态性,特别是应变响应性。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第六种网络结构),其特征在于,其中仅含有凝胶点以上的动态共价交联,超分子交联度在其凝胶点以上的超分子聚合物以颗粒状态分散在动态共价交联网络中。该网络结构中,动态共价交联可以保持平衡结构,在特定的条件下,动态共价交联也可提供动态性;超分子聚合物颗粒提供填充和动态性,在应变响应时可以获得局部的粘度和强度增加。
在本发明的另一个实施方式中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络(第七种网络结构),其特征在于,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下;超分子交联度在其凝胶点以上的超分子聚合物以颗粒状态分散在动态共价交联网络中。该网络结构中,动态共价交联可以保持平衡结构,在特定的条件下,动态共价交联也可提供动态性;超分子交联提供动态性,超分子聚合物颗粒提供填充和补充动态性,并在应变响应时可以获得局部的粘度和强度增加。
除上述七种杂化网络结构的实施方式外,本发明还可以有其他多种多样的杂化网络结构实施方式,一个实施方式中可以包含两个或其以上相同或不相同的网络,同一个网络中可以包含不同的共价交联和/或不同的超分子氢键交联,其中包括可选的主链骨架氢键基团参与的超分子氢键交联。特殊情况下,动态共价交联网络内的氢键基团本身不能互相形成氢键,需要与额外添加入的其他成分形成氢键。在部分情况下,动态聚合物形成时,其中含有多个动态共价交联网络,一旦基于位阻效应诱导的动态共价键发生了动态交换反应,则多个动态共价交联网络则转化为更少的动态共价交联网络,甚至一个动态共价交联网络。基于位阻效应诱导的动态共价键用于提供动态性能,包括但不限于可塑性和自修复性;氢键作用一方面作为可逆的物理交联为聚合物提供额外的强度,一方面又可以利用其良好的动态性能,赋予应变响应性、超韧性、自修复、形状记忆等性能。本领域的技术人员可以根据本发明的逻辑和脉络,合理有效地实现。
本发明的实施方式中,动态共价交联可以采用任意合适的反应,包括但不仅限于以下类型:异氰酸酯与氨基的反应,羧酸、酰卤、酸酐、活性酯与氨基的反应,丙烯酸酯自由基反应,丙烯酰胺自由基反应,双键自由基反应,酚醛反应,叠氮-炔点击反应,巯基-双键/炔点击反应,四嗪-降冰片烯反应,硅羟基缩合反应;优选异氰酸酯与氨基的反应,酰卤、酸酐与氨基的反应,丙烯酸酯自由基反应,丙烯酰胺自由基反应,双键自由基反应。在任何一个网络结构中,动态共价交联可以有一个或其以上的反应类型、反应手段和结构。优选反应温度不超过100℃,更优选不超过60℃,更优选不超过25℃,最优选无需加热的反应,这样的反应工艺简便、速度快、灵活。
本发明中用于形成可逆动态交联的基于位阻效应诱导的动态共价键基团的生成或引入,可以在动态共价交联之前、之后或者过程中进行。在本发明的实施方式中,优选动态共价交联的同时生成该动态共价键。基于位阻效应诱导的动态共价键可选自位阻效应诱导的动态酰胺键、位阻效应诱导的动态脲键、位阻效应诱导的动态硫脲键以及以上基团的衍生物,其生成或引入可以采用任意合适的反应,包括但不仅限于以下类型:羧酸、酰卤、酸酐、活性酯与氨基的反应,异氰酸酯与氨基的反应。
在本发明的实施方式中,所述的具有杂化交联网络的动态聚合物,其至少利用以下两种组分制备得到:组分A:羧酸、酰卤、酸酐、活性酯、异氰酸酯、硫代异氰酸酯中的至少一种;组分B:含位阻基团的多胺化合物。
其中,所述的位阻效应诱导的动态酰胺键由羧酸、酰卤、酸酐、活性酯化合物与含位阻基团的多胺化合物反应而成。其中,优选采用羧酸和/或酰卤化合物与含位阻基团的多胺化合物的反应;更优选采用酰卤化合物与含位阻基团的多胺化合物的反应。
其中,所述的位阻效应诱导的动态脲键由异氰酸酯化合物与含位阻基团的多胺化合物反应而成。
其中,所述的位阻效应诱导的动态硫脲键由硫代异氰酸酯化合物与含位阻基团的多胺化合物反应而成。
本发明中,用于制备所述位阻效应诱导的动态酰胺键的羧酸,包括小分子、低聚物和高分子羧酸,可以列举出例如,具有饱和或不饱和的烃基的有机酸,该烃基可以是脂肪族、脂环族、芳香族等中的任一种。
作为羧酸,具体可列举出,丙二酸、马来酸、琥珀酸、草酰乙酸、二甲基丙二酸、异丙基丙二酸、苄基丙二酸、1,1-环氧基二羧酸、1,1-环丁基二羧酸、二丁基丙二酸、乙基(1-甲基丙基)丙二酸、乙基(1-甲基丁基)丙二酸、乙基(异戊基)丙二酸、苯基丙二酸、2,2-二甲基丁二酸、戊二酸、2-氧代戊二酸、3-氧代戊二酸、5-降冰片烯-内-2,3-二羧酸、1,4-环己二羧酸、1,3-环己二酸、1,2-环己二酸、吡咯烷-3,4-二羧酸、樟脑酸、氯菌酸、环酸、5-甲基间苯二酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、4-甲基-1,2-苯二羧酸、4-氯邻苯二酸、3,4-吡啶二羧酸、2,3-吡啶二羧酸、2,4-吡啶二羧酸、3,5-吡啶二羧酸、2,6-吡啶二羧酸、2,4-二甲基吡咯-3,5-二羧酸、吡啶-2,3-二羧酸、5-甲基吡啶-2,3-二羧酸、5-乙基吡啶-2,3-二羧酸、5-甲氧基甲基-2,3-吡啶二羧酸、4,5-哒嗪二羧酸、2,3-吡嗪二羧酸、5-甲基吡嗪-2,3-二羧酸、4,5-咪唑二羧酸、2-丙基咪唑二羧酸、2-丙基咪唑二羧酸、联苯二甲酸、4,4'-二苯乙烯二羧酸、2,7-萘二羧酸、4,4'-二苯醚二甲酸、2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸、2,2'-联吡啶-3,3'-二羧酸、4-吡喃酮-2,6-二羧酸、邻苯二酚-O,O'-二乙酸、噻吩-2,3-二羧酸、2,5-噻吩二羧酸、2,5-二羧酸-3,4-乙撑二氧噻吩、1,3-丙酮二羧酸、亚甲基丁二酸、2-甲基-2-丁烯二酸(柠康酸和中康酸)、1,3-丁二烯-1,4-二羧酸、丁炔二酸、降冰片烯-2,3-二羧酸(双环[2.2.1]庚-5-烯-2,3-二羧酸)、双环[2.2.1]庚-2-烯-2,3-二羧酸、二甘醇酸、二硫醇二羟基乙酸、苹果酸、酒石酸、2,3-二巯基丁二酸、2,3-二溴丁二酸、吡唑解草酸、4,4'-二氯-2,2'-二羧基联苯、4,4'-二溴-2,2'-二羧基联苯、葡萄糖二酸、蔗糖酸、双羟萘酸、2-溴丁二酸、2-巯基丁二酸、1,3-金刚烷二羧酸、2,6-二甲基-1,4-二氢-3,5-吡啶二羧酸、羰基丙二酸、乙氧基甲叉丙二酸、3,3'-二硫代二丙酸、乙酰基丙二酸等。上述结构包括顺式、反式、D型、L型等各种异构形式,例如苹果酸包括D型和L型。
作为酰卤,酰卤可由羧酸与无机酸的酰卤与三氯化磷、五氯化磷、亚硫酰氯作用制得。其中,卤原子优选氯或溴原子。以酰氯为例,具体可列举出,草酰氯、丙二酰氯、丁二酰氯、戊二酰氯、己二酰氯、富马酰氯、二乙二醇双氯甲酸酯、邻苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、3,6-内亚甲基-1,2,3,6-四氢邻苯二甲酰氯。二磺酰氯化合物,具体可列举出,4,4'-氧双苯磺酰氯、甲基二氯磺酸酯。
作为酸酐,具体可列举出,丙酸酐、琥珀酸酐、马来酸酐、戊二酸酐、己二酸酐、邻苯二甲酸酐、苯甲酸酐、乙酸苯甲酸酐、4-甲基六氢苯酐、2,2-二甲基琥珀酸酐、环戊烷-1,1-二乙酸酐、1,1-环己基二乙酸酐、2-亚甲基丁二酸酐、卡龙酸酐、环丁烷-1,2-二甲酸酐、六氢邻苯二甲酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、1,2,3,6-四氢苯酐、1,2,5,6-四氢苯酐、3-甲基四氢苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、柠康酸酐、2,3-二甲基马来酸酐、2,3-二氯马来酸酐、3,4,5,6-四氢苯酐、3-甲基邻苯二甲酸酐、4-叔丁基邻苯二甲酸酐、1,8-萘二甲酸酐、2,2'-联苯二甲酸酐、4-氟邻苯二甲酸酐、3-氟邻苯二甲酸酐、4-溴邻苯二甲酸酐、4-氯邻苯二甲酸酐、3,6-二氯邻苯二甲酸酐、3-硝基邻苯二甲酸酐、4-硝基邻苯二甲酸酐、4-溴-1,8-萘二甲酸酐、4,5-二氯-1,8-萘二甲酸酐、4-硝基-1,8-萘二甲酸酐、降冰片烯二酸酐、甲基内亚甲基四氢苯酐、靛红酸酐、2,3-吡啶二羧酸酐、2,3-吡嗪二酸酐、苯并噻吨二羧酸酐等的酸酐。
作为活性酯,具体可列举出,乙二酸酯、丙二酸酯、甲基丙二酸酯、乙基丙二酸酯、丁基丙二酸酯、丁二酸酯、2-甲基丁二酸酯、2,2-二甲基丁二酸酯、2-乙基-2-甲基-丁二酸酯、2,3-二甲基丁二酸酯、戊二酸酯、2-甲基戊二酸酯、3-甲基戊二酸酯、2,2-二甲基戊二酸酯、2,3-二甲基戊二酸酯、3,3-二甲基戊二酸酯、己二酸酯、庚二酸酯、辛二酸酯、壬二酸酯、癸二酸酯、马来酸酯、富马酸酯、多肽酸酯、聚氨基酸酯等的脂肪族酸的酯,特别是其琥珀酰亚胺酯;邻苯二甲酸酯、间苯二甲酸酯、对苯二甲酸酯、间氨基苯甲酸乙酯、对羟基苯甲酸甲酯等的芳香族酸的酯,特别是其琥珀酰亚胺酯。
在本发明的实施方式中,用于制备所述位阻效应诱导的动态脲键/硫脲键的异氰酸酯/硫代异氰酸酯化合物包括但不限于小分子、齐聚物和高分子异氰酸酯/硫代异氰酸酯化合物。只要是具有2个或2个以上的异氰酸酯/硫代异氰酸酯的化合物,那么对其分子量和骨架等就没有特别限制,具体可以列举出例如以下所举。
作为小分子异氰酸酯,包括但不限于,甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、多亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI)、液化MDI、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、萘二异氰酸酯(NDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)、二甲基联苯二异氰酸酯(TODI)、1,4-环己烷二异氰酸酯(CHDI)、四甲基间苯二亚甲基二异氰酸酯(m-TMXDI)、三甲基-1,6-六亚甲基二异氰酸酯(TMHDI)、环己烷二亚甲基二异氰酸酯(HXDI)、降冰片烷二异氰酸酯(NBDI)、TDI二聚体、三苯基甲烷三异氰酸酯(TTI)、4,4’,4”-硫代磷酸三苯基三异氰酸酯(TPTI)、HDI三聚体、IPDI三聚体、TDI三聚体、MDI三聚体、TDI-TMP加成物等。在本发明的实施方式中,优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、1,4-环己烷二异氰酸酯(CHDI)、三甲基-1,6-六亚甲基二异氰酸酯(TMHDI)、环己烷二亚甲基二异氰酸酯(HXDI)、降冰片烷二异氰酸酯(NBDI)。
作为小分子硫代异氰酸酯,包括但不限于,1,3-二异硫氰酸丙酯、1,4-丁烷二异硫氰酸酯、1,6-己烷二异硫氰酸酯、1,8-辛烷二异硫氰酸酯、1,3-亚苯基二异硫氰酸酯、1,2-亚苯基二异硫氰酸酯、1,4-亚苯基二异硫氰酸酯、2,4-甲苯亚基二异硫氰酸酯、2,6-甲苯二异硫氰酸。在本发明的实施方式中,优选1,4-丁烷二异硫氰酸酯、1,6-己烷二异硫氰酸酯、1,8-辛烷二异硫氰酸酯。
