CN112341401A - 一种二元噁唑烷的合成方法及其制品 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机化学合成技术领域，更具体地，本发明涉及一种二元噁唑烷的合成方法及其制品，本发明第一方面提供一种二元噁唑烷的合成方法，包括以下步骤：将A、B与带水剂接触反应即得；所述A为醇胺；所述B为羰基化合物。可加快SPU固化速率，使得固化SPU材料形成适宜的交联网状结构，不仅从源头避免SPU体系固化过程中产生气泡，延长了表干时间，意外的是固化材料的力学性能、热稳定性也得到了大幅改善。
Description
技术领域
本发明涉及有机化学合技术领域，更具体地，本发明涉及一种二元噁唑烷的合成方法及其制品。
背景技术
聚氨酯是由多元醇和多异氰酸酯等原料合成的一种主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的高分子合成材料。聚氨酯应用广泛，例如各种浇注、热塑和混炼型橡胶、泡沫、油漆、胶粘剂、合成革、工业用PU、水系PU喷涂料。其中，在汽车行业内、外装饰和建筑密封、防水材料的应用日趋广泛。聚氨酯材料可分为双组分体系和单组分体系(SPU)。SPU的固化机理是异氰酸酯基(NCO)与水(H2O)反应，生成二元或多元胺，胺进一步与异氰酸酯基发生扩链反应而固化。固化过程所产生的CO2气体存留在材料中，导致材料表面出现针孔，使其光泽度降低、内部起泡、强度降低，严重影响其性能。为消除SPU固化过程中产生CO2气体，可通过化学或吸附的方法消除CO2，如添加氧化钙、氢氧化钙(消泡剂)等与CO2反应，或以炭黑、PVC糊树脂(吸附剂)吸附CO2，而添加这些固体填充剂会改变SPU材料的性能，也不能完全解决发泡问题，同时还会大幅度降低SPU的贮存稳定性。
相对于化学或吸附法消除CO2，使用潜固化剂不仅能从源头上消除CO2的生成，且可使固化材料的性能得到大幅度提升。近年来，各类潜固化剂的研究已成为一大热点，尤其是关于噁唑烷类潜固化剂的研究逐渐增多。但对于噁唑烷类潜固化剂的合成存在着工艺繁琐、制备复杂的问题，同时有很多潜固化剂与聚氨酯预聚体相容性较差，不易混合均匀，导致消泡不均匀、消泡效果较差。另外，对固化材料的力学性能、热稳定性等提高有限，很难兼顾各性能的平衡。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种二元噁唑烷的合成方法，包括以下步骤：
将A、B与带水剂接触反应即得；所述A为醇胺；所述B为羰基化合物。
作为本发明一种优选的技术方案，所述B选自甲醛、聚甲醛、乙醛、丙醛、异丁醛、戊醛、甲乙酮、丙酮、2-丁酮、2-戊酮、3-戊酮、2-己酮中的任一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述B的结构式为：
式中R1、R2各自独立地选自氢原子、C1～8烷基、C3～12环烷基、C6-12芳基中的任一种，1≤n≤6。
作为本发明一种优选的技术方案，所述B选自戊二酮、2,4-己二酮、2,5-己二酮、2,5-庚二酮、戊二醛、3-戊酮醛、丁二醛、乙二醛、己二醛中的任一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述A和B的摩尔比为(2～3)：1。
作为本发明一种优选的技术方案，所述带水剂选自甲苯、苯、二甲苯、环己烷、石油醚、四氯化碳、氯化苯中的任一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述带水剂和醇胺的质量比为(0.7～0.9)：1。
作为本发明一种优选的技术方案，所述加热保持恒温的温度为50～150℃。
本发明的第二个方面提供了一种根据所述方法制备得到的二元噁唑烷。
作为本发明一种优选的技术方案，该二元噁唑烷的结构式为：
有益效果：本发明提供了一种二元噁唑烷的合成方法及其制品，通过选择特定的羰基化合物和醇胺，进一步控制其比例制备得到的二元噁唑烷与聚氨酯预聚体相容性较好，可加快SPU固化速率，使得固化SPU材料形成适宜的交联网状结构，不仅从源头避免SPU体系固化过程中产生气泡，延长了表干时间，意外的是固化材料的力学性能、热稳定性也得到了大幅改善；本发明合成工艺简单易行，可大大节约设备投资和操作运行费用。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。
为解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种二元噁唑烷的合成方法，包括以下步骤：
将A、B与带水剂接触反应即得；所述A为醇胺；所述B为羰基化合物。
