CN115819768B - 一种可逆粘合聚多硫化物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可逆粘合聚多硫化物及其制备方法，属于高分子材料技术领域。聚多硫化物的制备方法，包括以下步骤：将双（N‑磺酰基氮杂环丙烷）单体与单质硫混合于有机溶剂中，在有机碱催化下发生逐步加成聚合反应，沉淀分离得到聚多硫化物。本发明的聚多硫化物的主链重复单元中含有磺酰胺基团和可逆多硫键基团，磺酰胺基团增加了内聚力，使其粘合强度得到提高，共价多硫键具备可逆性能，使得该聚合物拥有较为优异的可逆粘合性能，可重复粘合及回收再利用。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，特别是涉及一种可逆粘合聚多硫化物及其制备方法。
背景技术
粘合剂是将不同材料的物体表面相连在一起的天然或合成类物质。随着科技的进步，粘合剂在新能源、航天航空、电子电器、交通运输、医疗卫生等领域的应用不断拓展，由此对粘合剂的性能也提出了新的要求。例如，在很多工业产品的实际应用当中，需要选择性拆除、回收或修理某些部件（射频标签、电子芯片、电子线路板、碳纤维车架等），具有高强度和可逆粘合-脱粘合能力的粘合剂在这些特定场景的应用至关重要。然而，传统反应固化胶通常只具有一次粘合的性能，不具备按需剥离和可逆粘合的特点，无法满足实际的使用需求。为了使粘合剂同时具备高粘合强度和可逆粘合的性质，粘合剂必须具备良好的流动性使粘合界面处的接触面积最大化，并且还需赋予其按需脱粘合的特性。目前，在聚合物中引入（光或热）响应性基团或者动态可逆键（D-A加成、蒽键、二硫键）是构建可逆粘合剂的主要方法。然而，已开发的可逆粘合剂面临粘合强度低、实现可逆粘合的条件苛刻（例如UV光穿透性有限、加热温度高等）、制备步骤繁琐等挑战。因此，针对粘合剂的结构和性能进行设计，简便、高效制备高强度、温和条件下可逆循环使用的粘合剂具有重要的应用价值。
在当前商业化应用的众多粘合剂中，聚多硫化物是一类较为特殊的粘合剂，其具备优异的耐化学性、耐溶剂性、低温柔韧性和耐候性，因此被广泛用于钢铁、铝、混凝土和汽车用粘合剂。聚多硫化物与合适的材料固化后，形成的三维网络由大量二硫键组成。由于二硫键在中等温度下能进行可逆交换反应，这使得以聚多硫化物为基础的材料能够在压力下释放应力，并自行修复裂纹或划痕等物理损伤。尽管该类型粘合剂具备循环使用的功能，但环氧聚多硫化物与多硫醇化物固化时间较长，且固化后粘合强度有限。此外，含二硫键的聚多硫化物的制备方法需要使用多硫化钠为原料，制备过程中会产生大量无机废物。因此，亟需发展绿色、简便的聚多硫化物的制备方法，将有利于扩大其在粘合剂领域的应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种可逆粘合聚多硫化物及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，本发明的聚合反应条件温和、工艺简单、无副产物生成。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种可逆粘合聚多硫化物，所述聚多硫化物的主链重复单元中同时包含磺酰胺和多硫键连接基团。
进一步地，所述聚多硫化物的结构式选自以下任意一种：
式（Ⅰ）；
式（Ⅱ）；
式（Ⅲ）；
式（Ⅳ）；
式（Ⅴ）；
式（Ⅵ）；
式（Ⅶ）；
其中，x为0~10，n为正整数。
本发明的技术方案之二：一种上述可逆粘合聚多硫化物的制备方法，包括以下步骤：
将双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体与单质硫混合于有机溶剂中，加入有机碱，加热反应（在有机碱催化下发生逐步加成聚合反应），反应结束后，沉淀分离，得到所述聚多硫化物。
进一步地，所述双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的结构式选自以下任意一种：
更进一步地，所述双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的制备方法具体包括：将双磺酰氯和氮杂环丙烷以摩尔比为1:（2~4）的比例混合，在0~5℃下搅拌反应3~5h，萃取、分液、浓缩，然后柱层析或重结晶，得到所述双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体。
进一步地，所述单质硫和双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的摩尔比为（1~5）:1。
更进一步地，所述单质硫和双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的摩尔比为1:1、2:1或5:1。
进一步地，所述有机溶剂为二甲基亚砜（DMSO）。
进一步地，所述有机碱包括7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（MTBD）或1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）。
进一步地，所述加热反应的温度为60~100℃，时间为5~17h。
更进一步地，所述加热反应的温度为60、80或100℃，时间为5~17h。
进一步地，所述沉淀分离，具体为：将加热反应得到的反应液滴加到甲醇中使聚多硫化物析出，离心或抽滤分离，真空干燥，得到所述聚多硫化物。
更进一步地，所述真空干燥的温度为30~50℃。
本发明的技术方案之三：一种上述聚多硫化物作为粘合剂的应用。
本发明公开了以下技术效果：
