CN110964202A - 一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：将胺源、酚源、醛源按照一定的比例加入溶剂中，加热至回流反应，即得聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪；所述的胺源为含氨基的聚硅氧烷，所述的酚源为二酚化合物。该方法制备得到的苯并噁嗪材料的开环聚合的温度降低、热稳定性以及韧性增加，本发明制备工艺简单，可控，合成效率高，成本低，适宜于大规模工业化生产，应用前景好。

Description

一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，属于有机硅高分子合成及材料制备领域。
背景技术
1944年，Holly和Cope在合成Mannich反应产物中意外发现苯并噁嗪化合物。1949年以来，Burke等人对苯并噁嗪的合成进行了较为深入的研究，合成了一系列含苯并噁嗪的化合物。苯并噁嗪是由酚源、醛源及氨源通过曼尼希反应得到的一种物质，其在加热条件下即可开环聚合形成聚苯并噁嗪、并且在固化过程中没有小分子物质的释放、固化收缩程度近似为零，由于聚苯并噁嗪具有较低的吸水率、较高的耐热性，且其模量高，介电小等优点，使得苯并噁嗪在树脂领域占有一席之地。然而，苯并噁嗪的开环温度高、热稳定性能差、脆性大等缺点，大大限制了苯并噁嗪的应用范围。
聚硅氧烷主链Si-O键能(425kJ/mol)远大于C-C键能(345kJ/mol)和C-O键能(351kJ/mo1)，稳定性好，耐候性优异。同时，聚硅氧烷分子体积大，内聚能密度低，具有优异耐玷污性、耐高低温性、疏水性和透气性等，能在-60-200℃范围内长期使用。另外，聚硅氧烷力学性能如拉伸强度、撕裂强度、伸长率、硬度等因环境温度变化而改变很小，安全可靠，使用寿命长。聚硅氧烷制品除具有耐腐蚀、耐辐照、耐高低温性能外，还具有低吸湿性、高绝缘电阻、低介电常数、低应力、减振、环保、低毒性、难燃等特性，广泛应用在工业、农业、建筑、电子、医疗、汽车、航空航天等国民经济的各个领域。
由于聚硅氧烷有着优良的分子链段的柔性及耐热性特性，因此，如果能将聚硅氧烷引入到苯并噁嗪中，则有望大大增强苯并噁嗪的热稳定性以及韧性。
徐计雷设计并成功制备了三种不同的含硅氧烷型苯并噁嗪：二苯基硅氧烷型苯并噁嗪(BADPS-Ba)、二甲基硅氧烷型苯并噁嗪(BADMS-Ba)、甲基苯基硅氧烷型苯并噁嗪(BAMPS-Ba)，通过傅里叶红外光谱、核磁氢谱、核磁碳谱对三种材料进行结构表征。由于分子主链上存在大量的硅氧碳键，致使分子主链柔性增强，导致了三类苯并噁嗪具有低的玻璃化转变温度，但三者Tg大小符合理论预期，相比主链上含有烷烃基型硅氧烷苯并噁嗪高出了很多，是热性能的一个提高(参见：徐计雷，含硅氧烷型苯并噁嗪的制备及热性能研究，西南石油大学硕士论文，2016年)。
虽然小分子硅氧烷对苯并噁嗪的开环温度、热稳定性及其韧性有所改善，但是幅度有限，而大分子聚硅氧烷能极大改善其热稳定性及韧性，且能极大降低其开环温度。
宋淑宁用APTMDS和APPDMS分别与苯酚在甲苯溶液中混合，加热反应24h后，得到得两种苯并噁嗪P-aptmds和P-appdms，通过DSC图，P-aptmds的固化起始温度为166℃，结束温度为245℃，而P-appdms的固化起始温度为208℃，结束温度为253℃，P-aptmds和P-appdms的峰顶温度分别为219℃和237℃。虽然两种结构的苯并噁嗪的开环温度较低，但实际上仍有进一步降低的空间。两种结构的苯并噁嗪的噁嗪环都是由烷基硅氧链连接起来的，含有硅氧链较短的苯并噁嗪初始反应温度和峰顶温度较低，反应速率较慢，当两个噁嗪环之间的距离增大反应温度增高，反应速率加快，但其800℃时残炭率分别为14.8％和22.2％，残炭率较低，不利于其热稳定性(参见：宋淑宁，端氨丙基硅氧烷型苯并噁嗪的合成与性能研究，河北大学硕士论文，2016)。
综上所述，国内外对于聚硅氧烷苯并噁嗪的制备较少，且对其性能改善也有进一步提高的空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，该方法合成条件简单、可控，合成效率高，该方法合成的材料的开环聚合的温度降低、热稳定性以及韧性增加，同时本发明制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪作为胶黏剂使用，具有很好的粘结性能。
发明概述
本发明提供一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，是从含氨基的聚硅氧烷出发制备聚硅氧烷苯并噁嗪，该方法主要采用二酚化合物为酚源、含氨基的聚硅氧烷为胺源、多聚甲醛等为醛源合成了一种具有粘接性能的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
将胺源、酚源、醛源按照一定的比例加入溶剂A中，加热至回流反应，即得聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪；所述的胺源为含氨基的聚硅氧烷，所述的酚源为二酚化合物。
根据本发明，优选的，所述的胺源、酚源、醛源的摩尔比为1：(1-6)：(1-15)；进一步优选为1：(1-4)：(1-6)。
根据本发明，优选的，所述的含氨基的聚硅氧烷为二氨丙基封端的聚硅氧烷、含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为30000)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为60000)。
根据本发明，优选的，所述的二酚化合物为邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚。
根据本发明，优选的，所述的醛源为福尔马林、多聚甲醛、对羟基苯甲醛或邻羟基苯甲醛；进一步优选的，所述的醛源为福尔马林、多聚甲醛。
根据本发明，优选的，所述的溶剂A为能溶解反应物且不与反应物发生化学反应的各种极性或非极性溶剂；进一步优选的，所述的溶剂A为甲苯、四氢呋喃、氯仿、甲醇、二苯醚、二甲亚砜或N,N-二甲基甲酰胺；更优选的，所述的溶剂A为甲苯、四氢呋喃。
根据本发明，优选的，所述的胺源与溶剂A的比为1:2-80mol/L，进一步优选为1:15-50mol/L。
根据本发明，优选的，所述的回流反应时间为10-48h，进一步优选为20-28h。
根据本发明，一种优选的实施方式，包括步骤如下：
(1)将醛源与溶剂B的混合液在冰水浴中搅拌10-60min，之后滴加胺源和溶剂C的混合液，在氮气气氛下加入酚源，将反应混合物加热至回流反应；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥过夜；将有机相旋蒸除去溶剂之后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的醛源与溶剂B的比为1:1-5mol/L，进一步优选为1:1-2mol/L。
根据本发明，优选的，步骤(1)中所述的胺源和溶剂C的比为1:1-4mol/L，进一步优选为1:1-3mol/L。
根据本发明，所述的溶剂B与溶剂C相同，且与溶剂A种类相同，所述的溶剂B与溶剂C的总量与溶剂A的量相同。
本发明的技术特点及有益效果如下：
1、本发明提供了一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，该方法将聚硅氧烷引入苯并噁嗪中，利用聚硅氧烷的优良特性来改善苯并噁嗪的缺点，降低了苯并噁嗪的开环固化温度，提高了苯并噁嗪的热稳定性以及韧性，为苯并噁嗪的发展及应用奠定了基础。
2、本发明的方法合成条件简单、可控，合成效率高，成本低，适宜于大规模工业化生产，应用前景好。
