CN111560119B - 一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:将八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷混合均匀,经真空脱水,氮气回压后加入特殊复配溶剂、催化剂、封端剂和促进剂,升温,进行第一阶段聚合反应,第一阶段聚合反应结束后减压蒸出溶剂,继续升温进行第二阶段聚合反应,反应结束后加入中和剂,真空升温脱除低沸后得二甲基二苯基聚硅氧烷。相较于传统方法,本发明通过引入特殊复配溶剂,实现固液两相间的平衡共聚,并通过两阶段聚合反应,使得苯基硅氧链节可以均匀的分散在分子链中,制备得到均一无色透明的二甲基二苯基聚硅氧烷,同时工艺操作简单方便,便于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,属于有机硅领域。
背景技术
苯基聚硅氧烷是部分甲基被苯基取代的特殊聚硅氧烷,在聚硅氧烷的侧基上引入苯基,由于破坏了二甲基硅氧烷结构的规整性,大大降低了聚合物的结晶温度,扩大了该材料的低温应用范围,因其性质特殊被广泛的应用于国防、民生、新能源、电器制造业等领域。苯基聚硅氧烷的性能随分子链中苯基含量的不同而有所变化,低苯基含量的苯基聚硅氧烷具有良好的耐低温性能,苯基含量4%的苯基聚硅氧烷的Tg达到了-117℃,在-70℃下仍具有良好的流动性,随着苯基含量的升高,其耐热性逐渐增强,50%苯基含量的苯基聚硅氧烷在热稳定剂的配合下可在300~350℃下长时间稳定工作。
常见的苯基聚硅氧烷分为甲基苯基聚硅氧烷、二甲基二苯基聚硅氧烷两种。制备甲基苯基聚硅氧烷时使用的甲基苯基环体为混合物,且甲基苯基环体相比较八苯基环四硅氧烷而言的成本较高;当制备苯基硅油时,相同苯基含量的情况下二苯基硅油相比较甲基苯基硅油而言粘度具有更大的变化幅度,可以制备满足使用要求的不同粘度的苯基硅油,而且在耐热性方面二苯基硅油要明显好于甲基苯基硅油(参考《苯基硅油的合成、结构表征与性能比较》,范敏,李战雄,袁京)。但从目前的文献报道上看,二甲基二苯基聚硅氧烷的制备仍然存在许多难点,比如,在律微波等人的《国内苯基硅油产品现状和应用》一文中提到在制备高苯基含量的二苯基硅油时,很难得到均一透明的产品;夏毅然等人的《用二苯基硅二醇合成苯基硅油》一文中提到以八苯基环四硅氧烷与环状二甲基硅氧烷混合物(DMC)的反应为非均相反应,操作复杂成本高;又如李伟等人的《苯甲基硅油的合成及表征》一文中提到的由苯基硅单体和甲基硅单体共水解来制备二苯基硅油,此反应条件下制备的二苯基硅油为黄色透明液体,而且收率只有70%。
中国专利文献CN103304818A公开了一种甲基苯基硅油的制备方法,提出利用二甲苯、丙酮混合二苯基硅单体和二甲基硅单体,共水解后利用催化剂进行缩合的方式制备二苯基硅油。但是这种制备方案大量使用溶剂、同时水解产生大量的酸性有害气体而且由于羟基的存在很难得到高粘度的二苯基硅油,最终产品的外观也仅为澄清半透明油状液体。
中国专利文献CN103709407A公开了一种苯基硅油的制备方法,提出预制备二苯-二甲基环硅氧烷,根据混合环体中的苯基含量确定投料比,在催化剂的作用下开环共聚得到特定苯基含量的二苯基硅油。此种方法虽然克服了制备二苯基硅油时非均相反应这一缺点,能得到均一透明的二苯基硅油;但是方案复杂,第一步裂解制备二苯基-二甲基环硅氧烷混合环体时存在收率低的问题,造成原材料的浪费,同时碱性高温下长时间易造成苯基的脱落。
关于苯基硅橡胶的制备,当前的报道以水解缩合法、阴离子开环聚合法两种方案为主。比如,以苯基三甲氧基硅烷和1,1,3,3-四甲基二硅氧烷为主要原料,采用大孔阳离子交换树脂为催化剂,通过分子间脱去甲醇缩合的方式形成网状分子链的苯基硅胶(参见:《一种苯基硅橡胶及其制备方法》,高成龙);还有的报道中提出了一种苯基均匀分布的聚合物,是将二甲基二氯硅烷与甲基苯基二氯硅烷,在盐酸作用下发生共水解反应,再加入一定量的LiOH粉末使其催化裂解,得到纯净的含甲基苯基硅氧链节的环状聚甲基苯基硅氧烷,使其与八甲基环四硅氧烷、四甲基四乙烯基环四硅氧烷在催化剂四甲基氢氧化铵作用下,采用阴离子聚合法制备了不同分子质量的甲基苯基硅胶(参见:《一种苯基均匀分布的甲基苯基硅橡胶制备方法》,葛铁军,肖尚雄,王佳)。但是上述两种方法同样存在着问题,脱水缩合法得到的是网状分子链,具有较大的刚性,在某些方面的应用受到了限制;均匀分布的苯基硅胶纵然在耐热、力学性能方面有着独特的优势,但是考虑到纯净混合环体的制备工艺困难,所以该种方法在大生产上并未得到大范围推广。
迄今为止,现有技术中仍然不能解决二甲基二苯基聚硅氧烷透明度低、杂质多、工艺操作复杂、不能工业化生产等难题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,通过引入特殊复配溶剂,实现固液两相间的平衡共聚,并通过两阶段聚合反应,使得苯基硅氧链节可以均匀的分散在分子链中,得到的产品透明度高,操作简单方便,便于工业化生产。
