CN115960288A - 交联增强的复分解聚烯烃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本公开属于高分子材料合成技术领域,尤其涉及一种交联增强的复分解聚烯烃及其制备方法,更具体地涉及一种含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链和交联剂制备的交联增强的复分解聚烯烃及其方法。
背景技术
遥爪聚合物,定义为具有官能端基的聚合物,其通常用作构建嵌段共聚物的前体、交联剂或形成聚合物网络的中间体而备受关注。其中,通过功能性的端基引入共价交联网络,可以开发先进的聚合物材料,增强材料性能,其可以应用于粘合剂、涂料、粘合剂、油漆或电子系统等应用。尤其是开环复分解聚合由于其巨大的官能团耐受性,已成为制备遥螺旋聚合物的有力工具,例如:遥螺旋聚合物可以通过在具有羟基、羧酸盐、甲基丙烯酸酯、乙酰氧基、环氧化物、碳酸盐、氰基、三烷氧基甲硅烷基和其他官能的双官能烯烃链转移剂存在下,通过环烯烃的直接复分解来合成,但这些遥螺旋聚合物的性能较差,且研究较少。
发明内容
针对上述技术问题,本公开提供了一种交联增强的复分解聚烯烃及其制备方法,以期至少部分地解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题,本公开提供的技术方案如下:
作为本公开第一个方面,提供了一种交联增强的复分解聚烯烃制备方法,包括:
式(1)所示的烯二醇和式(2)所示的β-二羰基化合物通过酯交换反应,得到式(3)所示的含乙酰乙酸基团的链转移试剂;
含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯,在格拉布斯二代催化剂催化作用下,经开环复分解聚合反应得到式(4-1)或式(4-2)所示的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链;
含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂在任选的交联催化剂催化作用下,经迈克尔加成反应或斯托克烯胺化反应,得到式(5-1)或式(5-2)所示的乙酰乙酸基团封端的聚烯烃:
其中,m1和m2各自独立地表示1-8的整数,聚合度n的范围为50-300;R选自C1-C5的烷基。
在其中一个实施例中,式(1)所示的烯二醇包括以下任意一种:
1,4-丁烯二醇、1,5-戊烯二醇、1,8-辛烯二醇;
式(2)所示的β-二羰基化合物包括以下任意一种:
乙酰乙酸叔丁酯、乙酰乙酸乙酯;
交联催化剂为:1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯。
在其中一个实施例中,交联剂包括以下至少一种:
丙烯酸二元醇酯、丙烯酸多元醇酯、多元(氨基烷基)胺;
其中,多元(氨基烷基)胺中烷基选自C1-C5的亚甲基。
在其中一个实施例中,交联剂包括以下至少一种:
1,4-丁二醇二丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三(2-氨基乙基)胺中至少一种。
在其中一个实施例中,其中:
在使用1,4-丁二醇二丙烯酸酯或三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂的情况下,含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经迈克尔加成反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃;或
在使用三(2-氨基乙基)胺交联剂的情况下,含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经斯托克烯胺化反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃。
在其中一个实施例中,其中:
含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与三(2-氨基乙基)胺,经斯托克烯胺化反应制得乙酰乙酸基团封端的环辛烯或降冰片烯聚合物的过程中,不使用交联催化剂。
在其中一个实施例中,其中:
乙酰乙酸基团与1,4-丁二醇二丙烯酸酯交联剂的摩尔比为1∶1.0-1.5;
乙酰乙酸基团与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂的摩尔比为1∶0.67-1.0;
乙酰乙酸基团与三(2-氨基乙基)胺交联剂的摩尔比为1∶0.5-0.8。
在其中一个实施例中,其中:
含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯的投料比为1∶50-200。
在其中一个实施例中,其中:
乙酰乙酸基团与交联催化剂的摩尔比为1∶0.2-0.7。
作为本公开第二个方面,提供了一种交联增强的复分解聚烯烃,包括:
式(5-1)或式(5-2)所示的动态共价交联网络结构:
其中,交联剂包括丙烯酸二元醇酯、丙烯酸多元醇酯、多元(氨基烷基)胺中至少一种;
聚合物链为式(4-1)或式(4-2)所示的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链:
其中,m1和m2各自独立地表示1-8的整数,聚合度n的范围为50-300。
根据本公开的实施例,在带有乙酰乙酸基团的链转移试剂存在下,格拉布斯二代催化剂催化环辛烯或降冰片烯的开环异位复分解聚合反应制备了结构明确和分子量可控的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物。在温和条件下,使用不同类型的交联剂,与具有乙酰乙酸基团的遥爪聚合物通过迈克尔加成反应或斯托克烯胺化反应,得到交联增强的乙酰乙酸基团封端的聚烯烃。与原始遥爪聚合物相比,制备的乙酰乙酸封端的聚烯烃的交联网络显示出显著增强的机械性能。
附图说明
图1A是本公开实施例1中含乙酰乙酸基团的链转移试剂的核磁共振氢谱图;
图1B是本公开实施例1中含乙酰乙酸基团的链转移试剂的核磁共振碳谱图;
图2A是本公开实施例2-1中含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合度n=70的核磁共振氢谱图;
图2B是本公开实施例2-2中含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合度n=120的核磁共振氢谱图;
图2C是本公开实施例2-3中含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合度n=220的核磁共振氢谱图;
图3为本公开实施例3中交联增强的复分解聚烯烃材料的制备流程图;
图4A为本公开实施例中使用A1和A2交联剂,交联增强的复分解聚烯烃材料中聚合度n=70的聚烯烃拉伸图;
图4B为本公开实施例中使用A1和A2交联剂,交联增强的复分解聚烯烃材料中聚合度n=120的聚烯烃拉伸图;
图4C为本公开实施例中使用A1和A2交联剂,交联增强的复分解聚烯烃材料中聚合度n=220的聚烯烃拉伸图;
图4D为本公开实施例中使用A3交联剂,交联增强的复分解聚烯烃材料中聚合度n=70、120、220的聚烯烃拉伸图;
图5为本公开实施例4中交联增强复分解聚烯烃降解前后的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的核磁共振氢谱图;
图6为本公开实施例4中交联增强复分解聚烯烃降解后的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的核磁共振氢谱图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本公开作进一步的详细说明。
针对现有遥爪聚合物的力学性能较差的问题,本公开提供了交联增强复分解聚烯烃及其制备方法,获得结构明确、分子量可控,力学显著增强的聚烯烃。
作为本公开的第一个方面,提供了一种交联增强的复分解聚烯烃的制备方法,包括:
式(1)所示的烯二醇和式(2)所示的β-二羰基化合物通过酯交换反应,得到式(3)所示的含乙酰乙酸基团的链转移试剂;
含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯,在格拉布斯二代催化剂(GII)催化作用下,经开环复分解聚合反应得到含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链(例如式(4-1)或式(4-2)所示的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链);
含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂,在任选的交联催化剂催化作用下,经迈克尔加成反应或斯托克烯胺化反应,得到式(5-1)或式(5-2)所示的乙酰乙酸基团封端的聚烯烃:
其中,m1和m2各自独立地表示1-8的整数,聚合度n的范围为50-300;R选自C1-C5的烷基。
根据本公开的实施例,降冰片烯和环辛烯都是开环复分解聚合广泛应用的单体,两者反应机理相同,并且单一聚降冰片烯也存在质脆,强度较弱的缺点,所以同样可以采用本文中提供的环辛烯的交联强化的方法,增强单一聚降冰片烯的力学性能。因此在本公开的实施例中,在带有乙酰乙酸基团的链转移试剂存在下,格拉布斯二代催化剂催化环辛烯或降冰片烯等开环异位复分解聚合反应制备了结构明确和分子量可控的遥爪聚合物。在温和条件下,使用不同类型的交联剂,与具有乙酰乙酸基团的遥爪聚合物通过迈克尔加成反应或斯托克烯胺化反应,得到交联增强的乙酰乙酸基团封端的聚烯烃。与原始遥爪聚合物相比,制备的乙酰乙酸封端的聚烯烃其交联网络显示出显著增强的机械性能。
根据本公开的实施例,所示的烯二醇中m1和m2各自独立地表示1-8的整数,其中,优选m1=m2,以便含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯进行开环复分解反应时,式(4-1)或式(4-2)所示的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链两端的聚合物性质相同。在本公开实施例中,式(1)所示的烯二醇可以为1,4-丁烯二醇、1,5-戊烯二醇、1,8-辛烯二醇,还可以选择其他具有烯二醇结构的化合物,在此不再详细限定。
