CN111138383A - 脂环族环氧树脂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脂环族环氧树脂及其制备方法。该制备方法中，首先将脂环族烯烃化合物与双氧水在催化剂的作用下反应，然后使用水溶液中呈碱性的碱金属碳酸盐对氧化反应后的有机相进行后处理。碱金属碳酸盐促使双氧水能够进一步分解彻底，此外残余在油相体系内的催化剂还能与碱金属碳酸盐作用进一步形成水溶性盐；同时采用吸附剂进一步吸附反应过程中产生的杂质与残余的催化剂，从而减小了有机相产物内的催化剂的残留量，进而避免了产品在精馏纯化阶段出现变色或聚合成分子量大的产物的问题，使制备得到的脂环族环氧树脂色泽好。

Description

脂环族环氧树脂及其制备方法
技术领域
本发明涉及环氧树脂领域，尤其涉及一种脂环族环氧树脂及其制备方法。
背景技术
脂环族环氧树脂具有很好的电绝缘性、耐候性、耐紫外光以及抗电子辐射性能，可广泛应用于抗紫外线涂料以及LED等电子产品上。目前常用的脂环族环氧树脂的制备工艺主要为过氧酸氧化法和催化氧化法。其中，过氧酸氧化法主要是采用无水的过氧乙酸或高浓度过氧有机酸作为氧化剂进行环氧化反应，该方法的生产条件苛刻，且生产过程中存在很大的安全隐患。催化氧化法则是以具有氧化作用的金属化合物为催化剂，并以过氧化物为氧源，从而催化合成脂环族环氧化合物，生产条件较温和，产率较高。
近年来，杂多酸类催化剂因其能选择性地均相催化环氧化反应，从而能大大提高不饱和脂环族化合物的转化率与环氧化反应的选择性而备受瞩目。然而当使用杂多酸类催化剂制备脂环族烯烃环氧化时，催化剂不能完全从有机相中析出，残留在有机相产物内的催化剂会致使产品在精馏纯化阶段变色或聚合成分子量大的产物，严重影响了产品品质。而且大分子产物沸点高，后处理时在极低的负压下依然需要很高的温度(180-200℃)才能精馏出来。由于环氧树脂性能活泼，精馏温度高又容易导致产生副产物，从而降低了反应的转化率与环氧化反应的选择性，且增加了生产成本。
发明内容
基于此，有必要提供一种脂环族环氧树脂及其制备方法。该制备方法的制备条件温和、成本低，且制备得到的脂环族环氧树脂色泽好。
本发明的技术方案如下。
本发明的一方面提供了一种脂环族环氧树脂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将脂环族烯烃化合物、催化剂、有机溶剂及吸附剂混合，得到混合物；上述催化剂为杂多酸有机盐，上述脂环族烯烃不含酯基。
步骤二、将双氧水加入上述混合物中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相；
步骤三、将碱金属碳酸盐、水及吸附剂加入上述有机相中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相、水洗、精馏，得到脂环族环氧树脂。
上述碱金属碳酸盐选自正盐或酸式盐。
上述碱金属碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。
上述杂多酸有机盐为：AmB3-mXMnNk-nO4+3k；A与B分别独立地选自[R1R2R3R4N+]，X选自磷原子或砷原子，M为钨原子，N为钼原子；
其中，R1、R2、R3、R4分别独立地选自H，苄基，直链或支链的烷基、环烷基；
m选自1～3任一整数；k选自3～6任一整数；0≤n≤k，且n＝0或n＝k时，m不为3。
上述A与上述B分别独立选自吡啶或其同系物。
上述脂环族烯烃化合物如通式(Ⅰ)：
Figure BDA0002346817290000021
上述步骤一中脂环族烯烃化合物、催化剂、吸附剂与有机溶剂的质量比为100:(1～3):(5～10):(150～250)；上述步骤一中脂环族烯烃化合物与上述步骤二中双氧水中含有的过氧化氢的摩尔比为1：(2～3.5)。
上述步骤一中脂环族烯烃化合物与上述步骤三中碱金属碳酸盐的摩尔比为1:(0.01～0.1)。
上述有机溶剂为腈、酮或卤代烷烃。
本发明另一方面还提供了上述的制备方法制得的脂环族环氧树脂。
有益效果
本发明的研究人员在研究过程中发现：杂多酸有机盐作为催化剂催化脂环族烯烃化合物发生氧化反应时，杂多酸有机盐本身不溶于有机溶剂中，但在过氧化氢的作用下杂多酸有机盐能够形成可溶于有机溶剂的物质，进而杂多酸有机盐作为催化剂能选择性地均相催化不饱和脂环族化合物发生环氧化反应。然而传统的对反应后的有机相处理中，为了使催化剂从反应体系的油相中析出，一般使用亚硫酸钠、硫代亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等还原剂中和过量未反应的双氧水，以降低杂多酸有机盐在过氧化氢的作用下的溶解，然而这种方法析出杂多酸催化剂的效率较低，而残留在有机相产物内的催化剂将导致产品在精馏纯化阶段变色或聚合成分子量大的产物，严重影响了产品品质，且增加了生产成本。