本发明的技术方案如下:
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
将八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷混合均匀,经真空脱水,氮气回压后加入特殊复配溶剂、催化剂、封端剂和促进剂,升温至100~110℃,进行第一阶段聚合反应,第一阶段聚合反应结束后减压蒸出溶剂,继续升温至130~150℃,进行第二阶段聚合反应,第二阶段聚合反应结束后加入中和剂,再经过真空升温脱除低沸物后,得二甲基二苯基聚硅氧烷。
根据本发明,优选的,所述的二甲基环硅氧烷为八甲基环四硅氧烷(D4)或二甲基环硅氧烷混合物(DMC)。
根据本发明,优选的,按二甲基硅氧链节与二苯基硅氧链节计算,所述的二甲基环硅氧烷与八苯基环四硅氧烷的摩尔比为(1~100):1。
根据本发明,优选的,所述的真空脱水温度为50~60℃,真空脱水压力为266Pa,脱水时间为1~2h。
根据本发明,优选的,所述的特殊复配溶剂为极性溶剂与非极性溶剂的混合物;进一步优选的,所述的极性溶剂为二乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚,所述的非极性溶剂为甲苯或二甲苯。所述的特殊复配溶剂于100℃条件下能与与二甲基环硅氧烷互溶,并且八苯基环四硅氧烷于100℃条件下,在特殊复配溶剂中的溶解度超过10%。
根据本发明,优选的,所述的特殊复配溶剂中,极性溶剂与非极性溶剂的质量比为(3:7)~(7:3)。当特殊复配溶剂中极性溶剂与非极性溶剂的质量比小于3:7或大于7:3时,在聚合第一阶段完成时物料仍为混浊状态,不能制备出透明的二甲基二苯基聚硅氧烷。
根据本发明,优选的,所述的特殊复配溶剂的加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的5~15%;进一步优选的,加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的6~12%。
根据本发明,所述的特殊复配溶剂中水分含量低于100ppm;进一步优选的,水分含量低于50ppm。
根据本发明,优选的,所述的催化剂为碱性催化剂;进一步优选为KOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶,以氢氧化钾计,加入量为40~120ppm。
根据本发明,优选的,所述的封端剂为粘度在1~20cP的低粘度三甲基封端硅油、乙烯基封端硅油或羟基硅油,加入量为八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷总质量的0.01~90%。
根据本发明,优选的,所述的促进剂为二甲基亚砜(DMSO)或N,N-二甲基甲酰胺(DMF);所述的促进剂加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的0.01~1.5%,进一步优选为0.05~1%。促进剂的用量大于1.5%虽然会减少聚合时间,但是大量的促进剂容易导致产品外观发黄,而且会增加小分子含量;促进剂的量小于0.01%会使反应不易发生、反应过慢。
根据本发明,优选的,所述的第一阶段聚合反应时间为1~3h,第二阶段的聚合反应时间为2~4h。第一阶段聚合反应时间小于1h,则物料未聚合完全,表观混浊,大于3h则反应效率降低,第二阶段聚合时间小于2h则二苯基硅氧链接不能完全均匀分散到二甲基硅氧链节,第二阶段聚合时间大于4h则时间过长影响效率,如果不进行第二阶段聚合则由于溶剂存在的原因,增加了平衡共聚中环体比例,降低聚合收率。
根据本发明,优选的,所述蒸出溶剂的温度为100~110℃,蒸出溶剂的压力为10.1kPa,时间为20~40min。
根据本发明,优选的,所述的中和剂为磷酸与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的磷酸酸胶或硅基磷酸酯,中和时间为1~2h至中性。
根据本发明,优选的,所述脱除低沸物的温度为190~220℃,压力为266Pa,时间为1~4h。
本发明未详尽说明的,均按本领域常规技术处理。
本发明的有益效果:
1、本发明提供的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,相较于传统方法,避免了水解或酸催化聚合带来的有害副产物的产生,反应过程一步完成,操作更为简单。