作为齐聚和高分子异氰酸酯/硫代异氰酸酯化合物,包括但不限于,基于聚酯、聚醚、聚烯烃、聚碳酸酯、聚有机硅、植物油和其他聚合物的异氰酸酯/硫代异氰酸酯化合物等。
在本发明的实施方式中,用于制备所述基于位阻效应诱导的动态共价键的多胺化合物,是仲胺化合物,包括但不限于小分子、齐聚物和高分子仲胺化合物。只要是化合物中具有2个或2个以上含有位阻效应基团的仲胺基,那么对其分子量和骨架等就没有特别限制。
在本发明的实施方式中,用于制备所述位阻效应诱导的动态共价键的多胺化合物,其特征在于,含有下述通式(4)所示结构,
其中,Rbn为所述具有位阻效应的大基团;其中n为Rb数目的编号,也表示胺的数目,n≥2,例如对于三元胺化合物,n=3,该化合物含有3个Rb基团,即分别为Rb1Rb2Rb3;其中,Rbn可以不相同,可以部分相同,也可以完全相同,本发明的实施方式中,优选Rbn完全相同;
其中,L为连接多个仲胺基元的n价连接基团,对L的结构并无特别限定,包括但不限于单键、直链结构、含侧基的支链结构和环状结构。其中,环状结构没有特别限制,可选自脂肪族环、芳香族环、糖环、缩合环,优选脂肪族环;
其中,Rbn可以与L之间相连成桥或不相连成桥。
作为例子,所述位阻效应诱导的动态共价键的多胺化合物可以举出如下结构,但本发明不仅限于此。
上述的羧酸、酰卤、酸酐、活性酯、多异氰酸酯、异硫氰酸酯、含位阻效应基团的胺化合物中,可以单独使用它们中的1种,或者合并使用2种或2种以上。合并使用2种或2种以上时的混合比,可根据本发明的一种具有杂化交联网络的动态聚合物(或组合物)所使用的用途、所要求的物理性质等进行合适比例的调整。
在本发明的实施方式中,所述的具有杂化交联网络的动态聚合物,其原料组分中的聚合物链拓扑结构可选自线型、环状、支化、团簇、交联及其组合形式。
在本发明的实施方式中,所述的具有杂化交联网络的动态聚合物,其可以具有一个或多个玻璃化转变温度,也可以没有玻璃化转变温度。对于所述具有杂化交联网络的动态聚合物的玻璃化转变温度,其至少有一个低于0℃、或者处于0-25℃之间、或者处于25-100℃之间、或者高于100℃;其中,玻璃化转变温度低于0℃的动态聚合物具有较好的低温使用性能,方便作为密封胶、弹性体、凝胶等进行使用;玻璃化转变温度处于0-25℃之间的动态聚合物能够有利于在常温下进行使用,也能够方便将其作为弹性体、密封胶、凝胶、泡沫以及普通固体使用;玻璃化转变温度处于25-100℃之间的动态聚合物便于在室温以上获得普通固体、泡沫以及凝胶;玻璃化转变温度高于100℃的动态聚合物,其尺寸稳定性、力学强度、耐温性好,有利于作为应力承载材料进行使用。对于玻璃化转变温度低于25℃的动态聚合物,其能够体现出优良的动态性、自修复性、可回收性;对于玻璃化转变温度高于25℃的动态聚合物,其能够体现出良好的形状记忆能力、应力承载能力;此外,由侧氢键基团形成的超分子氢键的存在,能够对动态聚合物的玻璃化转变温度进行进一步的调控,对动态聚合物的动态性、交联度、机械强度进行补充。对于本发明中的动态聚合物,优选至少有一个玻璃化转变温度不高于50℃,更进一步优选至少有一个玻璃化转变温度不高于25℃,最优选各个玻璃化转变温度均不高于25℃。各个玻璃化温度均不高于25℃的体系由于在日常使用温度下具有良好的柔性和可流动性/蠕变性,因此特别适合作为自修复材料进行使用。对于动态聚合物的玻璃化转变温度,其可通过DSC、DMA等本领域中所通用的玻璃化转变温度的测定方法进行测定。
在本发明的实施方式中,具有杂化交联网络的动态聚合物的各原料组分也可以具有一个或多个玻璃化转变温度,也可以没有玻璃化转变温度,其玻璃化转变温度,至少有一个低于0℃、或者处于0-25℃之间、或者处于25-100℃之间、或者高于100℃,其中,玻璃化转变温度低于0℃的化合物原料在制备动态聚合物时便于进行低温制备和加工;玻璃化转变温度处于0-25℃之间的化合物原料在常温下即可进行制备加工成型;玻璃化转变温度处于25-100℃之间的化合物原料利用常规加热设备即可成型,制造成本低;玻璃化转变温度高于100℃的化合物原料可用于制备尺寸稳定性好、力学性能优良的耐高温材料。利用多种具有不同玻璃化转变温度的化合物原料制备动态聚合物,可以获得在不同范围内具有不同玻璃化转变温度的动态聚合物,其能够体现出多重的综合性能,兼具动态性和稳定性。
本发明中用于形成超分子交联的氢键基团的生成或引入,可以在动态共价交联之前、之后或者过程中进行。优选在交联之前或者过程中进行,更优选在交联之前进行。因为动态共价交联之后进行的话,一般必须将有关试剂通过溶胀的方式加入,工艺复杂且效果较差。
本发明的实施方式中,氢键基团的生成或引入可以采用任意合适的反应,包括但不仅限于以下类型:异氰酸酯与氨基、羟基、巯基、羧基的反应,丙烯酸酯自由基反应,双键自由基反应,双键环化反应,环氧与氨基、羟基、巯基、羧基的反应,叠氮-炔点击反应,巯基-双键/炔点击反应,尿素-胺的反应,酰胺化反应,四嗪-降冰片烯反应,活性酯与氨基、羟基、巯基的反应,硅羟基缩合反应;优选异氰酸酯与氨基、羟基、巯基的反应,尿素-胺的反应,酰胺化反应,活性酯与氨基、羟基、巯基的反应。在任何一个网络结构中,侧基/侧链的超分子交联可以有一个或其以上的反应类型、反应手段和结构。
以下针对本发明的网络结构的部分制备方法的实施方式进行举例说明。
在本发明的第一种网络结构中,所述具有杂化交联网络的动态聚合物只有一个网络,该交联网络中同时含有动态共价交联和超分子交联,其中,动态共价交联的交联度达到其凝胶点以上,超分子交联的交联度在其凝胶点以上或以下。
本发明中,位阻效应诱导动态共价键的基团,下述结构式中记为VB,VB符合通式(1)的结构。侧基带有侧氢键基团和/或端基氢键基团,下述结构式中记为RH,RH至少符合通式(2)或(3)之一的结构,选优同时符合通式(2)和(3)的结构;优选RH形成的氢键不超过四齿。
采用在交联的同时产生氢键基团交联手段。作为例子但不限于下列所举,比如,二异氰酸酯化合物与含有位阻效应基团Rb的二元胺化合物、侧基/端基带有RH基团的二元胺化合物、胺化合物之间进行共价交联形成本发明中的第一种网络结构。其中,位阻效应诱导动态共价键的基团为脲基。通过控制单体和交联剂的配方比例,使网络中的动态共价交联达到动态共价凝胶点以上,同时链骨架和侧基上均带有氢键基团。
又如,二酰氯化合物与含有位阻效应基团Rb的二元胺化合物、侧基/端基带有RH基团的二元胺化合物、胺化合物之间进行共价交联形成本发明中的第一种网络结构。其中,位阻效应诱导动态共价键的基团为酰胺基。通过控制单体和交联剂的配方比例,使网络中的动态共价交联达到动态共价凝胶点以上。
采用含有所述位阻效应诱导动态共价键的基团的化合物和带有氢键基团的化合物进行动态共价交联得到第一种网络结构。作为例子但不限于下列所举,比如,位阻效应诱导动态共价键的基团VB的双硫醇单体和侧基带有侧氢键基团和/或端基氢键基团RH的双烯烃单体、末端多烯烃交联剂,可以聚合/交联形成本发明中的第一种网络结构。其中,VB可选自位阻效应诱导的酰胺基、氨基甲酸酯基、硫代氨基甲酸酯基、脲基等。通过控制单体和交联剂的配方比例,使网络中的动态共价交联达到动态共价凝胶点以上。
又如,含有位阻效应诱导动态共价键的基团VB的双叠氮基单体和侧基/端基带有氢键基团RH的双炔烃单体、末端多炔烃交联剂,可以聚合/交联形成本发明中的第一种网络结构。其中,VB可选自位阻效应诱导的酰胺基、氨基甲酸酯基、硫代氨基甲酸酯基、脲基等。通过控制单体和交联剂的配方比例,使网络中的动态共价交联达到动态共价凝胶点以上。
其中,上述侧基/端基带有的RH基团可以在在聚合/交联之前预先生成。
本发明中的其他网络结构的实施方式与此类似,本领域技术人员可以根据对本发明的理解,选择合适的制备手段,达到理想的目的。
本发明的具有杂化交联网络的动态聚合物,除网络结构可以有且只有一个聚合物网络外,其他的网络结构可以基于两个或其以上网络的多网络结构。除普通的共混分散外,更优选的是由两个或两个以上聚合物网络相互贯穿缠结形成的互穿网络。互穿网络聚合物结构由于网络组分间的协同作用使其性能明显优于其组分的单网络聚合物,产生比单一网络更高的韧性等力学性能,特别是基于本发明的设计思路引入氢键交联的情况下。
在本发明中,根据组成互穿网络中聚合物组分交联情况可将其分为两类,半互穿和全互穿。在半互穿中只有一种组分是动态共价交联的,另一组份以非共价交联分子链形式穿插缠结在动态共价交联组分中。
传统的互穿网络聚合物制备方法通常包括一步法互穿和两步法互穿。一步法即一次性将所有成分加入,然后进行聚合/交联,制备目标网络。两步法即先制备第一网络聚合物,紧接着将其浸泡在形成第二网络的单体/预聚物溶液中,然后引发聚合/交联得到目标杂化网络。本发明中的具有杂化交联网络的动态聚合物的制备也可以采用一步法互穿和两步法互穿,在特定情况下还必须采用三步及其以上的方法。
以下针对本发明的互穿网络聚合物的部分制备方法的实施方式进行举例说明。
例如,在本发明的第二种网络结构中,第1网络中仅含动态共价交联,其交联度在其凝胶点以上;第2网络中仅含超分子交联,其交联度在其凝胶点以上。首先,制备一种不含动态共价交联,但聚合物链的侧基和/或侧链和/或端基上含有氢键基团的线型聚合物作为第2网络。然后,在制备第1网络时,先将第2网络和第1网络的单体、交联剂等混合均匀,再通过上述动态共价交联手段进行动态共价交联,从而得到第1网络和第2网络的半互穿网络聚合物,也即第1网络分散于第2网络中。也可以先形成第1网络,然后把第2网络通过溶胀(可借助溶剂)与第1网络进行复合。
在具体实施过程中,交联可以采用任意合适的物理和化学交联工艺。在本发明中,通常采用含有所述位阻效应诱导动态共价键的基团的化合物作为交联剂进行交联,也可以对含有所述位阻效应诱导动态共价键的基团的化合物进行直接交联和/或在交联剂存在下进行交联。物理交联工艺包括但不限于热引发交联、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;化学交联工艺包括过氧化物交联、亲核试剂取代交联、异氰酸酯反应交联、环氧反应交联、丙烯酸酯反应交联。交联过程可以以本体、溶液、乳液等形式进行。当采用本体形式,方便直接获得固体终产物;当采用溶液形式,方便直接获得凝胶;当采用乳液方式,方便获得分散的但具有自粘性的颗粒。需要指出的是,任何交联必须保证所述位阻效应诱导动态共价键的完全或不完全解离可以导致动态共价交联网络的解体。
在本发明的实施方式中,可运用本领域已知的任意合适的材料混合方式将一定配比的反应物料通过混合制备动态聚合物,其可以是间歇、半连续或连续工艺形式的混合;同样地,也可选择间歇、半连续或连续工艺形式对动态聚合物进行成型。采用的混合方式包括但不仅限于溶液搅拌混合、熔融搅拌混合、捏合、密炼、开炼、熔融挤出、球磨等,其中优选溶液搅拌混合、熔融搅拌混合和熔融挤出。在物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。采用的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。