本发明的脂环族环氧树脂的制备方法，首先将脂环族烯烃化合物与双氧水在催化剂的作用下反应，然后使用水溶液中呈碱性的碱金属碳酸盐对氧化反应后的有机相进行后处理。相比于传统的亚硫酸钠、硫代亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等还原剂中和双氧水的方法，本发明采用呈碱性的碱金属碳酸盐促使双氧水能够进一步分解彻底，此外残余在油相体系内的催化剂还能与碱金属碳酸盐作用进一步形成水溶性盐，进而使得催化剂能够与含有脂环族环氧树脂油相有效地分离；同时采用吸附剂进一步吸附反应过程中产生的杂质与残余的催化剂，从而减小了有机相产物内的催化剂的残留量，进而避免了产品在精馏纯化阶段出现变色或聚合成分子量大的产物的问题。该制备方法条件温和，精馏过程不需要高温，产品收率与环氧化反应的选择性高，生产成本低，且制备得到的脂环族环氧树脂色泽好。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的一实施方式提供了一种脂环族环氧树脂的制备方法，包括以下步骤一至步骤步三。
步骤一、将脂环族烯烃化合物、催化剂、有机溶剂及吸附剂混合，得混合物；催化剂为杂多酸有机盐，脂环族烯烃不含酯基。
因为后处理步骤三中加入的水溶液中呈碱性的碱金属碳酸盐，若脂环族烯烃化合物含有酯键，则碱金属碳酸盐会与脂环族烯烃化合物上的酯键发生皂化，总而产生过多的副产物，影响产物品质。
在其中一个实施例中，杂多酸有机盐为：AmB3-mXMnNk-nO4+3k；A与B分别独立地选自[R1R2R3R4N+]，X选自磷原子或砷原子，M为钨原子，N为钼原子；
其中，R1、R2、R3、R4分别独立地选自H，苄基，直链或支链的烷基、环烷基；
m选自1～3任一整数；k选自3～6任一整数；0≤n≤k，且n＝0或n＝k时，m不为3。
进一步地，在其中一个实施例中，A与B分别独立选自吡啶或其同系物。
在其中一个实施例中，杂多酸有机盐选自：[(C2H5)3NCH2Ph](C5H5NC16H33)2AsMo2W2O16、[(CH3)3NC8H17]2[(C3H7)3NCH2Ph]PW5O19、[(CH3)3NC8H17]2[(C3H7)3NCH2Ph]PW6O22、[(C8H17)2N(CH3)2](C5H5NC16H33)2PMo2W3O19、[(C2H5)3NC8H17][(CH3)2N(C18H37)2]2PMoW2O13中的至少一种。
在其中一个实施例中，步骤一中脂环族烯烃化合物、催化剂、吸附剂与有机溶剂的质量比为100:(1～3):(5～10):(150～250)。进一步地，步骤一中脂环族烯烃化合物与步骤二中双氧水中含有的过氧化氢的摩尔比为1：(2～3.5)。
在其中一个实施例中，吸附剂为固体，进一步地，吸附剂选自活性炭或白土中的至少一种。
杂多酸有机盐作为催化剂催化脂环族烯烃化合物发生氧化反应时，杂多酸有机盐本身不溶于有机溶剂介质中，但在过氧化氢的作用下，能够形成可溶于有机溶剂介质中的物质，进而能选择性地均相催化不饱和脂环族化合物发生环氧化反应。杂多酸有机盐作为催化剂制备脂环族环氧树脂时，能够完全发挥均相催化剂的特点，极大地提高了产品收率与环氧化反应的选择性，进而降低了生产成本。
在其中一个实施例中，脂环族烯烃化合物如通式(Ⅰ)所示：
Figure BDA0002346817290000061
在其中一个实施例中，脂环族烯烃化合物选自(Ⅰ-1)～(Ⅰ-6)中的至少一种。
Figure BDA0002346817290000062
步骤二、将双氧水加入步骤一制得的混合物中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相。
在其中一个实施例中，步骤二中，将双氧水加入混合物中的具体操作步骤为：于40℃～60℃下，将双氧水滴入混合物中。
在其中一个实施例中，步骤二中，反应的条件为：40℃～60℃下反应6h～9h。
需要说明的是，步骤二中，反应后固液分离，取液相中的相有机相后，绝大部分催化剂残留在有机相中，极少量残留在水相中。在传统的对反应后的有机相处理中为了使催化剂从反应体系的油相中析出，一般使用亚硫酸钠、硫代亚硫酸钠、亚硫酸氢钠等还原剂中和过量未反应的双氧水，以降低杂多酸有机盐在过氧化氢的作用下的溶解，然而这种方法析出杂多酸催化剂的效率较低，而残留在有机相产物内的催化剂将导致产品在精馏纯化阶段变色或聚合成分子量大的产物，严重影响了产品品质。
步骤三、将碱金属碳酸盐、水及吸附剂加入步骤二制得的有机相中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相、水洗、精馏，得到脂环族环氧树脂。
需要说明的是，步骤三中，碱金属碳酸盐与水可以单独加入，也可以先制成碱金属碳酸盐水溶液加入；吸附剂可以与碱金属碳酸盐及水一起加入步骤二制得的有机相中反应，也可以先后加入反应一段时间。
在其中一个实施例中，碱金属碳酸盐选自正盐或酸式盐。
在其中一个实施例中，碱金属碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。