2、本发明在制备过程中添加了特殊复配溶剂,特殊复配溶剂中非极性溶剂与八苯基环四硅氧烷均具有苯环,其相似基团可溶解部分八苯基环四硅氧烷,选用的极性溶剂为阴离子聚合创造了高活性的聚合环境,两种溶剂复配创造了局部高活性的均相共聚环境,随着局部液体均相环境中八苯基环四硅氧烷的消耗,固体的八苯基环四硅氧烷不断溶解进入,固体量减小,实现了第一阶段聚合反应中固液两相平衡共聚,在短时间内达到了物料均一,避免了第一阶段聚合反应出现混浊状态,解决了传统聚合工艺先制备二苯基与二甲基混合环体的高能耗、步骤复杂的问题,并且制备得到的二甲基二苯基聚硅氧烷均一无色透明,更适合应用。
3、本发明提供的制备方法可以根据实际需要来制备不同粘度或分子量,不同苯基含量的二甲基二苯基聚硅氧烷(包括二苯基硅油和二苯基硅胶),相较传统的不同分子量、不同苯基含量采用不同的工艺过程,其适应性更强,应用范围更广。
4、本发明二甲基二苯基聚硅氧烷产品制备工艺过程短、能耗少,产品均一的同时透明度高,使用的原料为八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷,成本大大低,便于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中产品的的核磁氢谱。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明,但不限于此。
实施例中所用的原料均为常规原料,所用设备均为常规设备,市购产品。
实施例1
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入47g八甲基环四硅氧烷(D4)和3.9g八苯基环四硅氧烷后混合均匀,升温至50℃,压力降至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入0.3g 5cP三甲基封端硅油、3g二乙二醇二甲醚和2g二甲苯的复配溶剂、0.10gDMF和0.13gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(碱含量3.8%),升温至110℃后进行第一阶段聚合,物料0.5h后变透明,聚合2h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至140℃,进行第二阶段聚合,继续聚合3h后加入0.17g磷酸酸胶(磷酸含量3.9%)中和1h至中性,升温至200℃,压力降至266Pa,脱除低沸物2h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明液体,-20℃环境中不变浑浊,粘度46900cP,折光率1.422,挥发份2.3%,苯基含量为6%。
本实施例制备的产品核磁氢谱谱图如图1所示,其中0.07ppm附近为二甲基硅氧链节上甲基氢的信号,7.36~7.61ppm处为二苯基硅氧链节上苯基氢的信号,7.28ppm为溶剂氘代氯仿上氢的信号。
实施例2
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入23.5g八甲基环四硅氧烷(D4)和28.7g八苯基环四硅氧烷混合均匀,升温至60℃,压力将至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入1.5g 9cP三甲基封端硅油、2.5g四乙二醇二甲醚和3g甲苯的复配溶剂、0.10gDMF和0.13gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(KOH含量3.8%),升温至110℃后进行第一阶段聚合反应,物料0.5h后变透明,聚合2h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至140℃,进行第二阶段聚合反应,继续聚合3h后加入0.07g硅基磷酸酯(磷酸含量8.9%)中和1h至中性,升温至200℃,压力降至266Pa,脱除低沸物3h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明液体,-20℃环境中仍为澄清透明,折光率为1.510,粘度17100cP,挥发份2.7%,苯基含量为60%。
实施例3