本发明的实施方式中,利用溶液搅拌混合和熔融搅拌混合,主要以以下两种方式进行:(1)将反应物料在反应器中直接搅拌混合或加热熔融后搅拌混合反应,此种方式一般在反应物料为液体或熔点较低的固体,或反应物料较难找到共同溶剂的情况下使用;(2)将反应物料溶解在各自的溶剂中或者共同的溶剂中在反应器中进行搅拌混合,此种方式一般在反应物料为熔点较高或没有固定熔点的固体的情况下使用。通常,混合温度控制在0-200℃,优选25-120℃,更优选25-80℃,混合搅拌时间控制在1min-12h,优选10-120min。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,即可得到聚合物样品,此过程中根据需要可除去溶剂。
上述制备方法中所用到的溶剂,必须能够同时或者分别溶解反应物料,并且溶解有两类化合物的溶剂必须能够互溶,反应物料在混合溶剂中不析出,所用的溶剂包括但不仅限于以下任一种或任几种溶剂的混合溶剂:去离子水、甲醇、乙醇、乙腈、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、二恶烷、三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲液、柠檬酸缓冲液、乙酸缓冲溶液、磷酸缓冲溶液、硼酸缓冲溶液等;优选去离子水、甲醇、甲苯、氯仿、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、二甲基甲酰胺、磷酸缓冲溶液。
本发明的实施方式中,利用熔融挤出混合制备动态聚合物材料的具体制备方法,通常是将一定量的反应物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25-150℃,更优选50-100℃。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25-150℃,更优选50-100℃;模压温度为0-280℃,优选25-150℃,更优选50-100℃,模压时间为0.5-60min,优选1-10min。将样条置于合适的模具中,在25-150℃,优选50-80℃温度条件下,放置0-24h,得到最终的聚合物样品。
本发明的实施方式中,所述杂化交联网络的动态聚合物,其存在形式不仅可以是普通固体材料,还包括弹性体、凝胶、泡沫。普通固体力学性能佳,弹性体力学性能适中但具备普通固体所没有的柔韧性。泡沫由于质轻并且硬度和可弯折性可调,用途广。凝胶产品柔软性和可弯折性都好,并且通过结构和配方调整可以具有一定的韧性,因为存在溶胀剂,可以融入许多其他形态的材料所没有的有益组成成分,具有特殊的用途。
在本发明的实施方式中,在具有杂化交联网络的动态聚合物中可以引入溶剂、增塑剂等,制备具有杂化交联网络的动态聚合物凝胶。所述溶剂、增塑剂等可以包括但不限于有机溶剂、离子液体、齐聚物、增塑剂、水。
本发明所提供的一种具有杂化交联网络的动态聚合物凝胶,包括有机溶剂凝胶、离子液体凝胶、齐聚物溶胀凝胶、增塑剂溶胀凝胶、水凝胶。其中,优选离子液体凝胶和增塑剂溶胀凝胶,更优选增塑剂溶胀凝胶。
本发明的一种动态聚合物离子液体凝胶的制备方法,优选包括如下步骤:将制备杂化交联网络的动态聚合物的原料加入到离子液体中,使所制备的杂化交联网络的动态聚合物的质量分数为0.5~50%,通过所述合适手段进行共价交联,反应结束后,自然冷却,即制成一种动态聚合物凝胶。上所述离子液体一般由有机阳离子和无机阴离子组成,阳离子通常为烷基季铵离子、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;阴离子通常为卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、也有CF3SO3 -、(CF3SO2)2N-、C3F7COO-、C4F9SO3 -、CF3COO-、(CF3SO2)3C-、(C2F5SO2)3C-、(C2F5SO2)2N-、SbF6 -、AsF6 -等。本发明所使用的离子液体中,阳离子优选咪唑阳离子,阴离子优选六氟磷酸根离子和四氟硼酸根离子。
本发明的一种动态聚合物增塑剂溶胀的凝胶制备方法,优选包括如下步骤:将具有杂化交联网络的动态聚合物的原料加入到增塑剂中,使所制备的杂化交联网络的动态聚合物的质量分数为0.5~50%,通过所述合适手段进行共价交联,反应结束后,自然冷却,即制成一种动态聚合物增塑剂溶胀的凝胶。上所述增塑剂选自以下任一种或任几种:苯二甲酸酯类:邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二庚酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸丁酯乙醇酸丁酯、邻苯二甲酸二环己酯、邻苯二甲酸双(十三)酯、对苯二甲酸二(2-乙基)己酯;磷酸酯类,如磷酸三甲苯酯、磷酸(二苯-2-乙基)己酯;脂肪酸酯类,如己二酸二(2-乙基)己酯、癸二酸二(2-乙基)己酯;环氧化合物类,如环氧甘油酯类、环氧脂肪酸单酯类、环氧四氢邻苯二甲酸酯类、环氧大豆油、环氧硬脂酸(2-乙基)己酯、环氧大豆油酸2-乙基己酯、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯、黄杨乙酰蓖麻油酸甲酯,二元醇脂类,如C5~9酸乙二醇酯、C5~9酸二缩三乙二醇酯;含氯类,如绿化石蜡类、氯代脂肪酸酯;聚酯类,如乙二酸1,2-丙二醇系聚酯、癸二酸1,2-丙二醇聚酯;石油磺酸苯酯、偏苯三酸酯、柠檬酸酯、季戊四醇和双季戊四醇酯等。其中,环氧化大豆油一种性能优良的环保型塑料增塑剂,经精炼大豆油与过氧化物发生环氧化反应制备。在聚氯乙烯制品中耐挥发、不易迁移、不易散失。这对保持制品光、热稳定性和延长使用寿命是十分有益的。环氧化大豆油毒性极小,已被许多国家允许用于食品及医药的包装材料,是美国食品药品管理局批准的唯一可用于食品包装材料的环氧类增塑剂。在本发明的一种动态聚合物增塑剂溶胀的凝胶制备中,增塑剂优选环氧大豆油。
本发明的实施方式中,杂化交联网络的动态聚合物还可以采用齐聚物溶胀成凝胶,所述齐聚物包括但不仅限于聚乙二醇齐聚物、聚乙烯醇齐聚物、聚醋酸乙烯酯齐聚物、聚丙烯酸正丁酯齐聚物、液体石蜡等。
在本发明的实施方式中,具有杂化交联网络的动态聚合物可制备成发泡材料。其中,泡沫包括柔性泡沫,或者是半柔性、半硬质、微孔或者硬质泡沫。发泡方法根据所用发泡剂的不同可以分为物理发泡法和化学发泡法两大类。泡沫可以在有水或者无水的条件下制备,可以机械发泡或者非机械发泡。进一步,泡沫可以使用本领域已知的辅助非反应性发泡剂。
在本发明的实施方式中,动态聚合物泡沫材料的结构涉及开孔结构、闭孔结构、半开半闭结构等三种。开孔结构中,泡孔与泡孔之间互相连通,或完全连通,单维或三维都能通过气体或液体,泡孔径为0.01~3mm不等。闭孔结构,具有独立泡孔结构,内部泡孔与泡孔之间有壁膜隔开,绝大多数都不相互连通,泡孔径为0.01~3mm不等。所含有的泡孔既有相互连通又有互不连通的结构则为半开孔结构。
本发明的一种动态聚合物泡沫的制备方法,包括如下步骤:在制备单一网络动态聚合物泡沫时,反应物料A:参与反应的所有小分子单体1份~100份、扩链剂0.05份~1.0份、交联剂0.05份~1.0份,搅拌速度50~200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:发泡剂0.5份~6份、泡沫稳定剂0.05份~0.2份、催化剂0.01~1.0份,在搅拌速度50~200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B按照1∶1~3∶1质量比混合,经专业设备快速搅拌,并根据需要进行加热升温,得到发泡的单一网络动态聚合物。
本发明的动态聚合物泡沫制备方法中,当泡沫中含有多个网络时,多个网络可以同时生成,也可以分开生成。
本发明所提供的动态聚合物泡沫材料还涉及:通过熔接、胶粘、切割、刳刨、穿孔、压印、层压和热成形,将所述动态聚合物泡沫材料转变成为任何的需要形状,例如管、棒、鞘、容器、球、片、卷和带;通过层压、粘合、熔合以及其它的连接技术,将所述动态聚合物泡沫材料与片材、薄膜、泡沫、织物、加强物以及本领域中技术人员已知的其它材料一起结合成为复杂的夹心结构;所述动态聚合物泡沫材料在垫圈或密封中的用途;所述动态聚合物泡沫材料在包装材料或在容器中的用途。关于本发明的动态聚合物,可发泡的动态聚合物是这样一种类型,使得可以通过挤出、注塑、压塑或本领域中的技术人员已知的其它成形技术使它们变形。
本发明的动态聚合物材料在制备过程中,还可以加入某些可添加的助剂、填料来共同组成动态聚合物材料,其可以改善材料制备过程、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,但这些添加物并不是必须的。
所述的可添加的助剂选自以下任一种或任几种助剂:合成助剂,包括催化剂、引发剂;稳定化助剂,包括抗氧剂、光稳定剂、热稳定剂;改善力学性能的助剂,包括增韧剂、偶联剂;提高加工性能的助剂,包括润滑剂、脱模剂;柔软化与轻质化的助剂,包括增塑剂;改变表面性能的助剂,包括抗静电剂、乳化剂、分散剂;改变色光的助剂,包括着色剂、荧光增白剂、消光剂;难燃化与抑烟助剂,包括阻燃剂;其他助剂,包括杀菌防霉剂、脱水剂、成核剂、流变剂、增稠剂、触变剂、流平剂;制备发泡材料的助剂,包括扩链剂、泡沫稳定剂、发泡剂。
所述的可添加的合成助剂中的催化剂,其能够通过改变反应途径,降低了反应的活化能来提高反应速率,例如叠氮化合物与炔烃环加成聚合反应(CuAAC反应)。CuAAC反应的由一价铜化合物和胺配体共用协同催化。一价铜化合物可选自Cu(I)盐,如CuCl、CuBr、CuI、CuCN、CuOAc等;也可选自Cu(I)络合物,如[Cu(CH3CN)4]PF6、[Cu(CH3CN)4]OTf、CuBr(PPh3)3等;还可以由单质铜和二价铜化合物(如CuSO4、Cu(OAc)2)在反应过程中原位生成;其中,Cu(I)盐优选CuBr和CuI,Cu(I)络合物优选CuBr(PPh3)3。胺配体可选自三[(1-苄基-1H-1,2,3-三唑-4-基)甲基]胺(TBTA)、三[(1-叔丁基-1H-1,2,3-三唑-4-基)甲基]胺(TTTA)、三(2-苯并咪唑甲基)胺(TBIA)、水合红菲绕啉二磺酸钠等;其中,胺配体优选TBTA和TTTA。所用的催化剂用量没有特别限定,一般为0.01-2wt%。
在本发明的实施方式中,羧酸和环氧化合物反应的催化剂,可以列举如下:醋酸锌、乙酰丙酮锌、2-甲基咪唑、3,5-二异丙基水杨酸铬、3,5-二叔丁基水杨酸铬;取代的呋喃甲酸铬,如5-叔丁基呋喃甲酸铬、5-苯基酰基呋喃甲酸铬、5-异丙基呋喃甲酸铬、3,5-二异丙基呋喃甲酸铬;脂肪酸铬,如2-乙基己酸铬、环烷酸铬。其中,优选2-甲基咪唑、醋酸锌、乙酰丙酮锌、3,5-二异丙基水杨酸铬、5-异丙基呋喃甲酸铬。所用的催化剂用量没有特别限定,一般为0.01-2wt%。
在本发明的实施方式中,羟基、氨基或巯基和异氰酸酯反应的催化剂,可以列举以下的胺类催化剂和有机金属化合物催化剂等。所用的催化剂用量没有特别限定,一般为0.01-2wt%。