在一种优选的实施方式中，所述一种二元噁唑烷的合成方法，包括以下步骤：
在三口瓶中加入带水剂和A，通入氮气，向其滴加B，加热保持恒温，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；所述A为醇胺；所述B为醛或酮。
本发明制备得到的二元噁唑烷是一种非常好的具有水反应活性的物质，首先与H2O发生反应，水解后生成羟基和胺基基团会与-NCO发生反应，增长分子链、形成交联结构，反应过程中不产生CO2气体。可以从根本上解决聚氨酯体系在交联固化时的发泡问题，并意外也使得体系的力学性能以及热稳定性得到了提高。
在一种优选的实施方式中，所述A为二乙醇胺或乙基乙醇胺；更优选的，所述A为二乙醇胺。
在一种实施方式中，所述B选自甲醛、聚甲醛、乙醛、丙醛、异丁醛、戊醛、甲乙酮、丙酮、2-丁酮、2-戊酮、3-戊酮、2-己酮中的任一种。
在另一种实施方式中，所述B的结构式为：
式中R1、R2各自独立地选自氢原子、C1～8烷基、C3～12环烷基、C6-12芳基中的任一种，1≤n≤6。
在一种优选的实施方式，所述R1、R2各自独立地选自氢原子或C1～8烷基，1≤n≤6。
在一种更优选的实施方式中，所述B选自戊二酮、2,4-己二酮、2,5-己二酮、2,5-庚二酮、戊二醛、3-戊酮醛、丁二醛、乙二醛、己二醛中的任一种。
在一种实施方式，所述A和B的摩尔比为(2～3)：1；优选的，所述A和B的摩尔比为(2～2.4)：1；更优选的，所述A和B的摩尔比为(2～2.1)：1。
申请人在实验过程中发现当控制A和B的摩尔比为(2～3)：1尤其是在摩尔比为(2～2.1)：1的条件下，制备得到二元噁唑烷的产率较高，性能更为优异；这可能是因为当B较多时，易生成副产物，一方面会使得产率降低，另一方面会使得与SPU混合时相容性下降，易产生气泡，固化后材料内部缺陷较多，会使得力学性能下降。
在一种实施方式，所述带水剂选自甲苯、苯、二甲苯、环己烷、石油醚、四氯化碳、氯化苯中的任一种。
在一种优选的实施方式中，所述带水剂为甲苯。
在一种实施方式，所述带水剂和二乙醇胺的质量比为(0.7～0.9)：1。
在一种实施方式，所述加热保持恒温的温度为50～150℃。
申请人在实验过程中发现选择带水剂为甲苯并当控制温度在50～150℃反应活性较高，制备得到的二元噁唑烷性能优异，这可能在此温度范围内不易出现氧化、挥发等问题。
本发明的第二个方面提供了一种根据所述方法制备得到的二元噁唑烷。
在一种优选的实施方式中，该二元噁唑烷的结构式为：
在一种更优选的实施方式中，该二元噁唑烷的结构式为：
二元噁唑烷的侧链及取代基团对其水解性能有很大的影响，本发明通过选择特定的羰基化合物和醇胺，进一步控制其比例制备得到的二元噁唑烷与聚氨酯预聚体相容性较好，可加快SPU固化速率，使得固化SPU材料形成适宜的交联网状结构，不仅从源头避免SPU体系固化过程中产生气泡，延长了表干时间，意外的是固化材料的力学性能、热稳定性也得到了大幅改善。
实施例
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的。
实施例1
本发明的实施例1提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加50g(0.5mol)B，加热保持恒温在100℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为戊二酮；所述带水剂为甲苯。
实施例2
本发明的实施例2提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加55g(0.48mol)B，加热保持恒温在80℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为2,4-己二酮；所述带水剂为甲苯。
实施例3
本发明的实施例3提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加62g(0.48mol)B，加热保持恒温在140℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为2,5-庚二酮；所述带水剂为甲苯。
实施例4
本发明的实施例4提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加48g(0.48mol)B，加热保持恒温在120℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为戊二醛；所述带水剂为甲苯。