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入30.0g八甲基环四硅氧烷(D4)和3.9g八苯基环四硅氧烷混合均匀,升温至55℃,压力将至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入17.5g 5cP三甲基封端硅油、2.5g二乙二醇二甲醚和2g甲苯的复配溶剂、0.08gDMSO和0.11gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(碱含量3.8%),升温至105℃后进行第一阶段聚合反应,物料0.5h后变透明,聚合2h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至130℃,进行第二阶段聚合反应,继续聚合3h后加入0.14g磷酸酸胶(磷酸含量3.9%)中和1h至中性,升温至190℃,压力降至266Pa,脱除低沸物2h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明液体,-20℃环境中仍为澄清透明,折光率为1.422,粘度560cP,挥发份1.9%,苯基含量为6%。
实施例4
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入15.4g八甲基环四硅氧烷(D4)和27.2g八苯基环四硅氧烷混合均匀,升温至50℃,压力降至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入8.4g 9cP三甲基封端硅油、2g二乙二醇二甲醚和2.5g二甲苯的复配溶剂、0.08gDMSO和0.11gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(KOH含量3.8%),升温至100℃后进行第一阶段聚合反应,物料0.5h后变透明,聚合2h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至130℃,进行第二阶段聚合反应,继续聚合3h后加入0.06g硅基磷酸酯(磷酸含量8.9%)中和1h至中性,升温至200℃,压力降至266Pa,脱除低沸物2h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明液体,-20℃环境中仍为澄清透明,折光率为1.511,粘度2040cP,挥发份2.7%,苯基含量为60%。
实施例5
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入1543g八甲基环四硅氧烷(D4)和172g八苯基环四硅氧烷混合均匀,升温至60℃,压力将至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入1.5g 5cP乙烯基封端硅油、70g四乙二醇二甲醚和80g二甲苯的复配溶剂、2.62gDMSO和3.66gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(碱含量3.8%),升温至100℃后进行第一阶段聚合反应,物料1h后变透明,聚合3h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至135℃,进行第二阶段聚合反应,继续聚合3h后加入2.0g硅基磷酸酯(磷酸含量8.9%)中和2h至中性,升温至210℃,压力降至266Pa,脱除低沸物3h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明胶状物,-20℃环境中仍为澄清透明,分子量77万,挥发份2.8%,玻璃化转变温度-117℃,苯基含量为8%。
实施例6
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,包括步骤如下:
向带搅拌、温度计、蒸馏头的反应器中加入1200g八甲基环四硅氧烷(D4)和567g八苯基环四硅氧烷混合均匀,升温至55℃,压力将至266Pa,真空脱水1h后,通氮气回到常压,加入1.5g 5cP乙烯基封端硅油、75g四乙二醇二甲醚和75g二甲苯的复配溶剂、2.70gDMSO和3.70gKOH与八甲基环四硅氧烷(D4)制备的碱胶(碱含量3.8%),升温至110℃后进行第一阶段聚合反应,物料1.5h后变透明,聚合3h后,压力降低至10.1kPa维持0.5h脱除溶剂,继续升温至145℃,进行第二阶段聚合反应,继续聚合3h后加入2.1g硅基磷酸酯(磷酸含量8.9%)中和2h至中性,升温至215℃,压力降至266Pa,脱除低沸物4h,得到二甲基二苯基聚硅氧烷。
本实施例制备的产品为无色透明胶状物,-20℃环境中仍为澄清透明,分子量82万,挥发份3.14%,玻璃化转变温度-97℃,苯基含量为30%。
对比例1
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,具体实施步骤同实施例1,不同之处在于:特殊复配溶剂改为4.5g二甲苯,第一阶段聚合反应6h后物料仍为混浊状态。继续进行后续第二阶段反应,物料最终仍为混浊状态。即使延长第二阶段反应至24h,物料仍为混浊状态,最后得到的产品二甲基二苯基聚硅氧烷呈混浊状态,不均一透明。
对比例2