（1）本发明的聚多硫化物的主链重复单元中含有磺酰胺基团和可逆多硫键基团，具有聚多硫化物的结构特点，分子量较高，共价多硫键具备可逆性能，拥有较为优异的重复粘合性能。
（2）本发明利用双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体与单质硫进行逐步加成聚合制备产物（聚多硫化物），反应不需要使用金属催化剂、无需对搅拌速度和聚合压力等严格要求，且无副产物产生，产物的纯度高。
（3）本发明制备得到的聚多硫化物结构独特，磺酰胺基团能有效提高该类聚合物的内聚力，提高其粘合强度；多硫键在吡啶催化下动态可逆，提升其重复粘合的使用性能；使用极性有机溶剂，能方便擦除该粘合剂及回收重复利用，粘合基底无残留。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的核磁共振氢谱图；
图2为本发明实施例2制备的聚多硫化物P2的核磁共振氢谱图；
图3为本发明实施例3制备的聚多硫化物P3的核磁共振氢谱图；
图4为本发明实施例4制备的聚多硫化物P4的核磁共振氢谱图；
图5为本发明实施例5制备的聚多硫化物P5的核磁共振氢谱图；
图6为本发明实施例6制备的聚多硫化物P6的核磁共振氢谱图；
图7为本发明实施例7制备的聚多硫化物P7的核磁共振氢谱图；
图8为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的拉曼光谱图；
图9为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的扫描电子显微镜图；
图10为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的EDS能谱图；
图11为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的红外光谱图；
图12为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的凝胶渗透色谱图；
图13为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的热重分析图；
图14为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1的差式扫描热量分析图；
图15为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1在铁板上粘合效果图；
图16为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1在铝板上粘合效果图；
图17为本发明实施例1制备的聚多硫化物P1在铁板或铝板上的可逆粘合性能图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
聚多硫化物（P1）的制备方法：
（1）1,1'-(氧基双(4,1-苯磺酰))双(2-甲基氮杂环丙烷)的制备：将4,4'-氧双苯磺酰氯与2-甲基氮杂环丙烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，在0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将204mg双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体（0.5mmol）、32mg单质硫（1mmol）、7µL7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（2mL）加入10mL反应瓶中，80℃下搅拌反应13h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡黄色沉淀析出，离心收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P1）。
P1的产量为165mg，收率为70%，数均分子量为5.32kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为1.86，玻璃化转变温度122.9℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例2
聚多硫化物（P2）的制备方法：
（1）7,7'-（氧双（4,1-苯基磺酰基）双（7-氮杂双环[4.1.0]庚烷）的制备：将4,4'-氧双苯磺酰氯与7-氮杂双环[4.1.0]庚烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将244mg双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）（0.5mmol）、16mg单质硫（0.5mmol）、7µL 7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（1mL）加入干燥的10mL反应瓶中，100℃下反应14h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡黄色沉淀析出，离心收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P2）。
P2的产量为214mg，收率为82%，数均分子量为4.35kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为1.86，玻璃化转变温度134.2℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例3