实施例5
本发明的实施例5提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加62g(0.48mol)B，加热保持恒温在120℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为4-戊酮醛；所述带水剂为甲苯。
实施例6
本发明的实施例6提供一种二元噁唑烷，其合成方法包括以下步骤：
在500mL的三口瓶中加入100mL带水剂和105.14g(1mol)A，通入氮气，向其滴加43g(0.5mol)B，加热保持恒温在80℃，反应，加热回流分水，分水完成后停止反应，冷却至室温，减压除去带水剂，再将浓缩液减压分馏后即得；
所述A为二乙醇胺；所述B为3-戊酮；所述带水剂为甲苯。
性能评价
将聚醚多元醇PPG330 160g装入三口烧瓶中，100℃减压真空干燥24h，冷却至室温，加入15.26mL甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)、0.1mL二月桂酸二丁基锡和0.12mL三乙胺催化剂，室温搅拌0.5h后，升温至6℃反应3h，得到异氰酸酯端基SPU预聚体，趁热转移到试剂瓶中，放入真空干燥器中备用。然后将SPU和实施例制备得到的二元噁唑烷按照质量比为10：1搅拌拌混合均匀，倒入5.0cm*10cm*0.1cm模具中，放入烘箱进行湿气固化，烘箱温度30℃，湿度55％。另外设有不加二元噁唑烷的SPU湿汽固化作对照例，分别进行如下测试。
1.外观观察和表干时间测试
观察表面干燥情况，记录表干时间，干透后记录气泡产生情况。
2.力学性能测试
将湿气固化后的材料裁成50mm*6mm*0.1mm按照GB/T1040-1992进行拉伸测试，万能材料试验机拉伸速率为50mm/min，温度为23℃，湿度为50％，并记录断裂伸长率数据。
3.热稳定性测试
将湿气固化后的材料通过热重分析仪测定分解温度。
表1
从上表数据可知，本发明制备得到的二元噁唑烷与预聚体混合后固化得到的材料基本无气泡生成、表面平整、固化物透明有光泽，不仅从源头避免了固化过程中产生气泡，并且还大幅改善了固化材料的力学性能和耐热性能。而未添加二元噁唑烷的预聚体湿汽固化后产生的气泡较多，表面不平整、无光泽，导致材料明显鼓泡，性能较差。
前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。
Claims (10)
1.一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将A、B与带水剂接触反应即得；所述A为醇胺；所述B为羰基化合物。
2.根据权利要求1所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述B选自甲醛、聚甲醛、乙醛、丙醛、异丁醛、戊醛、甲乙酮、丙酮、2-丁酮、2-戊酮、3-戊酮、2-己酮中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述B的结构式为：
式中R1、R2各自独立地选自氢原子、C1～8烷基、C3～12环烷基、C6-12芳基中的任一种，1≤n≤6。
4.根据权利要求3所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述B选自戊二酮、2,4-己二酮、2,5-己二酮、2,5-庚二酮、戊二醛、3-戊酮醛、丁二醛、乙二醛、己二醛中的任一种。
5.根据权利要求1或4所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述A和B的摩尔比为(2～3)：1。
6.根据权利要求1所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述带水剂选自甲苯、苯、二甲苯、环己烷、石油醚、四氯化碳、氯化苯中的任一种。
7.根据权利要求1所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述带水剂和醇胺的质量比为(0.7～0.9)：1。
8.根据权利要求1所述的一种二元噁唑烷的合成方法，其特征在于，所述加热保持恒温的温度为50～150℃。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述方法制备得到的二元噁唑烷。
10.根据权利要求9所述的一种二元噁唑烷，其特征在于，该二元噁唑烷的结构式为：
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