在其中一个实施例中，步骤一中的脂环族烯烃化合物与步骤三中的碱金属碳酸盐摩尔比为1:(0.01～0.1)。
进一步地，在其中一个实施例中，步骤一中脂环族烯烃化合物与步骤三中吸附剂的质量为100:(5～10)。
在其中一个实施例中，步骤三中，碱金属碳酸盐与水的质量比为1:(3-30)。
本发明采用呈碱性的碱金属碳酸盐，可以促进过氧化氢加速分解，有效去除过量的未反应过氧化氢。
此外，残余在油相体系内的催化剂还能与碱金属碳酸盐作用进一步形成水溶性的杂多酸钠盐，进而使得催化剂能够与含有脂环族环氧树脂油相有效地分离。同时采用吸附剂进一步吸附反应过程中产生的杂质与残余的催化剂，从而减小了有机相产物内的催化剂的残留量，进而避免了产品在精馏纯化阶段出现变色或聚合成分子量大的产物的问题。
在其中一个实施例中，步骤三中，反应的温度为40℃～60℃。
在其中一个实施例中，步骤三的具体操作为：将金属碳酸盐、水加入步骤二制得的有机相中，40℃～60℃下反应1h～3h；然后加入吸附剂，40℃～60℃下继续反应1h～3h。进一步地，将反应完后的体系固液分离，取液相中的有机相，将有机相水洗至中性后精馏，得到脂环族环氧树脂。
在其中一个实施例中，步骤三中，精馏的条件为：100Pa～3000Pa、70℃～90℃下进行精馏。具体地，氮气氛围下，先在500Pa～3000Pa、70℃～90℃下精馏至有机相中溶剂含量低于1％，然后在100Pa～500Pa、70℃～90℃下精馏至有机相中溶剂含量低于100ppm。
后处理中使用碱金属碳酸盐，从而减小了有机相产物内的催化剂的残留量；同时，吸附剂进一步吸附反应过程中产生的杂质与残余的催化剂，从而避免了产品在精馏纯化阶段出现变色或聚合成分子量大的产物的问题，进而精馏过程不需要高温就可以得到纯度高、色泽好的脂环族环氧树脂。
在其中一个实施例中，有机溶剂为腈、酮或卤代烷烃。
在其中一个实施例中，有机溶剂选自乙腈、二氯乙烷、二氯甲烷和丙酮中的任意一种。
本发明另一实施方式提供了上述的制备方法制得的脂环族环氧树脂。
上述制备方法制备得到的脂环族环氧树脂色泽好，且产品收率高。
下面将结合具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于下述实施例，应当理解，所附权利要求概括了本发明的范围，在本发明构思的引导下本领域的技术人员应意识到，对本发明的各实施例所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
具体实施例
这里按照本发明的脂环族环氧树脂及其制备方法举例，但本发明并不局限于下述实施例。
实施例1
1)将100g式(Ⅰ-1)所示化合物、3g催化剂((C2H5)3NCH2Ph](C5H5NC16H33)2PMo2W2O16)、300g二氯乙烷以及10g白土(活性炭)混合，得到混合物。
Figure BDA0002346817290000091
2)45℃下，将120g双氧水(质量浓度为：27.5％)滴入步骤1)制得的混合物中，然后于55℃下反应6h。反应完后冷却，将反应体系过滤，从滤液中分离出有机相。
3)将2g碳酸钠及20g水加入步骤2)制得的有机相中，于50℃反应1h，再加入5g白土继续反应1h，反应完后过滤，将滤液水洗至中性后，分离出有机相。
4)氮气氛围下，首先将步骤3)制得的有机相于3000Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于1％；然后在200Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于100ppm，停止精馏，得到脂环族环氧树脂。
实施例2
1)将100g式(Ⅰ-1)所示化合物、2g催化剂([(CH3)3NC8H17]2[(C3H7)3NCH2Ph]PW5O19)、300g二氯乙烷以及10g白土(活性炭)混合，得到混合物。
Figure BDA0002346817290000092
2)45℃下，将98g双氧水(质量浓度为：27.5％)滴入步骤1)制得的混合物中，然后于55℃下反应6h。反应完后冷却，将反应体系过滤，从滤液中分离出有机相。
3)将2g碳酸钠及20g水加入步骤2)制得的有机相中，于50℃反应1h，再加入5g白土继续反应1h，反应完后过滤，将滤液水洗至中性后，分离出有机相。
4)氮气氛围下，首先将步骤3)制得的有机相于3000Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于1％然后在200Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于100ppm，停止精馏，得到脂环族环氧树脂。
实施例3
1)将100g式(Ⅰ-1)所示化合物、2g催化剂([(CH3)3NC14H29]2[(C5H5NC16H33)]PW4O16)、300g二氯乙烷以及14g白土(活性炭)混合，得到混合物。
Figure BDA0002346817290000101