聚多硫化物（P3）的制备方法：
（1）(S)-2-异丙基-1-(((4-(4-((R)-2-异丙基吡咯烷-1-基)磺酰基)苯氧基)苯基)磺酰基)氮杂环丙烷的制备：将4,4'-氧双苯磺酰氯和(S)-2-异丙基氮杂环丙烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将232mg双磺酰胺单体（0.5mmol）、16mg单质硫（0.5mmol）、7µL 7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（1mL）加入干燥的10mL反应瓶中，100℃下反应13h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡沉淀析出，抽滤收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P3）。
P3的产量为211mg，收率为85%，数均分子量为16.82kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为4.53，玻璃化转变温度154.1℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例4
聚多硫化物（P4）的制备方法：
（1）(S)-2-苯基-1-(((4-(4-((R)-2-苯基吡咯烷-1-基)磺酰基)苯氧基)苯基)磺酰基)氮杂环丙烷的制备：将4,4'-氧双苯磺酰氯与(S)-2-苄基氮杂环丙烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将280mg双磺酰胺单体（0.5mmol）、32mg单质硫（1mmol）、7µL 7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（2mL）加入干燥的10mL耐压瓶中，80℃下反应14h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡黄色沉淀析出，抽滤收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P4）。
P4的产量为297mg，收率为95.2%，数均分子量为6.71kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为3.44，玻璃化转变温度136.3℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例5
聚多硫化物（P5）的制备方法：
（1）6,6'-(氧基双(4,1-苯磺酰基))双(6-氮杂双环[3.1.0]己烷)的制备：将4,4'-氧双苯磺酰氯与6-氮杂双环[3.1.0]己烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将230mg双磺酰胺单体（0.5mmol）、16.03mg单质硫（0.5mmol）、7µL 7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（1mL）加入干燥的10mL耐压瓶中，100℃下反应17h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有黑色沉淀析出，离心收集黑色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P5）。
P5的产量为180mg，收率为73%，数均分子量为3.92kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为1.98，玻璃化转变温度112.3℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例6
聚多硫化物（P6）的制备方法：
（1）4,4'-双((2-甲基氮杂环丙烷-1-基)磺酰基)-1,1'-联苯的制备：将[1,1'-联苯]-4,4'-二磺酰氯与2-甲基氮杂环丙烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将196mg双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体（0.5mmol）、32mg单质硫（1mmol）、7µL7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（2mL）加入干燥的10mL耐压瓶中，80℃下反应14h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡黄色沉淀析出，离心收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P6）。
P6的产量为167mg，收率为73.4%，数均分子量为4.08kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为1.59，玻璃化转变温度130.2℃，结构式为（x为0~10）：
。
实施例7
聚多硫化物（P7）的制备方法：
（1）4,4'-双((2-甲基氮杂环丙烷-1-基)磺酰基)-1,1'-联苯的制备：将1,3-苯二磺酰氯与2-甲基氮杂环丙烷以摩尔比1:3的比例混合，置于圆底烧瓶中，0℃下反应4h，萃取、分液、浓缩，柱层析，得到纯的双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体，结构式为：
。
（2）将95mg双（
