CN111040119A - 一种自修复型有机硅改性聚氨酯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自修复型有机硅改性聚氨酯及其制备方法。本发明自修复型有机硅改性聚氨酯的原料主要包括:碳碳双键封端的有机硅改性聚氨酯预聚物、活性稀释剂、硫辛酸、金属化合物等。本发明通过硫辛酸和碳碳双键封端的有机硅改性聚氨酯预聚体结合,一步法制备出具有自修复功能的有机硅改性聚氨酯材料,过程工艺简单,适合工业化生产;本发明在有机硅改性聚氨酯链中引入具有可逆特性的动态可逆共价键(双硫键)或可逆非共价键相互作用(氢键和配位键)的结构单元,实现提供具有多重自修复复合机制的有机硅改性聚氨酯材料;本发明自修复有机硅改性聚氨酯材料在制备和使用过程中,无需使用溶剂,显示了良好的绿色环保特性。
Description
技术领域
本发明属于聚氨酯树脂及其制备领域,特别涉及一种自修复型有机硅改性聚氨酯及其制备方法。
背景技术
有机硅改性聚氨酯是以聚硅氧烷为软段合成的聚硅氧烷一聚氨酯嵌段共聚物,兼具有聚硅氧烷和聚氨酯两者的优异性能,表现出良好的低温柔顺性、介电性、表面富集性和优良的生物相容性等,克服了聚硅氧烷机械性能差的缺点,也弥补了聚氨酯耐候性差的不足,在涂料、血液相容材料等方面有着潜在的应用,是一种很有发展前景的新型高分子材料。然而,有机硅改性聚氨酯材料在使用的过程中仍不可避免地容易受到外界的机械损伤,缩短了其使用寿命,并大大提高了材料的维修和替换成本。而要解决这一问题,使聚氨酯材料具有自修复能力则是一个十分有效的解决方案。
目前,关于自修复聚氨酯材料已有报道。一般而言,在聚氨酯链中引入具有可逆特性的动态可逆共价键或可逆非共价键相互作用的结构单元,是构建自修复聚氨酯的主要方法。然而,一方面,动态可逆共价键或可逆非共价键相互作用的结构单元在聚氨酯链中的引入,一般都需要在反应体系里面加入共溶剂来实现,这会导致自修复聚氨酯材料在制备和使用过程中带来可挥发物(VOC)的释放及能耗和环境问题;另一方面,现有自修复聚氨酯的自修复机制相对单一,无法获得兼具综合性能良好和理想自修复效果的材料。
因此,提供一种具有无溶剂环保型及多重自修复机制的有机硅改性聚氨酯,具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于:提供一种自修复型有机硅改性聚氨酯。本发明自修复型有机硅改性聚氨酯,其原料主要包括:碳碳双键封端的有机硅改性聚氨酯预聚物、活性稀释剂、硫辛酸、金属化合物等。
由于硫辛酸分子五元环内的双硫键低键能以及可逆交换动态平衡反应,为实现本发明有机硅改性聚氨酯的自修复功能提供了可能。本发明利用双硫键-硫醇和双硫键本身之间的可逆交换动态平衡反应性能,一方面,在加热条件下,(双硫键-硫醇键)与碳碳双键封端的有机硅改性聚氨酯预聚物发生反应,在有机硅改性聚氨酯链段上引入双硫键;另一方面,控制体系硫辛酸含量,在加热条件下,硫辛酸分子五元环内的双硫键发生动态交换实现开环聚合 ,可以形成含双硫健线性共价骨架结构;由此可获得具有可逆特性的动态可逆共价键(双硫键)的有机硅改性聚氨酯链段结构。
双硫键的低键能以及可逆交换动态平衡反应为温和条件下实现本发明聚合物材料的自修复提供了可能,含双硫键的聚合物可以在室温或外界刺激下(如可见光,紫外光,催化剂,碱性环境,氧化还原条件,加热)对出现的裂纹进行自修复。
由于硫辛酸结构中含有羧酸基团,从而在体系具有可逆特性的动态可逆共价键的基础上,在有机硅改性聚氨酯侧链上引入羧酸结构,侧链羧酸基团可通过氢键作用,实现对线性共价骨架结构的交联;在金属离子存在下,侧链羧酸基团可与金属离子进行络合反应,形成配位键交联结构。
本发明在有机硅改性聚氨酯链中引入具有可逆特性的动态可逆共价键(双硫键)或可逆非共价键相互作用(氢键和配位键)的结构单元,实现提供具有多重自修复复合机制的有机硅改性聚氨酯材料。
为实现本发明目的,一种自修复型有机硅改性聚氨酯,其特征在于,原料按重量份数包括:
有机硅改性聚氨酯预聚物 100份,
活性稀释剂 0~100份
硫辛酸 1~100份
金属化合物 0.001~20份
所述活性稀释剂为一缩二乙二醇二丙烯酸酯、 二缩三乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、三丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯苯、苯乙烯、二烯丙基胺、2,2'-二烯丙基双酚 A的至少一种。本发明采用活性稀释剂,一方面可调控体系粘度,使得体系更好混合均匀;另一方面,活性稀释剂含有双键,可参与有机硅改性聚氨酯预聚物和硫辛酸体系的反应,对体系的分子设计和自修复功能进行调控,来获得良好自修复功能的有机硅改性聚氨酯材料。
所述金属化合物为氯化铁、氯化钙、氯化锌、乙酸锌、硫酸锌的至少一种;
所述有机硅改性聚氨酯预聚物由下述步骤制备而成:将羟基或氨基封端的聚硅氧烷、二异氰酸酯、催化剂混合,在70~100℃条件下搅拌反应30~300min,温度降至50℃以下;加入封端剂,于60~80℃条件下搅拌反应20~200min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
所述二异氰酸酯、羟基或氨基封端的聚硅氧烷、封端剂的摩尔比为2:(0.5~1.5):(0.5~1.5);
所述催化剂用量为二异氰酸酯/羟基或氨基封端的聚硅氧烷总重量的0~5%;