3、本发明制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪材料热稳定性好，800℃时残炭率高，且由DSC图看出开环温度为148℃，大大降低了苯并噁嗪的开环温度，并且兼具优良的粘接性能。
附图说明
图1为实施例1得到的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的傅里叶红外光谱图。
图2为实施例1得到的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁氢谱图。
图3为实施例1得到的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁碳谱图。
图4为实施例1得到的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁硅谱图。
图5为实施例1得到聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的DSC曲线。
图6为实施例1得到聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的TGA曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例中所用原料均为常规原料，市购产品。
其中，实施例中所用的福尔马林水溶液的质量分数为37％，购于阿拉丁试剂(上海)有限公司；
多聚甲醛购于阿拉丁试剂(上海)有限公司。
实施例1
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源的摩尔比为1：3：6；
(1)将福尔马林水溶液与甲苯的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与甲苯的比为1:5mol/L；恒压滴液漏斗装入甲苯和二氨丙基封端的聚硅氧烷的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与甲苯的比为1:3mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应24h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
本实施例中制备聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的反应方程式如下所示：
Figure BDA0002318193520000051
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的傅里叶红外光谱图如图1所示，从图1中可以看出，3554cm-1为噁嗪环相连苯环上羟基的伸缩振动峰；1221及1182cm-1分别为噁嗪环上C-O-C、C-N-C的伸缩振动峰；913cm-1为苯并噁嗪环的特征峰；1482cm-1处的吸收峰为三元取代苯环上伸缩振动峰；1093及1025cm-1为聚硅氧烷中Si-O-Si的伸缩振动峰。
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁氢谱图如图2所示，从图2中可以看出，δ(ppm)0.04(12H,SiCH3)，δ(ppm)0.45(4H,SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)1.58(4H,SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)2.63(4H,SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)3.74(4H,Ar-CH2-N)，δ(ppm)4.70(4H,O-CH2-N)，δ(ppm)6.2-6.8(6H,Ar-H)，且面积比都能一一对应。
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁碳谱图如图3所示，从图3中可以看出：δ(ppm)0.00(4C，SiCH3)，δ(ppm)15.61(4C，SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)21.83(4C，SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)54.31(4C,SiCH2CH2CH2N)，δ(ppm)(2C,O-CH2-N)，δ(ppm)82.79(2C,Ar-CH2-N)，110.54–144.83ppm(12C,Ar-C)。
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的核磁硅谱图如图4所示。
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的DSC曲线如图5所示，从图5中可以看出，所制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的开环温度为148℃，开环温度降低。
本实施例制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的TGA曲线如图6所示，从图6中可以看出，所制备的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的800℃残炭量为52％，所得材料残炭率升高，具有很好的热稳定性。
实施例2
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：2：8；
(1)将福尔马林水溶液与四氢呋喃的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与四氢呋喃的比为1:3mol/L；恒压滴液漏斗装入四氢呋喃和二氨丙基封端的聚硅氧烷的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述的胺源与四氢呋喃的比为1:4mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应20h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例3
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：4：7；
(1)将福尔马林水溶液与甲苯的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌40min，所述醛源与甲苯的比为1:5mol/L；恒压滴液漏斗装入甲苯和含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与甲苯的比为1:4mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应28h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例4
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：3：5；
(1)将多聚甲醛与四氢呋喃的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与四氢呋喃的比为1:3mol/L；恒压滴液漏斗装入四氢呋喃和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为30000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与四氢呋喃的比为1:3mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应30h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，最后得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例5