根据本公开的实施例,交联催化剂可以为1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)。
根据本公开的实施例,与含乙酰乙酸基团的链转移试剂进行反应的交联剂包括丙烯酸二元醇酯、丙烯酸多元醇酯、多元(氨基烷基)胺中任意一种,其中,多元(氨基烷基)胺中烷基选自C1-C5的亚甲基,如乙基、丙基。例如:交联剂可以为1,4-丁二醇二丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三(2-氨基乙基)胺。
根据本公开的实施例,本公开提供的交联剂具有如下结构:
根据本公开的实施例,在使用1,4-丁二醇二丙烯酸酯(A1)或三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(A2)交联剂的情况下,含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经迈克尔加成反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃。
例如,以1,4-丁烯二醇和乙酰乙酸叔丁酯为原料,合成得到含乙酰乙酸基团的链转移试剂,然后乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯在格拉布斯二代催化剂催化作用下,经开环复分解聚合反应乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链,然后该聚合物链与A1或A2交联剂通过迈克尔加成反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃,其中所涉及的具体反应过程如下:
根据本公开的实施例,在使用三(2-氨基乙基)胺交联剂的情况下,含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经斯托克烯胺化反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃,但此反应过程中不使用交联催化剂(DBU)。
同理地,以1,4-丁烯二醇和乙酰乙酸叔丁酯为原料,合成得到含乙酰乙酸基团的链转移试剂,然后乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯在格拉布斯二代催化剂催化作用下,经开环复分解聚合反应乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链,然后该聚合物链与A3交联剂进行斯托克烯胺化反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃,其中所涉及的具体反应过程如下:
在本公开实施例中,通过使用含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与三(2-氨基乙基)胺交联剂通过乙烯基氨基甲酸酯的斯托克烯胺化反应,可以获得动态共价交联网络的聚烯烃,采用这种方法制备的聚烯烃具有良好的机械性能、优异的重复加工和降解性能。
根据本公开的实施例,乙酰乙酸基团与1,4-丁二醇二丙烯酸酯交联剂(A1)的摩尔比为1∶1.0-1.5,其中,更加优选1∶1.2;乙酰乙酸基团与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂(A2)的摩尔比为1∶0.67-1.0,其中,更加优选1∶0.8;乙酰乙酸基团与三(2-氨基乙基)胺交联剂(A3)的摩尔比为1∶0.5-0.8,其中,更加优选1∶0.6。在本公开提供的比例范围内,乙酰乙酸基团分别与A1、A2、A3交联剂通过开环复分解聚合反应,可以获得力学性质较好的聚烯烃。
在本公开的实施例中,根据反应基团1∶1的理论计算反应程度达到100%时交联剂的用量,但是交联剂用量因误差,分散不均匀,反应性等原因会让交联剂实际用量高于此值,因此以1,4-丁二醇二丙烯酸酯为例,摩尔比在1∶1.0-1.5,最佳比例实际实验为1:1.2,稍微过量的交联剂不会对性质产生很大影响,大大过量的交联剂反而会降低交联效果,使聚合物变成线性结构。
根据本公开的实施例,含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯的投料比为1∶50-200,乙酰乙酸基团与交联催化剂(DBU)的摩尔比为1∶0.2-0.7,可以获得不同分子量、结构确定的交联增强的聚烯烃。
作为本公开第二方面,提供了一种交联增强的复分解聚烯烃,聚烯烃具有如式(5-1)或式(5-2)所示的动态共价交联网络结构:
其中,交联剂包括丙烯酸二元醇酯、丙烯酸多元醇酯、多元(氨基烷基)胺中至少一种;