当采用氨基封端的聚硅氧烷或含氨基的扩链剂时,则在制备的过程中可不需要加入催化剂;
所述有机硅改性聚氨酯预聚物的分子量优选500~8000;
所述羟基或氨基封端的聚硅氧烷的通式如下:
其中,R1、R2代表甲基或苯基,R1与R2相同或不同;R3代表有0到6个碳原子的线性的二价烷基基团或者烷基醚,R4代表-OH或-NH2;所述羟基或氨基封端的聚硅氧烷的分子量为300~5000;
所述羟基或氨基封端的聚硅氧烷为α,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基丙基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基乙基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基丁基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基戊基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基己基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二羟基丙基乙基醚聚二甲基硅氧烷;α,ω-二氨基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氨基丙基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氨基乙基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氨基丁基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氨基戊基聚二甲基硅氧烷、α,ω-二氨基己基聚二甲基硅氧烷;α,ω-二羟基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二羟基丙基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二羟基乙基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二羟基丁基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二羟基戊基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二羟基己基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二氨基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二氨基丙基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二氨基乙基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二氨基丁基聚甲基苯基硅氧烷、α,ω-二氨基戊基聚甲基苯基硅氧烷和α,ω-二氨基己基聚甲基苯基硅氧烷的至少一种;
所述二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和二环己基甲烷二异氰酸酯的至少一种;
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡和三亚乙基二胺中的至少一种;
所述封端剂为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯和丙烯酸4-羟基丁酯、乙二醇单烯丙基醚、甲代烯丙基醇、二乙二醇单烯丙基醚、聚乙二醇单烯丙基醚中的至少一种。
本发明的另一目的在于,提供一种自修复型有机硅改性聚氨酯的制备方法。
为实现本目的,自修复型有机硅改性聚氨酯的制备方法,制备步骤为:将有机硅改性聚氨酯预聚物、活性稀释剂、硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至60~120℃条件下,搅拌反应5~300min,然后加入金属化合物,反应1~2h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明通过硫辛酸和碳碳双键封端的有机硅改性聚氨酯预聚体结合,一步法制备出具有自修复功能的有机硅改性聚氨酯材料,过程工艺简单,适合工业化生产;本发明在有机硅改性聚氨酯链中引入具有可逆特性的动态可逆共价键(双硫键)或可逆非共价键相互作用(氢键和配位键)的结构单元,实现提供具有多重自修复复合机制的有机硅改性聚氨酯材料;本发明自修复有机硅改性聚氨酯材料在制备和使用过程中,无需使用溶剂,显示了良好的绿色环保特性。
附图说明