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：4：9；
(1)将多聚甲醛与甲醇的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与甲醇的比为1:5mol/L；恒压滴液漏斗装入甲醇和含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与甲醇的比为1:3mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应24h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例6
一种聚硅氧烷苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：2：8；
(1)将多聚甲醛与二苯醚的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与二苯醚的比为1:2.8mol/L；恒压滴液漏斗装入二苯醚和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为60000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与二苯醚的比为1:2.7mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应24h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例7
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：4：6；
(1)将福尔马林水溶液与二甲亚砜的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与二甲亚砜的比为1:5mol/L；恒压滴液漏斗装入二甲亚砜和含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与二甲亚砜的比为1:2mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应21h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用蒸馏水洗涤至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
实施例8
一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
其中胺源、酚源、醛源摩尔比为1：3：7
(1)将福尔马林水溶液与N,N-二甲基甲酰胺的混合液加到三颈圆底烧瓶中，在冰水浴中磁子搅拌30min，所述醛源与N,N-二甲基甲酰胺的比为1:4.2mol/L；恒压滴液漏斗装入N,N-二甲基甲酰胺和含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)的混合液，将混合液逐滴滴加到三颈圆底烧瓶中，所述胺源与N,N-二甲基甲酰胺的比为1:2.3mol/L；在氮气气氛下加入邻苯二酚，将反应混合物逐渐加热至回流，回流反应22h；
(2)反应结束后，旋蒸除去溶剂，所得产物溶于氯仿，用三次水洗至上层无色，有机相用无水硫酸钠干燥；将有机相旋蒸除去溶剂后，加入无水乙醇，离心，将上清液过滤残渣，得到红棕色粘稠液体，即为聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪。
试验例
将实施例1中得到的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪直接作为粘接剂，均匀地涂在钢板上，基材搭接面积为3.125cm2，仲裁试样为5个样本，在烘箱中70℃保温1小时，之后在80℃保温2h，再在90℃保温3h进行固化，后用WDW电子万能拉力机测定其性能，并报告了拉伸剪切强度的平均数值，如表1所示。
表1粘接性能测试结果
Figure BDA0002318193520000091
从表1可知，本发明合成的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的平均拉伸剪切强度为11.95MPa，具有一定优异的粘接性能，这为以后苯并噁嗪树脂的发展扩大了应用空间。

Claims (10)

1.一种聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，包括步骤如下：
将胺源、酚源、醛源按照一定的比例加入溶剂A中，加热至回流反应，即得聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪；所述的胺源为含氨基的聚硅氧烷，所述的酚源为二酚化合物。
2.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的胺源、酚源、醛源的摩尔比为1：(1-6)：(1-15)。
3.根据权利要求2所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的胺源、酚源、醛源的摩尔比为1：(1-4)：(1-6)。
4.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的含氨基的聚硅氧烷为二氨丙基封端的聚硅氧烷、含氨丙基侧链(链节比含量11％)的聚硅氧烷(数均分子量为9000)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为30000)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基侧链的(链节比含量9％)的聚硅氧烷(数均分子量为60000)。
5.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的二酚化合物为邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚。
6.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的醛源为福尔马林、多聚甲醛、对羟基苯甲醛或邻羟基苯甲醛；优选的，所述的醛源为福尔马林、多聚甲醛。
7.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的溶剂A为能溶解反应物且不与反应物发生化学反应的各种极性或非极性溶剂。
8.根据权利要求7所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的溶剂A为甲苯、四氢呋喃、氯仿、甲醇、二苯醚、二甲亚砜或N,N-二甲基甲酰胺；优选的，所述的溶剂A为甲苯、四氢呋喃。
9.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的胺源与溶剂A的比为1:2-80mol/L，优选为1:15-50mol/L。
10.根据权利要求1所述的聚硅氧烷/二酚型苯并噁嗪的制备方法，其特征在于，所述的回流反应时间为10-48h，优选为20-28h。
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