聚合物链为式(4-1)或式(4-2)所示的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链:
其中,m1和m2各自独立地表示1-8的整数,聚合度n的范围为50-300。
以下结合具体的实施例和附图,对本公开提供的含乙酰乙酸基团的链转移试剂、乙酰乙酸封端的聚合物及其制备方法进行详细的描述,需要说明的是本公开提供的实施例并不对本公开所要请求保护的范围构成限定。
实施例1
含乙酰乙酸基团的链转移试剂的制备过程如下:
向装有冷水冷凝器的500mL圆底烧瓶中加入2-丁烯-1,4-二醇(10.0g,0.11mol)、乙酰乙酸叔丁酯(52.7g,0.33mol)和甲苯(150mL)。将溶液回流并保持24小时,除去甲苯后,将剩余液体在70℃至130℃下减压蒸馏,其中第一个蒸馏组分是未反应的乙酰乙酸叔丁酯,在130℃下收集目标产物链转移试剂,得到淡黄色油(19.5g,产率,94%)。
然后对实施例1中的方法制备的含乙酰乙酸基团的链转移试剂进行核磁共振氢谱和碳谱图分析,具体分析测试结果如图1A-1B所示。
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ5.79(ddd,J=5.2,4.0,1.2Hz,2H),4.77-4.73(m,4H),3.49(s,4H,2.27(s,6H);
13C NMR(101MHz,CDCl3)δ200.40、166.78、127.94、60.65、49.84、30.22。
实施例2-1
含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的制备过程如下:
通过注射器将无水二氯甲烷(300mL)、实施例1中的链转移试剂(3.0mmol)和环辛烯(150mmol)转移到500mL Schlenk烧瓶中,并持续氮气吹扫。将烧瓶及其内容物置于真空下,然后再充入氮气。再将GII(格拉布斯第二代)催化剂(15μmol)溶于5mL二氯甲烷转移到瓶中,将烧瓶浸入40℃的油浴中,6小时后,在真空下将其蒸发至干,然后沉淀到1000mL甲醇中。分离聚合物,并用甲醇(3×200mL)多次洗涤,并在45℃下真空干燥12小时。
采用实施例2-1中的方法制备的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的核磁共振氢谱如图2A所示,依据图2A所示的核磁数据可以计算出该含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合物的聚合度n值为70。
实施例2-2
采用与实施例2-1中相同的方法制备含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链,唯一不同的是链转移试剂的用量为0.15mmol,其余实验条件相同。
采用实施例2-2中的方法制备的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的核磁共振氢谱如图2B所示,根据图2B所示的核磁数据可以计算出该含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合物的聚合度n值为120。
实施例2-3
采用与实施例2-1中相同的方法制备含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链,唯一不同的是链转移试剂的用量为0.75mmol,其余实验条件相同。
采用实施例2-3中的方法制备的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的核磁共振氢谱如图2C所示,根据图2C所示的核磁数据可以计算出该含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链中聚合物的聚合度n值为220。
实施例3
交联增强的复分解聚烯烃材料的制备过程如下:
将含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链(2g)和交联剂(0.6mmol)溶解在10mL四氢呋喃中并超声分散30分钟,加入交联催化剂1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU,0.25mmol,以乙酰乙酸基团为基础的量1∶0.5)。然后将混合物倒入直径75mm的玻璃培养皿中,并在80℃下固化该膜,得到干燥的聚合物膜样品(如图3所示)。
需要说明是,当选用三(2-氨基乙基)胺作为交联剂时,实施例3在制备交联增强的复分解聚烯烃过程中无需加入1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU),同时将烘干温度设定为105℃,其余参数维持不变。
交联增强的复分解聚烯烃聚合物材料的力学测试
根据标准试验方法ASTM 638,试样长为28毫米,宽为2毫米(最窄处),厚为0.6毫米的哑铃形样条。应力应变实验在室温下以10米每分的速度进行,每种样品至少对2个试样进行测试。