作为胺类催化剂,包括但不仅限于以下任一种或任几种催化剂:三乙胺、三亚乙基二胺、双(二甲氨基乙基)醚、2-(2-二甲氨基-乙氧基)乙醇、三甲基羟乙基丙二胺、N,N-双(二甲胺丙基)异丙醇胺、N-(二甲氨基丙基)二异丙醇胺、N,N,N’-三甲基-N’-羟乙基双胺乙基醚、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-二甲基乙醇胺、N-乙基吗啉、2,4,6-(二甲氨基甲基)苯酚、三甲基-N-2-羟丙基己酸、N,N-二甲基苄胺、N,N-二甲基十六胺等。
作为有机金属类催化剂,包括但不仅限于以下任一种或任几种催化剂:有机锡化合物如辛酸亚锡、二丁基锡二月桂酸酯、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。
在本发明的实施方式中,其他一些活性基团间的反应也需要引发剂,如巯基-双键点击反应、丙烯酸酯自由基反应、双键-双键偶联过程中,需要自由基引发剂,其能够在聚合反应过程中引起单体分子活化而产生游离基,提高反应速率,促进反应进行。所述引发剂包括但不仅限于以下任一种或任几种引发剂:光引发剂,如2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPA)、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦(TPO)、二苯甲酮、2-羟基-4-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮和α-酮戊二酸。有机过氧化物,如过氧化月桂酰、过氧化苯甲酰(BPO)、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯、过氧化二碳酸双(4-叔丁基环己基)酯、叔丁基过氧化苯甲酸酯、叔丁基过氧化特戊酸酯、二叔丁基过氧化物、过氧化氢二异丙苯;偶氮化合物,如偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈;无机过氧化物,如过硫酸铵、过硫酸钾等;其中,引发剂优选2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、偶氮二异丁腈、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酰、过硫酸钾。双键-双键的偶联反应还可以采用辐射聚合的方式,利用高能电离射线(如α射线、β射线、γ射线、x射线、电子束)辐射单体生成离子或自由基,形成活性中心而发生聚合。在本发明的实施方式中,可以根据情况选择合适的引发剂和聚合方式。所用的引发剂用量没有特别限定,一般为0.01-2wt%。
所述可添加的助剂中的抗氧剂,其能够延缓聚合物材料的氧化过程,保证材料能够顺利地进行加工并延长其使用寿命,包括但不仅限于以下任一种或任几种抗氧剂:受阻酚类,如2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、1,1,3-三(2-甲基-4羟基-5-叔丁基苯基)丁烷、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、2,2’-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚);含硫受阻酚类,如4,4’-硫代双-[3-甲基-6-叔丁基苯酚]、2,2’-硫代双-[4-甲基-6-叔丁基苯酚];三嗪系受阻酚,如1,3,5-二[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰]-六氢均三嗪;三聚异氰酸酯受阻酚类,如三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)-三异氰酸酯;胺类,如N,N’-二(β-萘基)对苯二胺、N,N’-二苯基对苯二胺、N-苯基-N’-环己基对苯二胺;含硫类,如硫代二丙酸二月桂酯、2-巯基苯并咪唑、2-巯基苯并噻唑;亚磷酸酯类,如亚磷酸三苯酯、亚磷酸三壬基苯酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯等,其中,抗氧剂优选茶多酚(TP)、丁基羟基茴香醚(BHA)、二丁基羟基甲苯(BHT)、叔丁基对苯二酚(TBHQ)、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)。所用的抗氧剂用量没有特别限定,一般为0.01-1wt%。
所述可添加的助剂中的光稳定剂,能够防止聚合物材料发生光老化,延长其使用寿命,其包括但不仅限于以下任一种或任几种光稳定剂:光屏蔽剂,如炭黑、二氧化钛、氧化锌、亚硫酸钙;紫外线吸收剂,如2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮、2-(2-羟基-3,5-二叔丁基苯基)-5-氯苯并三唑、2-(2-羟基-5-甲基苯基)苯并三唑、2,4,6-三(2-羟基-4-正丁氧基苯基)-1,3,5-均三嗪、2-氰基-3,3-二苯基丙烯酸2-乙基己酯;先驱型紫外线吸收剂,如水杨酸对-叔丁基苯酯、双水杨酸双酚A酯;紫外线猝灭剂,如双(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基膦酸单乙酯)、2,2’-硫代双(4-特辛基酚氧基)镍;受阻胺光稳定剂,如癸二酸双(2,2,6,6-四甲基哌啶)酯、苯甲酸(2,2,6,6-四甲基哌啶)酯、三(1,2,2,6,6-五甲基哌啶基)亚磷酸酯;其他光稳定剂,如3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸(2,4-二叔丁基苯)酯、烷基磷酸酰胺、N,N’-二正丁基二硫代氨基甲酸锌、N,N’-二正丁正基二硫代氨基甲酸镍等。其中,光稳定剂优选炭黑、癸二酸双(2,2,6,6-四甲基哌啶)酯(光稳定剂770),所用的光稳定剂用量没有特别限定,一般为0.01-0.5wt%。
所述可添加的助剂中的热稳定剂,能够使得聚合物材料在加工或使用过程中不因受热而发生化学变化,或者延缓这些变化来达到延长使用寿命的目的,其包括但不仅限于以下任一种或任几种热稳定剂:铅盐类,如三盐基硫酸铅、二盐基亚磷酸铅、二盐基硬脂酸铅、二盐基苯二甲酸铅、三盐基马来酸铅、盐基性硅酸铅、硬脂酸铅、水杨酸铅、二盐基邻苯二甲酸铅、碱式碳酸铅、硅胶共沉淀硅酸铅;金属皂类:如硬脂酸镉、硬脂酸钡、硬脂酸钙、硬脂酸铅、硬脂酸锌;有机锡化合物类,如二月桂酸二正丁基锡、二月桂酸二正辛基锡、马来酸二(正)丁基锡、双马来酸单辛酯二正辛基锡,二巯基乙酸异辛酯二正辛基锡、京锡C-102、二巯基乙酸异辛脂二甲基锡、二硫醇二甲基锡及其复配物;锑稳定剂,如硫醇锑盐、巯基乙酸酯硫醇锑、巯基羧酸酯锑、羧酸酯锑;环氧化合物类,如环氧化油、环氧脂肪酸酯、环氧树脂;亚磷酸酯类,如亚磷酸三芳酯、亚磷酸三烷酯、亚磷酸三芳烷酯、烷芳混合酯、聚合型亚磷酸酯;多元醇类,如季戊四醇、木糖醇、甘露醇、山梨糖醇、三羟甲基丙烷;复合热稳定剂,如共沉淀金属皂、液体金属皂复合稳定剂、有机锡复合稳定剂等。其中,热稳定剂优选硬脂酸钡,硬脂酸钙、二月桂酸二正丁基锡、马来酸二(正)丁基锡,所用的热稳定剂用量没有特别限定,一般为0.1-0.5wt%。
所述可添加的助剂中的增韧剂,能够降低聚合物材料脆性,增大韧性,提高材料承载强度,其包括但不仅限于以下任一种或任几种增韧剂:甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂、氯化聚乙烯树脂、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物树脂及其改性物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物、乙丙胶、三元乙丙胶、顺丁胶、丁苯胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等。其中,增韧剂优选乙丙胶、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂(MBS)、氯化聚乙烯树脂(CPE),所用的增韧剂用量没有特别限定,一般为5-10wt%。
所述可添加的助剂中的偶联剂,能够改善聚合物材料与无机填充剂或增强材料的界面性能,在塑料加工过程中降低材料熔体的粘度,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,其包括但不仅限于以下任一种或任几种偶联剂:有机酸铬络合物、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、磺酰叠氮偶联剂、铝酸酯偶联剂等。其中,优选γ-氨丙基三乙氧基硅烷(硅烷偶联剂KH550)、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH560),所用的偶联剂用量没有特别限定,一般为0.5-2wt%。
所述可添加的助剂中的润滑剂,能够提高材料润滑性、减少摩擦、降低界面粘附性能,其包括但不仅限于以下任一种或任几种润滑剂:饱和烃和卤代烃类,如固体石蜡、微晶石蜡、液体石蜡、低分子量聚乙烯、氧化聚乙烯蜡;脂肪酸类,如硬脂酸、羟基硬脂酸;脂肪酸酯类,如脂肪酸低级醇酯、脂肪酸多元醇酯、天然蜡、酯蜡和皂化蜡;脂肪族酰胺类,如硬脂酰胺或硬脂酸酰胺、油酰胺或油酸酰胺、芥酸酰胺、N,N’-乙撑双硬脂酰胺;脂肪醇和多元醇类,如硬脂醇、鲸蜡醇、季戊四醇;金属皂类,如硬脂酸铅、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸镁、硬脂酸锌等。其中,润滑剂优选固体石蜡、液体石蜡、硬脂酸、低分子量聚乙烯,所用的润滑剂用量没有特别限定,一般为0.5-1wt%。
所述可添加的助剂中的脱模剂,它可使聚合物样品易于脱模,表面光滑、洁净,其包括但不仅限于以下任一种或任几种脱模剂:石蜡烃、皂类、二甲基硅油、乙基硅油、甲基苯基硅油、蓖麻油、废机油、矿物油、二硫化钼、聚乙二醇、氯乙烯树脂、聚苯乙烯、硅橡胶、聚乙烯醇等。其中,脱模剂优选二甲基硅油,聚乙二醇,所用的润滑剂用量没有特别限定,一般为0.5-2wt%。
所述可添加的助剂中的可选增塑剂,其能够增加聚合物样品的塑性,使得聚合物的硬度、模量、软化温度和脆化温度下降,伸长率、曲挠性和柔韧性提高,其包括但不仅限于以下任一种或任几种:苯二甲酸酯类:邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异辛酯、邻苯二甲酸二庚酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸丁酯乙醇酸丁酯、邻苯二甲酸二环己酯、邻苯二甲酸双(十三)酯、对苯二甲酸二(2-乙基)己酯;磷酸酯类,如磷酸三甲苯酯、磷酸(二苯-2-乙基)己酯;脂肪酸酯类,如己二酸二(2-乙基)己酯、癸二酸二(2-乙基)己酯;环氧化合物类,如环氧甘油酯类、环氧脂肪酸单酯类、环氧四氢邻苯二甲酸酯类、环氧大豆油、环氧亚麻仁油、环氧硬脂酸(2-乙基)己酯、环氧大豆油酸2-乙基己酯、4,5-环氧四氢邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯、环氧乙酰蓖麻油酸甲酯,二元醇脂类,如C5-9酸乙二醇酯、C5-9酸二缩三乙二醇酯;含氯类,如绿化石蜡类、氯代脂肪酸酯;聚酯类,如乙二酸1,2-丙二醇系聚酯、癸二酸1,2-丙二醇聚酯;石油磺酸苯酯、偏苯三酸酯、柠檬酸酯、季戊四醇和双季戊四醇酯等;其中,增塑剂优选邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二异辛酯(DIOP)、邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二异癸酯(DIDP)、磷酸三甲苯酯(TCP)、环氧大豆油和环氧亚麻仁油。所用的增塑剂用量没有特别限定,一般为5-50wt%。