N-磺酰基氮杂环丙烷）单体（0.3mmol）、195mg单质硫（0.6mmol）、7µL7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（0.05mmol）、DMSO（1mL）加入干燥的10mL耐压瓶中，80℃下反应14h后，将反应液缓慢加入30mL甲醇中，有淡黄色沉淀析出，抽滤收集淡黄色沉淀，于40℃真空干燥箱干燥，得到聚多硫化物（P7）。
P7的产量为80mg，收率为70%，数均分子量为5.73kg/mol（相对于聚苯乙烯标样），分子量分布为2.02，玻璃化转变温度106.9℃，结构式为（x为0~10）：
。
效果例1
结构表征：
实施例1~7制备的聚多硫化物P1~P7的核磁共振谱图见图1~图7。
从图1~图7中可以看出，核磁共振氢谱（1H NMR）的峰与目标产物一一对应，数量合理。
实施例1制备的聚多硫化物P1的拉曼光谱图见图8；扫描电子显微镜图见图9；EDS能谱图见图10；红外光谱图见图11；凝胶渗透色谱图见图12；热重分析图见图13；差式扫描热量分析图见图14。
从图8中可以看出，实施例1制备的聚多硫化物P1具有C-S、S-S、S-S-S特征峰。
从图9可以看出，聚合物中有C、N、O、S元素。
从图10中可以看出，S的质量分数达到24.8%。
从图11中可以看出，吸收峰与实施例1制备得到聚多硫化物P1的特征吸收峰一一对应。
结合图1和图8~11，可以证明本发明成功制备得到了聚多硫化物P1。
从图12中可以看出，出峰时间较前，峰型较宽，证明聚多硫化物P1实现了高分子量分布。
从图13中可以看出，聚多硫化物P1质量损失为5%时的温度为243℃，即分解温度为243℃。
从图14中可以看出，聚多硫化物P1的玻璃化转变温度为122.9℃。
效果例2
采用实施例1制备的聚多硫化物P1进行重复粘合性能的测试，测试方法如下（测试结果见图15~17）：
将P1（100mg）与吡啶（50µL）均匀研磨后置于待粘合的铁板或铝板的表面，室温下压合60min，使用电子万能试验机测试粘合强度，拉伸断裂后再次粘合重复试验。
粘合强度测试的方法：
设备名称：电子万能试验机；设备型号：CMT2503WL；设备规格：5kN；
试验标准名称：塑料薄膜拉伸性能试验方案；试验标准代码：GB/T 1040.3-2006；
测试条件：室温测试，板材试样，拉向位移，采样频率60Hz，试验速度6mm/min。
测试结果见图15~17。
从图15~17中可以看出，本发明实施例1制备的聚多硫化物P1在铁板或铝板上粘合性能优良，经过5次以上循环拉伸断裂强度不断增强，在循环20次内没有观察到拉伸断裂强度显著下降，具有重复粘合的性能。聚多硫化物重复单元中的磺酰胺基团能有效提升其内聚力，进而提高其粘合强度，在多次脱粘合-粘合试验后，其粘合强度不但没有降低，反而粘合强度逐渐提升，达到0.7Mpa。聚多硫化物重复单元中的多硫键包含二硫键、三硫键等，其在有机碱存在下进行动态可逆交换，使其具备了重复粘合的功能。该类型聚多硫化物在极性有机溶剂（如二甲基亚砜、
N,N-二甲基甲酰胺）中具备优良的溶解度，利用其溶解性，可简便擦除、回收利用，并且在粘合基底表面无残留。
效果例3
采用实施例1~7制备的聚多硫化物P1-P7分别进行粘合性能的测试，测试方法按照效果例2，测试结果如表1和表2所示：
表1聚多硫化物在铁板表面的黏附强度
表2聚多硫化物在铝板表面的黏附强度
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种可逆粘合聚多硫化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将双（N-磺酰基氮杂环丙烷）单体与单质硫混合于有机溶剂中，然后加入有机碱，加热反应，反应结束后，沉淀分离，得到所述聚多硫化物；
所述聚多硫化物的结构式选自以下任意一种：
式（Ⅰ）；
式（Ⅱ）；
式（Ⅲ）；
式（Ⅳ）；
式（Ⅴ）；
式（Ⅵ）；
式（Ⅶ）；
其中，x为0~10，n为正整数；
所述双（N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的结构式选自以下任意一种：
。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述单质硫和双（N-磺酰基氮杂环丙烷）单体的摩尔比为（1~5）:1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二甲基亚砜。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机碱包括7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯或1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热反应的温度为60~100℃，时间为5~17h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀分离具体为：将加热反应得到的反应液滴加到甲醇中，使聚多硫化物析出，离心或抽滤后干燥得到所述聚多硫化物。
7.一种权利要求1~6任一项所述的制备方法制备的聚多硫化物。
8.根据权利要求7所述的聚多硫化物，其特征在于，所述聚多硫化物的数均分子量为5.32kg/mol、4.35kg/mol、16.82kg/mol、6.71kg/mol、3.92kg/mol、4.08kg/mol或5.73kg/mol。
9.一种权利要求7或8所述的聚多硫化物作为粘合剂的应用。
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