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,具体实施步骤同实施例1,不同之处在于:复配溶剂改为4.5g二乙二醇二甲醚,第一阶段聚合反应6h后物料仍为混浊状态。继续进行后续第二阶段反应,物料最终仍为混浊状态。即使延长第二阶段反应至24h,物料仍为混浊状态,最后得到的产品二甲基二苯基聚硅氧烷呈混浊状态,不均一透明。
对比例3
一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,具体实施步骤同实施例1,不同之处在于:不加复配溶剂,第一阶段聚合反应6h后物料仍为混浊状态。继续进行后续第二阶段反应,物料最终仍为混浊状态。即使延长第二阶段反应至24h,物料仍为混浊状态,最后得到的产品二甲基二苯基聚硅氧烷呈混浊状态,不均一透明。
Claims (10)
1.一种二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,包括步骤如下:
将八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷混合均匀,经真空脱水,氮气回压后加入特殊复配溶剂、催化剂、封端剂和促进剂,升温至100~110℃,进行第一阶段聚合反应,第一阶段聚合反应结束后减压蒸出溶剂,继续升温至130~150℃,进行第二阶段聚合反应,第二阶段聚合反应结束后加入中和剂,再经过真空升温脱除低沸物后,得二甲基二苯基聚硅氧烷;
其中,所述的特殊复配溶剂为极性溶剂与非极性溶剂的混合物;所述的特殊复配溶剂中,极性溶剂与非极性溶剂的质量比为(3:7)~(7:3);所述的特殊复配溶剂中水份含量低于100ppm;所述的特殊复配溶剂的加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的5~15%;
所述的极性溶剂为二乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚,所述的非极性溶剂为甲苯或二甲苯;所述的催化剂为KOH与八甲基环四硅氧烷制备的碱胶,以氢氧化钾计,加入量为40~120ppm。
2.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的二甲基环硅氧烷为八甲基环四硅氧烷或二甲基环硅氧烷混合物。
3.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,按二甲基硅氧链节与二苯基硅氧链节计算,所述的二甲基环硅氧烷与八苯基环四硅氧烷的摩尔比为(1~100):1。
4.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的真空脱水温度为50~60℃,真空脱水压力为266Pa,脱水时间为1~2h。
5.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的特殊复配溶剂的加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的6~12%;所述的特殊复配溶剂中水份含量低于50ppm。
6.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的封端剂为粘度在1~20cP的低粘度三甲基封端硅油、乙烯基封端硅油或羟基硅油,加入量为八苯基环四硅氧烷和二甲基环硅氧烷总质量的0.01~90%。
7.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的促进剂为二甲基亚砜或N,N-二甲基甲酰胺;所述的促进剂加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的0.01~1.5%。
8.根据权利要求7所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述促进剂加入量为八苯基环四硅氧烷、二甲基环硅氧烷和封端剂总质量的0.05~1%。
9.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的第一阶段聚合反应时间为1~3h,第二阶段的聚合反应时间为2~4h;所述蒸出溶剂的温度为100~110℃,蒸出溶剂的压力为10.1kPa,时间为20~40min。
10.根据权利要求1所述的二甲基二苯基聚硅氧烷的制备方法,其特征在于,所述的中和剂为磷酸与八甲基环四硅氧烷制备的磷酸酸胶或硅基磷酸酯,中和时间为1~2h至中性;所述脱除低沸物的温度为190~220℃,压力为266Pa,时间为1~4h。
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