所述可添加的助剂中的抗静电剂,可将聚合物材料中聚集的有害电荷导引或消除,使其不对生产和生活造成不便或危害,其包括但不仅限于以下任一种或任几种抗静电剂:阴离子型抗静电剂,如烷基磺酸盐、对壬基苯氧基丙烷磺酸钠、烷基磷酸酯二乙醇胺盐、烷基酚聚氧乙烯基醚磺酸三乙醇胺、对壬基二苯醚磺酸钾、烷基聚氧乙烯基醚磺酸三乙醇胺、磷酸酯衍生物、磷酸盐、磷酸聚环氧乙烷烷基醚醇酯、烷基双[二(2-羟乙基胺)]磷酸酯、磷酸酯衍生物、脂肪胺磺酸盐、丁酸酯磺酸钠;阳离子型抗静电剂,如脂肪铵盐酸盐、月桂基三甲基氯化铵、十二烷基三甲胺溴化物、N,N-鲸蜡基-乙基吗啉硫酸乙酯盐、硬脂酰胺丙基(2-羟乙基)二甲铵硝酸盐、烷基羟乙基二甲铵高氯酸盐、2-烷基-3,3-二羟乙基咪唑啉高氯酸盐、2-十七烷基-3-羟乙基-4-羧甲基咪唑啉、N,N-双(α-羟乙基)-N-3(十二烷氧基-2-羟丙基)甲铵硫酸甲酯盐;两性离子型抗静电剂,如烷基二羧甲基铵乙内盐、月桂基甜菜碱、N,N,N-三烷基铵乙酰(N’-烷基)胺乙内盐、N-月桂基-N,N-二聚氧化乙烯基-N-乙基膦酸钠、烷基二(聚氧乙烯)铵乙内盐氢氧化物、2-烷基-3羟乙基-3-乙酸盐基咪唑啉季胺碱、N-烷基氨基酸盐;非离子型抗静电剂,如脂肪醇环氧乙烷加成物、脂肪酸环氧乙烷加成物、烷基酚环氧乙烷加成物、磷酸三聚氧乙烯基醚酯、甘油单脂肪酸酯、失水山梨醇单月桂酸酯的聚环氧乙烷加成物;高分子型抗静电剂,如乙二胺的环氧乙烷环氧丙烷加成物、聚乙二醇-对苯二甲酸酯-3,5-二苯甲酸酯磺酸钠共聚物、聚烯丙酰胺N-季铵盐取代物、聚4-乙烯基-1-丙酮基吡啶磷酸-对丁基苯酯盐等。其中,优选月桂基三甲基氯化铵、十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(抗静电剂SN)、烷基磷酸酯二乙醇胺盐(抗静电剂P),所用的引发剂用量没有特别限定,一般为0.3-3wt%。
所述可添加的助剂中的乳化剂,能够改善包含助剂的聚合物混合液中各种构成相之间的表面张力,使之形成均匀稳定的分散体系或乳浊液,其包括但不仅限于以下任一种或任几种乳化剂:阴离子型,如高级脂肪酸盐、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、烷基萘磺酸钠、琥珀酸酯磺酸盐、石油磺酸盐、脂肪醇硫酸盐、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;阳离子型,如烷基铵盐、烷基季铵盐、烷基吡啶盐;两性离子型,如羧酸酯型、磺酸酯型、硫酸酯型、磷酸酯型;非离子型,如脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸聚氧乙烯酯、聚环氧丙烷-环氧乙烷加成物、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。其中,优选十二烷基苯磺酸钠、失水山梨醇脂肪酸酯、三乙醇胺硬脂酸酯(乳化剂FM),所用的乳化剂用量没有特别限定,一般为1-5wt%。
所述可添加的助剂中的分散剂,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,均一分散那些难于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,形成安定悬浮液,其包括但不仅限于以下任一种或任几种分散剂:阴离子型,如烷基硫酸酯钠盐、烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠;阳离子型;非离子型,如脂肪醇聚氧乙烯醚、山梨糖醇酐脂肪酸聚氧乙烯醚;无机型,如硅酸盐、缩合磷酸盐;高分子型,如淀粉、明胶、水溶性胶、卵磷脂、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、海藻酸钠、木质素磺酸盐、聚乙烯醇、β-萘磺酸甲醛缩合物、烷基苯酚甲醛缩合物的环氧乙烷缩合物、聚羧酸盐等。其中,分散剂优选十二烷基苯磺酸钠、萘系亚甲基磺酸盐(分散剂N)、脂肪醇聚氧乙烯醚,所用的分散剂用量没有特别限定,一般为0.3-0.8wt%。
所述可添加的助剂中的着色剂,可以使聚合物产品呈现出所需要的颜色,增加表面色彩,其包括但不仅限于以下任一种或任几种着色剂:无机颜料,如钛白、铬黄、镉红、铁红、钼铬红、群青、铬绿、炭黑;有机颜料,如立索尔宝红BK、色淀红C、苝红、嘉基R红、酞菁红、永固洋红HF3C、塑料大红R和克洛莫红BR、永固橙HL、耐晒黄G、汽巴塑料黄R、永固黄3G、永固黄H2G、酞青蓝B、酞青绿、塑料紫RL、苯胺黑;有机染料,如硫靛红、还原黄4GF、士林蓝RSN、盐基性玫瑰精、油溶黄等。其中,着色剂的选用根据样品颜色需求而定,不需要特别限定,所用的着色剂用量没有特别限定,一般为0.3-1.0wt%。
所述可添加的助剂中的荧光增白剂,能使所染物质获得类似荧石的闪闪发光的效应,其包括但不仅限于以下任一种或任几种荧光增白剂:二苯乙烯型、香豆素型、吡唑啉型、苯并氧氮型、苯二甲酰亚胺型等。其中,荧光增白剂优选二苯乙烯联苯二磺酸钠(荧光增白剂CBS)、4,4-双(5-甲基-2-苯并噁唑基)二苯乙烯(荧光增白剂KSN)、2,2-(4,4’-二苯乙烯基)双苯并噁唑(荧光增白剂OB-1),所用的荧光增白剂用量没有特别限定,一般为0.002-0.03wt%。
所述可添加的助剂中的消光剂,能够使得入射光到达聚合物表面时,发生漫反射,产生低光泽的亚光和消光外观,其包括但不仅限于以下任一种或任几种消光剂:沉降硫酸钡、二氧化硅、含水石膏粉、滑石粉、钛白粉、聚甲基脲树脂等。其中,消光剂优选二氧化硅,所用的荧光增白剂用量没有特别限定,一般为2-5wt%。
所述可添加的助剂中的阻燃剂,能够增加材料的耐燃性,其包括但不仅限于以下任一种或任几种阻燃剂:磷系,如红磷、磷酸三甲酚酯、磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸甲苯二苯酯;含卤磷酸酯类,如三(2,3-二溴丙基)磷酸酯、磷酸三(2,3-二氯丙)酯;有机卤化物,如高含氯量氯化石蜡、1,1,2,2-四溴乙烷、十溴二苯醚、全氯环戊癸烷;无机阻燃剂,如三氧化二锑、氢氧化铝、氢氧化镁、硼酸锌;反应型阻燃剂,如氯桥酸酐、双(2,3-二溴丙基)反丁烯二酸酯、四溴双酚A、四溴邻苯二甲酸酐等。其中,阻燃剂优选十溴二苯醚、磷酸三苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸甲苯二苯酯、三氧化二锑,所用的阻燃剂用量没有特别限定,一般为1-20wt%。
所述可添加的助剂中的杀菌防霉剂,可抑制霉菌的生长,保持制品整洁的外观,延长使用寿命;或者保护使用者、提升使用者的健康,如减少脚气等。其包括但不仅限于以下任一种或任几种:异噻唑啉酮衍生物、如5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、N-正丁基-1,2-苯并异噻唑啉-3-酮、辛基异噻唑啉酮;2,4,4-三氯-2-羟基-二苯基醚;2-(4-噻唑基)苯并咪唑;8-羟基喹啉铜或双(8-羟基喹啉基)铜;有机锡化合物如富马酸三丁基锡、乙酸三丁基锡、双(三丁基锡)硫化物、双(三丁基锡)氧化锡;N,N-二甲基-N’-苯基(氟二氯甲基硫代)磺酰胺;无机化合物或复合物,如纳米银、纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米氧化锌、超细铜粉、无机抗菌剂YY-Z50、XT无机抗菌剂、复合抗菌剂KHFS-ZN。所用的杀菌防霉剂用量没有特别限定,一般为0.5-5wt%。
所述的可添加的助剂中的成核剂,能够通过改变聚合物的结晶行为,加快结晶速率、增加结晶密度和促使晶粒尺寸微细化,达到缩短材料成型周期、提高制品透明性、表面光泽、抗拉强度、刚性、热变形温度、抗蠕变性等物理机械性能的目的,其包括但不仅限于以下任一种或任几种成核剂:苯甲酸、己二酸、苯甲酸钠、滑石粉、对苯酚磺酸钠、二氧化硅、二苄叉山梨糖醇及其衍生物、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶等。其中,成核剂优选二氧化硅、二苄叉山梨糖醇(DBS)、三元乙丙橡胶,所用的成核剂用量没有特别限定,一般为0.1-1wt%。
所述可添加的助剂中的脱水剂,能除去体系中的水分,其包括但不仅限于以下任一种或任几种:恶唑烷化合物(如3-乙基-2-甲基-2-(3-甲基丁基)-1,3-恶唑烷)、对甲基苯磺酰异氰酸酯、原甲酸三乙酯、乙烯基硅烷、氧化钙等。所用的脱水剂用量没有特别限定,一般为0.1-2wt%。
所述可添加的助剂中的流变剂,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,其包括但不仅限于以下任一种或任几种流变剂:无机类,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;有机金属化合物,如硬脂酸铝、烷醇铝、钛螯合物、铝螯合物;有机类,如有机膨润土、氢化蓖麻油、氢化蓖麻油/酰胺蜡、纤维素衍生物、异氰酸酯衍生物、羟基化合物、丙烯酸乳液、丙烯酸共聚物、聚乙烯醇、聚乙烯蜡、纤维素酯等。其中,优选有机膨润土、聚乙烯蜡、疏水改性碱性可膨胀乳液(HASE)、碱性可膨胀乳液(ASE),所用的流变剂用量没有特别限定,一般为0.1-1wt%。
所述可添加的助剂中的增稠剂,能够赋予聚合物混合液良好的触变性和适当的稠度,从而满足其在生产、贮存和使用过程中的稳定性能和应用性能等多方面的需求,其包括但不仅限于以下任一种或任几种增稠剂:低分子物质,如脂肪酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、烷基二甲胺氧化物、脂肪酸单乙醇酰胺、脂肪酸二乙醇酰胺、脂肪酸异丙酰胺、脱水山梨醇三羧酸酯、甘油三油酸酯、椰子酰胺丙基甜菜碱、2-烷基-N-羧甲基-N-羟乙基咪唑啉、钛酸酯偶联剂;高分子物质,如皂土、人工水辉石、微粉二氧化硅、胶体铝、植物多糖类、微生物多糖类、动物蛋白、纤维素类、淀粉类、海藻酸类、聚甲基丙烯酸盐、甲基丙烯酸共聚物、顺酐共聚物、巴豆酸共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯酮、聚乙烯醇、聚醚、聚乙烯甲醚脲烷聚合物等。其中,增稠剂优选羟乙基纤维素、椰子油二乙醇酰胺、丙烯酸-甲基丙烯酸共聚物,所用的增稠剂用量没有特别限定,一般为0.1-1.5wt%。