图1 为实施例自修复型有机硅改性聚氨酯的自修复照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例子对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二羟基聚二甲基硅氧烷(平均分子量为1000)、50g二苯基甲烷二异氰酸酯、0.5g辛酸亚锡混合,在70℃条件下搅拌反应200min,温度降至50℃以下;加入11.6g丙烯酸羟乙酯,于80℃条件下搅拌反应100min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、20g二乙烯苯、100g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至90℃条件下,搅拌反应200min,然后加入0.1g氯化铁,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参见附图1,它是本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯的自修复照片。首先,将本实施例得到的自修复型有机硅改性聚氨酯裁剪成两块,然后将裁剪后的有机硅改性聚氨酯放置一起进行微挤压至两块裁剪后有机硅改性聚氨酯结合在一起,直至裂缝消失。结果显示,在40℃条件下进行微挤压约10min,两块裁剪后有机硅改性聚氨酯愈合在一起,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例2
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二羟基丙基聚二甲基硅氧烷(平均分子量为500)、90.4g赖氨酸二异氰酸酯、20g辛酸亚锡混合,在80℃条件下搅拌反应300min,温度降至50℃以下;加入52g乙二醇单烯丙基醚,于70℃条件下搅拌反应100min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、50g二乙烯苯、40g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至90℃条件下,搅拌反应100min,然后加入0.001g氯化铁,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在60℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例3
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二氨基聚二甲基硅氧烷(平均分子量为5000)、6.96g甲苯二异氰酸酯混合,在100℃条件下搅拌反应30min,温度降至50℃以下;加入4.64g丙烯酸羟丙酯,于80℃条件下搅拌反应100min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、1g苯乙烯、10g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至90℃条件下,搅拌反应200min,然后加入20g氯化钙,反应2h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在90℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例4
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二氨基聚二甲基硅氧烷(平均分子量为300)、111.89g六亚甲基二异氰酸酯,在90℃条件下搅拌反应100min,温度降至50℃以下;加入95.9g甲基丙烯酸羟丙酯,于70℃条件下搅拌反应80min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、100g三丙二醇二丙烯酸酯、1g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至100℃条件下,搅拌反应80min,然后加入1g氯化钙,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在80℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例5
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二羟基丙基聚甲基苯基硅氧烷(平均分子量为800)、36.98g异佛尔酮二异氰酸酯、0.5g三亚乙基二胺混合,在85℃条件下搅拌反应300min,温度降至50℃以下;加入10.83g丙烯酸4-羟基丁酯,于80℃条件下搅拌反应20min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、10g二乙烯苯、15g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至60℃条件下,搅拌反应300min,然后加入0.5g氯化锌,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在30℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例6
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二羟基乙基聚甲基苯基硅氧烷(平均分子量为2000)、17.44g二环己基甲烷二异氰酸酯、0.3g二月桂酸二丁基锡混合,在80℃条件下搅拌反应100min,温度降至50℃以下;加入4.33g甲基丙烯酸羟乙酯,于80℃条件下搅拌反应200min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、10g丙烯酸异冰片酯、10g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至120℃条件下,搅拌反应5min,然后加入1g氯化锌,反应2h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在60℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例7