2)45℃下，将98g双氧水(质量浓度为：27.5％)滴入步骤1)制得的混合物中，然后于55℃下反应6h。反应完后冷却，将反应体系过滤，从滤液中分离出有机相。
3)将2g碳酸钠及20g水加入步骤2)制得的有机相中，于50℃反应1h，再加入5g白土继续反应1h，反应完后过滤，将滤液水洗至中性后，分离出有机相。
4)氮气氛围下，首先将步骤3)制得的有机相于3000Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于1％；然后在200Pa/80℃下精馏至溶剂含量低于100ppm，停止精馏，得到脂环族环氧树脂。
实施例4
实施例4与实施例1基本相同，不同之处在于：将实施例1中步骤3)的碳酸钠换成等摩尔质量的碳酸氢钠。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：将实施例1中步骤3)的碳酸钠换成等摩尔质量的亚硫酸钠。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：将实施例1中步骤3)的碳酸钠换成等摩尔质量的氢氧化钠。
实施例5
1)计算各实施例与对比例的产品收率、产品纯度及环氧化反应的选择性。结果如表1所示。
2)按照标准GBT3143-1982测定各实施例与对比例制得的脂环族环氧树脂的颜色。结果如表1所示。
表1
产品收率(％) 选择性(％) 纯度(％) 色号
实施例1 96.3 98.3 97.3 60
实施例2 96.8 98.8 97.8 60
实施例3 97.2 99.2 96.1 60
实施例4 96.5 98.5 96.6 50
对比例1 65.5 98.3 64.5 100
对比例2 93.2 98.5 92.9 80
由上述结果可知，本发明提供的脂环族环氧树脂的制备方法的产品收率与环氧化反应的选择性高，进而降低了生产成本，且制备得到的脂环族环氧树脂色泽好。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种脂环族环氧树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将脂环族烯烃化合物、催化剂、有机溶剂及吸附剂混合，得到混合物；所述催化剂为杂多酸有机盐，所述脂环族烯烃不含酯基；
步骤二、将双氧水加入所述混合物中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相；
步骤三、将碱金属碳酸盐、水及吸附剂加入所述有机相中反应，反应后固液分离，取液相中的有机相、水洗、精馏，得到脂环族环氧树脂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱金属碳酸盐选自正盐或酸式盐。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱金属碳酸盐选自碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的至少一种。
4.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述杂多酸有机盐为：AmB3- mXMnNk-nO4+3k；所述A与所述B分别独立地选自[R1R2R3R4N+]，所述X选自磷原子或砷原子，所述M为钨原子，所述N为钼原子；
其中，R1、R2、R3、R4分别独立地选自H，苄基，直链或支链的烷基、环烷基；
m选自1～3任一整数；k选自3～6任一整数；0≤n≤k，且n＝0或n＝k时，m不为3。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述A与所述B分别独立地选自吡啶或其同系物。
6.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述脂环族烯烃化合物如通式(Ⅰ(所示：
Figure FDA0002346817280000021
7.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中所述脂环族烯烃化合物、所述催化剂、所述吸附剂与所述有机溶剂的质量比为100:(1～3(:(5～10(:(150～250(；所述步骤一中所述脂环族烯烃化合物与所述步骤二中所述双氧水中含有的过氧化氢的摩尔比为1：(2～3.5(。
8.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中所述脂环族烯烃化合物与所述步骤三中所述碱金属碳酸盐的摩尔比为1:(0.01～0.1(。
9.如权利要求1至3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为腈、酮或卤代烷烃。
10.如权利要求1至9任一项所述的制备方法制得的脂环族环氧树脂。
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