所述可添加的助剂中的触变剂,加入动态聚合物体系中,通过氢键与聚合物分子形成三维网络结构,使动态聚合物黏度增长数倍到许多倍,甚至失去流动性。包括但不仅限于以下任一种或任几种:气相白炭黑、氢化蓖麻油、膨润土、硅酸酐、硅酸衍生物、尿素衍生物等。所用的触变剂用量没有特别限定,一般为0.5-2wt%。
所述可添加的助剂中的流平剂,能够保证聚合物涂膜的平整光滑均匀,改善涂膜表面质量、提高装饰性,其包括但不仅限于以下任一种或任几种流平剂:聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、醋酸-丁酸纤维素、聚丙烯酸酯类、有机硅树脂等。其中,流平剂优选聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸酯,所用的增稠剂用量没有特别限定,一般为0.5-1.5wt%。
在泡沫材料制备过程中,还需要根据实际情况加入扩链剂、泡沫稳定剂、发泡剂等。
所述扩链剂,具体可列举出例如,乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、对苯二酚二羟乙基醚(HQEE)、间苯二酚双羟乙基醚(HER)、对双羟乙基双酚A、三乙醇胺、三异丙醇胺、二氨基甲苯、二氨基二甲苯、四甲基亚二甲苯基二胺、四乙基二苯亚甲基二胺、四异丙基二苯亚基二胺、间苯二胺、三(二甲基氨基甲基)苯酚、二氨基二苯基甲烷、3,3’-二氯-4,4’-二苯基甲烷二胺(MOCA)、3,5-二甲硫基甲苯二胺(DMTDA)、3,5-二乙基甲苯二胺(DETDA)、1,3,5-三乙基-2,6-二氨基苯(TEMPDA)。所用的扩链剂用量没有特别限定,一般为0.1-25wt.%。
在本发明的实施方式中,制备发泡材料的泡沫稳定剂,是有机聚硅氧烷表面活性剂。这种有机硅氧烷表面活性剂一般是聚二甲基硅氧烷与聚氧化烯烃的嵌段共聚物。所用的泡沫稳定剂用量没有特别限定,一般为0.1-5wt.%。
在本发明的实施方式中,制备发泡材料的发泡剂,可以是物理发泡剂,也可以是化学发泡剂。其具有较高的表面活性,能有效降低液体的表面张力,并在液膜表面双电子层排列而包围空气,形成气泡,再由单个气泡组成泡沫。
所述物理发泡剂包括但不仅限于以下任一种或任几种发泡剂:空气、二氧化碳、氮气、氟里昂(如HCFC-141b、HCFC-123、HCFC-22、HCFC-365mfc、HCFC-245fa等)、二氯甲烷、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷、二氯四氟乙烷、正戊烷、环戊烷、异戊烷等。所述化学发泡剂包括但不仅限于以下任一种或任几种发泡剂:水、碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、硅酸钠、碳黑、偶氮化合物(如偶氮二甲酰胺(ADC)、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酸异丙酯、偶氮二甲酸二乙酯、二偶氮氨基苯、偶氮二甲酸钡)、磺酰肼类化合物(如4,4-二磺酰肼二苯醚(OBSH)、苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼、2,4-甲苯二磺酰肼、3,3-二磺酰肼二苯砜、对(N-甲氧基甲酰氨基)苯磺酰肼)、亚硝基化合物(如N,N-二亚硝基五次甲基四胺(DPT)、N,N-二甲基-N,N-二亚对苯二甲酰胺(NTA))等。所述发泡剂可以单独使用或以两种或更多种的混合物使用。所用发泡剂的量是常用量,即,在使用水的情况下为0.1到10php,优选0.1到5php,在使用卤代烃、脂族烷烃和脂环族烷烃的情况下为约0.1到20php,其中php表示每百份聚合物多元醇中发泡剂的份数。
所述可添加的填料,其在聚合物样品中主要起到以下作用:①降低成型制件的收缩率,提高制品的尺寸稳定性、表面光洁度、平滑性以及平光性或无光性等;②调节材料的粘度;③满足不同性能要求,如提高材料冲击强度及压缩强度、硬度、刚度和模量、提高耐磨性、提高热变形温度、改善导电性及导热性等;④提高颜料的着色效果;⑤赋予光稳定性和耐化学腐蚀性;⑥起到增容作用,可降低成本,提高产品在市场上的竞争能力。
所述的可添加的填料,选自以下任一种或任几种填料:无机非金属填料、金属填料、有机填料。
所述的可添加的无机非金属填料,包括但不限于以下任一种或任几种:碳酸钙、陶土、硫酸钡、硫酸钙和亚硫酸钙、滑石粉、白炭黑、石英、云母粉、粘土、石棉、石棉纤维、正长石、白垩、石灰石、重晶石粉、石膏、石墨、炭黑、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、二硫化钼、矿渣、烟道灰、木粉及壳粉、硅藻土、赤泥、硅灰石、硅铝炭黑、氢氧化铝、氢氧化镁、粉煤灰、油页岩粉、膨胀珍珠岩粉、氮化铝粉、氮化硼粉、蛭石、铁泥、白泥、碱泥、(中空)玻璃微珠、发泡微球、可发泡颗粒、玻璃粉、水泥、玻璃纤维、碳纤维、石英纤维、炭芯硼纤维、二硼化钛纤维、钛酸钙纤维、碳化硅纤维、陶瓷纤维、晶须等。在本发明的一个实施方式中,优选具有导电性的无机非金属填料,包括但不仅限于石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维,方便获得具有导电性和/或具有电热功能的复合材料。在本发明的另一个实施方式中,优选具有在红外和/或近红外光作用下具有发热功能的非金属填料,包括但不仅限于石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管,方便获得可利用红外和/或近红外光进行加热的复合材料。良好的发热性能,特别是遥控性的发热性能,有利于使得聚合物获得可控的形状记忆、自修复等性能。在本发明的另一个实施方式中,优选具有导热性的无机非金属填料,包括但不仅限于石墨、石墨烯、碳纳米管、氮化铝、氮化硼、碳化硅,方便获得导热功能的复合材料。
所述的金属填料,包括金属化合物,包括但不仅限于以下任一种或任几种:金属粉末、纤维,其包括但不仅限于铜、银、镍、铁、金等及其合金的粉末、纤维;纳米金属颗粒,其包括但不仅限于纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米钯颗粒、纳米铁颗粒、纳米钴颗粒、纳米镍颗粒、纳米Fe3O4颗粒、纳米γ-Fe2O3颗粒、纳米MgFe2O4颗粒、纳米MnFe2O4颗粒、纳米CoFe2O4颗粒、纳米CoPt3颗粒、纳米FePt颗粒、纳米FePd颗粒、镍铁双金属磁性纳米颗粒以及其他在红外、近红外、紫外、电磁至少一种作用下可以发热的纳米金属颗粒等;液态金属,其包括但不仅限于汞、镓、镓铟液态合金、镓铟锡液态合金、其它镓基液态金属合金;金属有机化合物分子、晶体以及其他在红外、近红外、紫外、电磁至少一种作用下可以发热的物质等。在本发明的一个实施方式中,优选可以进行电磁和/或近红外加热的填料,包括但不仅限于纳米金、纳米银、纳米钯、纳米Fe3O4,以便进行遥感加热。在本发明的另一个实施方式中,优选液态金属填料,方便获得具有良好导热性能、导电性能以及能够保持基材柔性和延展性的复合材料。在本发明的另一个实施方式中,优选在红外、近红外、紫外、电磁至少一种作用下可以发热的有机金属化合物分子、晶体,一方面方便复合,另一面提高诱导发热的效率和提升发热效果。
所述的可添加的有机填料,包括但不限于以下任一种或任几种:皮毛、天然橡胶、合成橡胶、合成纤维、合成树脂、棉花、棉绒、麻、黄麻、亚麻、石棉、纤维素、醋酸纤维素、虫胶、甲壳素、壳聚糖、木质素、淀粉、蛋白质、酶、激素、生漆、木粉、壳粉、糖原、木糖、蚕丝、人造丝、维尼纶、酚醛微珠、树脂微珠等。
其中,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、硫酸钡、滑石粉、炭黑、石墨烯、(中空)玻璃微珠、发泡微球、可发泡颗粒、玻璃纤维、碳纤维、金属粉、合成橡胶、合成纤维、合成树脂、棉绒、树脂微珠,所用的填料用量没有特别限定,一般为1-30wt%。
本发明所提供的一种具有杂化交联网络的动态聚合物性能大范围可调,可应用于各个领域,具有广阔的应用前景,特别体现在军事航天设备、功能涂料及涂层、生物医药、生物医用材料、能源、建筑、仿生等领域,将具有令人瞩目的应用效果。例如,通过合适的组分选择和配方设计,可以制备出具有良好可塑性并且可以回收的聚合物封堵胶;例如,将自修复功能引入聚合物材料,使得材料内部产生损伤后能够自主修复,有助于得到使用寿命更长、性能更可靠和更经济的结构材料。如在微电子聚合物器件和胶粘剂使用中,由于热和力学疲劳产生的微裂缝导致的性能丧失是长期存在的问题,将自修复功能引入这些材料,可以大大提高微电子产品的可靠性和使用寿命。作为自修复性的塞子和密封圈等密封件,在电子电器、食品、药品等领域有广泛应用,例如作为手机、平板电脑、笔记本、照相机等的充电器接口、数据线接口等处的塞子,在接头插拔过程中产生的开孔进行修复从而达到防水等目的。作为自修复材料还有助于得到具有仿生效果的材料,在生物医疗领域也有广泛的应用前景,可以得到更耐久的人体关节。作为自修复材料也有助于开发特殊用途的材料,如在一定条件下可以恢复界面性能、导电和导热等性能的材料,例如作为电池/超级电容器电极粘结剂、隔膜起到减少电极的破损、增加电极材料寿命的作用。另外,超分子氢键在作为可牺牲键使用时,可以进一步增强聚合物的韧性,可将其制备成为性能极佳的薄膜、纤维或者板材,可以广泛应用于军事、航天、运动、能源、建筑等领域。此外,利用其动态可逆性,可以制备出形状记忆的自修复性聚合物材料,可以应用于制备具有粘性-弹性魔幻转换效果的玩具。
下面结合一些具体实施方式对本发明所述的动态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
3-烯丙基-1,2-苯二胺和4-巯基-2-吡咯烷酮按照摩尔比1∶1混合,加入0.2wt%的光引发剂安息香双甲醚(DMPA),搅拌充分后,放在紫外交联仪中紫外辐射4h,制备得到化合物1a。
按重量份数称取反应物料A:12份N,N'-二叔丁基乙二胺、4份化合物1a、0.3份1,6-己二醇、0.3份三(3-氨基乙基)胺、0.2份二月桂酸二丁基锡、0.2份三亚乙基二胺、0.1份有机硅油、5份二氯甲烷、3份水,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:12份1,4-环己烷二异氰酸酯,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B按照1.2∶1质量比混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,然后迅速注入到模具中,在室温下固化30min,然后在120℃下固化2h,即得到一种硬质聚氨酯泡沫材料。
性能测试:密度(kg/m3):219;80%压缩强度(MPa):17;拉伸强度(MPa):6.6;伸长率(%):20;撕裂强度(N/M):0.91;压缩变定值(%):6.7。这种高密度硬泡可以用于制造一种自修复鞋垫,即使开裂或遭受划痕,也可自愈合。