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二氨基聚甲基苯基硅氧烷(平均分子量为1000)、29.59g异佛尔酮二异氰酸酯,在70℃条件下搅拌反应100min,温度降至50℃以下;加入4.75g甲基丙烯酸羟乙酯,于80℃条件下搅拌反应40min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、80g二缩三乙二醇二丙烯酸酯、100g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至100℃条件下,搅拌反应100min,然后加入5g乙酸锌,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在50℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
实施例8
(1)有机硅改性聚氨酯预聚物的制备
将100gα,ω-二羟基己基聚甲基苯基硅氧烷(平均分子量为2000)、44.4g异佛尔酮二异氰酸酯、1g二月桂酸二丁基锡混合,在100℃条件下搅拌反应30min,温度降至50℃以下;加入19.5g甲基丙烯酸羟乙酯,于80℃条件下搅拌反应100min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
(2)自修复型有机硅改性聚氨酯的制备
将100g有机硅改性聚氨酯预聚物、45g一缩二乙二醇二丙烯酸酯、30g硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至110℃条件下,搅拌反应50min,然后加入2g硫酸锌,反应1h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯。
参照实施例1自修复观察方式,本实施例提供的自修复型有机硅改性聚氨酯可在40℃条件下实现自修复功能,且有机硅改性聚氨酯的力学性能在修复前后几乎保持不变。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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 (2)
1.一种自修复型有机硅改性聚氨酯,其特征在于,原料按重量份数包括:
有机硅改性聚氨酯预聚物 100份,
活性稀释剂 0~100份,
硫辛酸 1~100份,
金属化合物 0.001~20份,
所述活性稀释剂为一缩二乙二醇二丙烯酸酯、 二缩三乙二醇二丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、三丙二醇二丙烯酸酯、二乙烯苯、苯乙烯、二烯丙基胺、2,2'-二烯丙基双酚 A的至少一种;
所述金属化合物为氯化铁、氯化钙、氯化锌、乙酸锌、硫酸锌的至少一种;
所述有机硅改性聚氨酯预聚物由下述步骤制备而成:将羟基或氨基封端的聚硅氧烷、二异氰酸酯、催化剂混合,在70~100℃条件下搅拌反应30~300min,温度降至50℃以下;加入封端剂,于60~80℃条件下搅拌反应20~200min,得到有机硅改性聚氨酯预聚物;
所述二异氰酸酯、羟基或氨基封端的聚硅氧烷、封端剂的摩尔比为2:(0.5~1.5):(0.5~1.5);
所述催化剂用量为二异氰酸酯/羟基或氨基封端的聚硅氧烷总重量的0~5%;
所述羟基或氨基封端的聚硅氧烷的通式如下:
其中,R1、R2代表甲基或苯基,R1与R2相同或不同;R3代表有0到6个碳原子的线性的二价烷基基团或者烷基醚,R4代表-OH或-NH2;所述羟基或氨基封端的聚硅氧烷的分子量为300~5000;
所述二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和二环己基甲烷二异氰酸酯的至少一种;
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡和三亚乙基二胺中的至少一种;
所述封端剂为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯和丙烯酸4-羟基丁酯、乙二醇单烯丙基醚、甲代烯丙基醇、二乙二醇单烯丙基醚、聚乙二醇单烯丙基醚中的至少一种。
2.一种如权利要求1所述的自修复型有机硅改性聚氨酯的制备方法,其特征在于:制备步骤为:将有机硅改性聚氨酯预聚物、活性稀释剂、硫辛酸室温预搅拌混合均匀;加热至60~120℃条件下,搅拌反应5~300min,然后加入金属化合物,反应1~2h;随后,随后真空脱泡,得到自修复型有机硅改性聚氨酯;所述有机硅改性聚氨酯预聚物、活性稀释剂、硫辛酸、金属化合物的质量比为:100:(0~100):( 1~100):(0.001~20)。
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