实施例2
将三(3-氨基乙基)胺和乙基异氰酸酯按照等摩尔比混合,溶于200mL二氯甲烷,然后加入0.1份二月桂酸二丁基锡,0.1份三亚乙基四胺作为催化剂,制备得到带脲基的二胺化合物2a。
按重量份数称取反应物料A:15份N,N'-二叔丁基癸二胺、6份化合物2a、0.5份1,6-己二醇、0.1份丙三醇、0.2份二月桂酸二丁基锡、0.2份三亚乙基二胺、0.1份有机硅油、5份二氯甲烷、3份水,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:12份六亚甲基二异氰酸酯,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B按照1.5∶1质量比混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,然后自由发泡,得到一种开孔软质聚氨酯泡沫塑料。
性能测试:密度(kg/m3):58;25%压缩强度(KPa):3.1;拉伸强度(MPa):1.2;撕裂强度(N/M):0.74;开孔率(%):96;伸长率(%):248;压缩变定值(%):12.1。得到的聚合物泡沫材料比重轻、易成型,破损之后可通过加热进行重新成型利用,可将其作为食品、精密仪器、工艺品的泡沫包装材料使用。
实施例3
按重量份数称取反应物料A:12份N,N'-二叔丁基己二胺、4份1H-苯并咪唑-5,6-二胺、0.5份1,6-己二醇、0.1份丙三醇、0.2份二月桂酸二丁基锡、0.2份三亚乙基二胺、0.1份有机硅油、5份二氯甲烷、3份水,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:12份六亚甲基二异氰酸酯,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B按照1.1∶1质量比混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,静置固化72h,得到基于单一网络动态聚合物的半硬质聚氨酯泡沫塑料。
性能测试:密度(kg/m3):186;压缩强度(KPa):350;剪切强度(KPa):288;压缩变定值(%):6.8;闭孔率(%):95。该产品可以作为硬质性包装盒、装饰板材进行使用,具有韧性和耐用性,同时具有良好的可回收性。
实施例4
2,5-二甲基-2,4-己二烯二羧酸和2-巯基-N-甲基乙酰胺按照摩尔比1∶1.1混合,再加入0.2wt%的光引发剂安息香双甲醚(DMPA),在紫外交联仪中紫外辐射4h,得到侧基带有氢键基团的二羧酸化合物。
上述带有氢键基团的二羧酸化合物、N,N'-二叔丁基-1,2-二苯基乙二胺和季戊四胺按照摩尔比100∶60∶10混合,再加入1wt%缩合剂DCC和0.5wt%活化剂DMAP,在DMF中反应,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态酰胺键的动态聚合物。
该聚合物产品不仅体现出极好的强度,而且表现出了十分优异的韧性,可将其作为一种密封条、密封圈进行使用。
实施例5
二环[2,2,2]辛烷-1,4-环己二羧酸和氯化亚砜按照摩尔比1∶2混合,在DMF中反应,得到二环[2,2,2]辛烷-1,4-环己二酰氯。
季戊四胺和丁基异氰酸酯按摩尔比1∶1混合,在二月桂酸二丁基锡催化下,二氯甲烷中反应,得到侧基含有脲基的三元胺化合物。
二环[2,2,2]辛烷-1,4-环己二酰氯和双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯、上述侧基含有脲基的三元胺化合物按照摩尔比5∶2∶2混合,加入10wt%碳纳米管、10wt%石墨烯,在三乙胺催化下,二氯甲烷中反应,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态酰胺键的动态聚合物。
本实施例中,可将聚合物样品制成一种导电密封胶进行使用,其能够体现出良好的韧性和弹性,并且可依据需要压制成不同形状尺寸的产品,破损或不再需要的样品可进行回收,制成新的产品使用。
实施例6
丙烯酸-2-叔丁基氨基乙酯和O-异丁基-N-烯丙基硫代氨基甲酸酯按照摩尔比12∶10混合,再加入5mol%的AIBN,通过自由基聚合制备得到两者的共聚物,即侧基带有硫代氨基甲酸酯基的仲胺化合物。
上述侧基带有硫代氨基甲酸酯基的仲胺化合物和六亚甲基二异氰酸酯按照叔丁基氨基和异氰酸酯的摩尔比约1∶1混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.05wt%三亚乙基二胺,并溶胀于80wt%的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C4MIM]PF6)离子液体中,充分搅拌24h,再静置12h,制备得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的高强度离子液体动态聚合物凝胶。
该离子液体凝胶的模量在36kPa,应变可以达到32倍,断裂应力在200kPa。本产品可以作为应力承载材料在精细模具中进行使用,起到承载应力作用的同时,又具有一定的可变形性,在其出现裂纹或破损时,还可通过挤压重塑进行修复。
实施例7
(1)辛二酰氯和N,N',N”,N”'-四叔丁基-季戊四胺按照摩尔比2∶1混合,在三乙胺催化下,二氯甲烷中反应,得到一种含有位阻效应诱导动态酰胺键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)将丙烯酸-2-叔丁基氨基乙酯和丙烯酸酯化合物按照摩尔比1.2∶1混合,再加入5mol%AIBN,通过自由基聚合制备得到带有侧氢键基团的丙烯酸酯共聚物。
将上述带有侧氢键基团的丙烯酸酯共聚物和己二酰氯按照叔丁基氨基和酰氯基团的摩尔比约为2∶1混合,溶胀于第1网络聚合物中,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡、0.1wt%三亚乙基二胺、5wt%镓铟液态合金,充分搅拌48h,制备得到含有位阻效应诱导动态酰胺键的双网络动态聚合物。
该实施例制得的动态聚合物力学性能:拉伸强度1.8MPa,断裂延长率1670%;密度:110kg/m3。动态聚合物材料能够在外力作用下产生蠕变,能够进行大范围拉伸而不断裂,可将其制作成具有超强韧性和导热特性的聚合物封堵胶。
实施例8
(1)N,N'-二(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)乙二胺和六亚甲基二异氰酸酯按照摩尔比约1∶2混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.1wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)二烯丙基氨基甲氧基乙酰苯胺、1-(烯丙氧基)-3-{[3-(烯丙氧基)-2-羟基丙基]氨基}丙烷-2-醇、卢丁二硫醇、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)按照摩尔比20∶20∶40∶1混合,加入到120wt%增塑剂环氧乙酰蓖麻油酸甲酯中,溶胀于第1网络聚合物中,再加入0.2wt%的安息香双甲醚(DMPA),搅拌充分混合后,倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中,放在紫外交联仪中紫外辐射8h,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的环氧乙酰蓖麻油酸甲酯溶胀的有机凝胶。
该实施例制备的环氧乙酰蓖麻油酸甲酯溶胀的有机凝胶的模量在25kPa,应变可以达到18倍,断裂应力在96kPa。在本实施例中,可将聚合物产品作为一种可回收性电子灌封材料使用。
实施例9
(1)N-二苯甲基N’-(叔丁基)己-1,6-二胺、十一烷-1,6,11-三胺和1,4-环己烷二异氰酸酯按照摩尔比约10∶2∶13混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.1wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)将一定量的5-环辛烯-1,2-二醇和2-咪唑烷酮-4-羧酸混合,控制两者摩尔数的比值约为1∶2,以二环乙基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶为催化剂,二氯甲烷为溶剂,得到含氢键基团的单体9a。
将一定量的含氢键基团的单体9a和环辛烯混合溶于二氯甲烷,控制两者摩尔数的比值约为1∶2,并加入相对于单体80wt%的第1网络聚合物,使得烯烃单体溶胀于第1网络聚合物中,在第二代Grubbs催化剂作用下,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物。
该聚合物样品不仅体现出十分优良的拉伸韧性,还具有良好的可塑性和回弹性;可依据模具尺寸制备成不同形状的产品,对其表面进行按压之后,凹陷处能够迅速回复,当其表面出现破损时,通过加热可重新成型,实现回收利用,可以将其作为一种可回收性垫片,用于精密仪器或者电子产品的密封,在其表面出现裂纹或破损时,还可通过加热进行修复。
实施例10
(1)将鸟嘌呤与两端为琥珀酰亚胺琥珀酸酯基的聚乙二醇在三乙胺的催化下反应,得到两端为鸟嘌呤基的聚乙二醇。
(2)3-烯丙基-1,2-苯二胺和2-叔丁氧羰基氨基乙硫醇按照摩尔比1∶1混合,加入0.2wt%的光引发剂安息香双甲醚(DMPA),搅拌充分后,放在紫外交联仪中紫外辐射4h,制备得到化合物10a。
按重量份数称取反应物料A:22份两端为鸟嘌呤基的聚乙二醇、15份N,N'-二叔丁基-2,3-二氢-1H-茚-1,2-二胺、6份化合物10a、0.5份1,4-丁二醇、0.1份二月桂酸二丁基锡、0.05份三亚乙基二胺、0.1份有机硅油和1.5份可发泡聚合物微球,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:12份六亚甲基二异氰酸酯,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B充分混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,然后迅速注入到模具中,在室温下固化1h,然后在80℃下固化4h,即得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的二元互穿网络复合泡沫材料。
该泡沫材料性能测试:密度(kg/m3):119;50%压缩强度(KPa):16;拉伸强度(MPa):6.7;伸长率(%):76;硬度(邵氏A):25;24h后压缩残留变形(%):0.85。得到的聚合物泡沫材料比重轻、易成型,破损之后可通过加热进行重新成型利用,可将其作为食品、精密仪器、工艺品的泡沫包装材料使用。
实施例11
(1)六氢-1,3,5-三(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)-1,3,5-三嗪和降冰片烷二异氰酸酯按照摩尔比约2∶3混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.1wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)将胞嘧啶与两端为琥珀酰亚胺琥珀酸酯基的聚乙二醇在三乙胺的催化下反应,得到两端为胞嘧啶基的聚乙二醇,将其充分溶胀于第1网络聚合物中,加入10wt%氮化硼和10wt%石墨,在三乙胺催化下,二氯甲烷中反应,得到一种含有氢键基团和位阻效应诱导动态脲键、酰胺键的动态聚合物。
该聚合物产品不仅体现出极好的强度,而且表现出了十分优异的韧性,可将其作为一种可自修复的导热密封条、密封圈进行使用。
实施例12
(1)十一烷-1,6,11-三胺和异硫氰酸乙酯按照等摩尔比混合,溶于200mL二氯甲烷,然后加入0.1份二月桂酸二丁基锡,0.1份三亚乙基四胺作为催化剂,制备得到侧基带硫脲基的二胺化合物12a。
庚二酰氯、化合物12a、N,N'-二(3-戊基)-1,2-环戊二胺和三乙烯四胺按照摩尔比24∶8∶12∶2混合,在三乙胺催化下,二氯甲烷中反应,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态酰胺键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)在第1网络聚合物中加入10wt%的聚酰胺颗粒、0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.1wt%的三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态酰胺键、脲键的动态聚合物。
该产品具有良好的可塑性,可根据实际需要放置于不同形状的模具中,并在一定温度条件下施加一定压力,即可根据模具成型为不同形状的聚合物产品,可以用于制备各种可回收性工艺品。
实施例13
(1)2-甲基-2-丙烯酸-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基酯和5-丁烷-2-基-5-丙-2-烯基-1,3-二嗪农-2,4,6-三酮按照摩尔比2∶1混合,再加入5mol%的AIBN,通过自由基聚合制备得到两者的共聚物,即侧基带有氢键基团的仲胺化合物。
上述侧基带有氢键基团的仲胺化合物和六亚甲基二异氰酸酯按照哌啶基和异氰酸酯的摩尔比约1∶1混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.05wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)4-二烯丙基氨基苯基N-甲基氨基甲酸酯、N,N'-乙烯基双丙烯酰、双(2-巯基乙基)醚和三丙烯胺按照摩尔比50∶30∶100∶15充分混合,加入到增塑剂环氧乙酰蓖麻油酸甲酯中,充分溶胀于第1网络聚合物中,再加入相对于单体0.15wt%的光引发剂安息香双甲醚(DMPA)、3wt%纳米银、3wt%纳米钯,搅拌充分混合后,倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中,放在紫外交联仪中紫外辐射12h,即可得到一种环氧乙酰蓖麻油酸甲酯溶胀的有机凝胶。
该实施例制备的有机凝胶的模量在18kPa,应变可以达到16倍,断裂应力在98kPa。该有机凝胶可以用于制造一种自修复密封材料,其可通过红外遥感加热实现自修复。
实施例14
(1)将20.8g氨甲酸2,3-二溴丙酯和23.5g叠氮化钠在100mLDMF溶液中,搅拌3天,制得氨甲酸2,3-二叠氮丙酯。
将16.6g氨甲酸2,3-二叠氮丙酯、14.7g二甲基-2.2-二(丙-2-炔基)丙二酸二乙酯和2g交联剂三炔丙胺加入到1LDMF中,再加入相对于单体0.2wt%的催化剂CuBr(PPh3)3和三[(1-苄基-1H-1,2,3-三唑-4-基)甲基]胺(TBTA),搅拌充分混合后,无氧常温下反应12小时,即可得到第1网络聚合物。
(2)以异氰酸酯丙烯酸乙酯为单体,AIBN为引发剂,加热到60℃反应4h,通过自由基聚合制得聚异氰酸酯丙烯酸乙酯。
将制得的聚异氰酸酯丙烯酸乙酯和一定量的丙醇混合,以三乙胺作为催化剂,在二氯甲烷中反应,控制反应中聚异氰酸酯丙烯酸乙酯侧基中异氰酸根的摩尔数和丙醇中羟基摩尔数的比值约为10:8,使得聚异氰酸酯丙烯酸乙酯侧基带有氨基甲酸酯基团。
按重量份数称取反应物料A:12份上述侧基带有氨基甲酸酯基团的聚异氰酸酯丙烯酸乙酯、0.5份1,4-丁二醇、0.1份二月桂酸二丁基锡,0.05份三亚乙基二胺以及10份第1网络聚合物,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:15份N,N'-二叔丁基-4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B按2.1∶1质量比混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,然后迅速注入到模具中,在室温下固化30min,然后在120℃下固化2h,即得到一种软质泡沫材料。
性能测试:密度(kg/m3):28;80%压缩强度(MPa):11;拉伸强度(MPa):2.6;伸长率(%):167;压缩变定值(%):6.2。该软泡具有良好的柔韧性,可进行较大范围的拉伸,破损之后可通过加热进行重新成型利用,可将其作为食品、精密仪器、工艺品的泡沫包装材料使用。
实施例15
(1)5-(2-丙烯基硫基)-2,4(1H,3H)-嘧啶二酮、3-氨基丙烯、N,N-二烯丙基丙烯酰胺按照摩尔比50∶25∶1混合反应,加入5mol%的AIBN作为引发剂,制备得到一种含有侧氢键基团的聚合物,将其破碎呈颗粒状。
(2)取20份聚合物颗粒、12份N,N'-二叔丁基乙二胺、0.1份1,6-己二醇、0.3份三(3-氨基乙基)胺、0.2份二月桂酸二丁基锡、0.2份三亚乙基二胺,溶于100份1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([C4MIM]PF6)离子液体中,再加入12份1,4-环己烷二异氰酸酯,充分搅拌24h,然后静置12h,即可得到一种分散有超分子颗粒的动态聚合物离子液体凝胶。
将上述动态聚合物离子液体凝胶经去离子水置换出离子液体,并每隔12h更换去离子水一次,置换5次,即得动态聚合物水凝胶。
该实施例制备的水凝胶的模量在12kPa,应变可以达到12倍,断裂应力在58kPa。在本实施例中,制得的聚合物水凝胶可以作为兼具有高吸水性和自愈合特性的复合包装材料或吸液衬里材料使用。
实施例16
(1)6-(戊-4-烯-1-基)-1,3,5-三嗪-2,4-二胺和N-(4-巯基苯基)环丙甲酰胺按照摩尔比1∶1混合,加入0.2wt%的光引发剂安息香双甲醚(DMPA),搅拌充分后,放在紫外交联仪中紫外辐射4h,制备得到化合物16a。
将12份N,N'-二叔丁基己二胺、6份化合物16a、0.5份1,6-己二醇、0.1份丙三醇、0.2份二月桂酸二丁基锡、0.2份三亚乙基二胺加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀,再加入20份六亚甲基二异氰酸酯,反应24h,得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)按重量份数称取反应物料A:20份第1网络聚合物、10份端氨基聚醚、0.1份二月桂酸二丁基锡、0.05份三亚乙基二胺、0.1份有机硅油、6份二氯甲烷、3.5份水,加入到容器中,在料温35℃、搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;反应物料B:15份六亚甲基二异氰酸酯,加入到容器中,在料温35℃搅拌速度200r/min的条件下搅拌均匀;然后将反应物料A与反应物料B混合,经专业设备快速搅拌至产生气泡,然后迅速注入到模具中,在室温下固化30min,然后在120℃下固化2h,即得到一种含有超分子氢键和位阻效应诱导动态脲键的硬质复合泡沫材料。
性能测试:密度(kg/m3):219;80%压缩强度(MPa):17;拉伸强度(MPa):6.6;伸长率(%):20;撕裂强度(N/M):0.91;压缩变定值(%):6.7。这种高密度硬泡可以用于制造一种自修复鞋垫,即使开裂或遭受划痕,也可自愈合。
实施例17
(1)丙烯酸-2-叔丁基氨基乙酯和仲丁基丙烯酸酯按照摩尔比8∶5混合,再加入5mol%的AIBN,通过自由基聚合制备得到两者的共聚物,即得仲胺化合物。
将上述仲胺化合物和环己烷二亚甲基二异氰酸酯按照叔丁基氨基和异氰酸酯的摩尔比约2∶1混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.05wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)将异氰酸酯丙烯酸乙酯和四氢吡咯在溶剂二氯甲烷中反应,保持异氰酸酯和氨基的摩尔比为1∶1,得到含脲键衍生物的丙烯酸酯单体。将丙烯酸酯单体、甲基丙烯酸正丁酯、光引发剂DMPA按照摩尔比10∶10∶1充分共混后,在光照下聚合,得到含有侧脲基的改性聚(甲基)丙烯酸酯。
将50质量份所得改性聚(甲基)丙烯酸酯破碎成颗粒,加入200wt%的环氧大豆油,搅拌充分混合后,溶胀于第1网络聚合物中。该实施例所制备的环氧大豆油溶胀的凝胶的模量在17kPa,应变可以达到12倍,断裂应力在23kPa。聚合物材料在较慢的拉伸速率下能够大范围拉伸,发生蠕变;但若快速拉伸,则表现出弹性特征,用手指进行按压后能够快速复原。本产品可以作为具有粘性-弹性魔幻转换效果的玩具。
实施例18
(1)2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基丙烯酸酯和2-(2-氧-1-咪唑烷基)乙基甲基丙烯酸按照摩尔比12∶10混合,再加入5mol%的AIBN,通过自由基聚合制备得到两者的共聚物,即侧基带有咪唑烷酮基的仲胺化合物。
上述侧基带有咪唑烷酮基的仲胺化合物和异佛尔酮二异氰酸酯按照哌啶基和异氰酸酯的摩尔比约1∶1混合,再加入0.1wt%的二月桂酸二丁基锡和0.05wt%三亚乙基二胺,充分搅拌24h,制备得到一种含有侧氢键基团和位阻效应诱导动态脲键的动态聚合物,作为第1网络聚合物。
(2)将N-烯丙基-1H-咪唑-1-甲酰胺、1,10-癸二硫醇按摩尔比2∶1混合,充分溶胀于第1网络中,加入0.2wt%的安息香双甲醚(DMPA)作为光引发剂,搅拌充分混合后放在紫外交联仪中紫外辐射4h,得到分散有线型超分子聚合物的动态聚合物交联网络。
该动态聚合物力学性能:拉伸强度12.8MPa,断裂延长率550%。该产品具有良好韧性,可以制备聚合物封堵胶、自修复粘接剂、夹层胶。
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。