将实施例2-1、实施例2-2、实施例2-3中制备的含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链采用实施例3中的方法制备交联增强的复分解聚烯烃聚合物材料,并进行相关的力学测试,具体测试结果如图4A-4D,其中,图4D中A3交联-1代表交联增强的复分解聚烯烃材料中聚合度n=70,A3交联-2代表聚烯烃中聚合度n=120,A3交联-3代表聚烯烃中聚合度n=220。
如图4A-4D所示,选用A2作为交联剂制备的交联增强的复分解聚烯烃具有更好的力学性质。另外,随着聚烯烃聚合物材料中的聚合物n值变大,聚烯烃的强度和伸长率越大,机械性能得到显著提升(图4A-4D),达到了10MPa强度以上和300%以上的断裂伸长率。交联前的乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链机械性能很差,无法进行机械力学性能测试,因此视为强度很低和容易断裂的聚烯烃。
实施例4
选用三(2-氨基乙基)胺制备的交联聚合物的降解和再交联
用三(2-氨基乙基)胺制备的交联聚合物(2g)在室温下用盐酸(5mL)和无水二氯甲烷(50mL)浸泡搅拌4h,利用酸催化烯胺键断裂,使交联增强的复分解聚烯烃回到交联反应前状态。然后,用碳酸氢钠将溶液调节为中性后,在真空下将其蒸发至干,然后沉淀到500mL甲醇中。分离聚合物,用甲醇(3×200mL)洗涤,并在45℃下真空干燥12小时,得到淡黄色粉末,而降解后的浅黄色粉末可以再次用于制备交联膜。
由图5-图6可知,降解前后聚合物中乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链的结构没有明显的变化,证明了该A3交联剂制备的聚烯烃聚合物具备降解和重复加工性。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备交联增强的复分解聚烯烃的方法,包括:
式(1)所示的烯二醇和式(2)所示的β-二羰基化合物通过酯交换反应,得到式(3)所示的含乙酰乙酸基团的链转移试剂;
所述含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯,在格拉布斯二代催化剂催化作用下,经开环复分解聚合反应得到含式(4-1)或式(4-2)所示的乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链;
所述含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂在任选的交联催化剂催化作用下,经迈克尔加成反应或斯托克烯胺化反应,得到式(5-1)或式(5-2)所示的乙酰乙酸基团封端的聚烯烃:
其中,m1和m2各自独立地表示1-8的整数,聚合度n的范围为50-300;R选自C1-C5的烷基。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述式(1)所示的烯二醇包括以下任意一种:
1,4-丁烯二醇、1,5-戊烯二醇、1,8-辛烯二醇;
所述式(2)所示的β-二羰基化合物包括以下任意一种:乙酰乙酸叔丁酯、乙酰乙酸乙酯;
所述交联催化剂为:1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述交联剂包括以下至少一种:
丙烯酸二元醇酯、丙烯酸多元醇酯、多元(氨基烷基)胺;
其中,所述多元(氨基烷基)胺中烷基选自C1-C5的亚甲基。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述交联剂包括以下至少一种:
1,4-丁二醇二丙烯酸酯,三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和三(2-氨基乙基)胺中至少一种。
5.根据权利要求4所述的方法,其中:
在使用1,4-丁二醇二丙烯酸酯或三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂的情况下,所述含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经迈克尔加成反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃;或
在使用三(2-氨基乙基)胺交联剂的情况下,所述含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与交联剂经斯托克烯胺化反应,得到乙酰乙酸基团封端的聚烯烃。
6.根据权利要求5所述的方法,其中:
所述含乙酰乙酸基团的遥爪聚合物链与三(2-氨基乙基)胺,经斯托克烯胺化反应制得乙酰乙酸基团封端的环辛烯或降冰片烯聚合物的过程中,不使用交联催化剂。
7.根据权利要求5所述的方法,其中,所述乙酰乙酸基团与1,4-丁二醇二丙烯酸酯交联剂的摩尔比为1:1.0-1.5;
所述乙酰乙酸基团与三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂的摩尔比为1:0.67-1.0;
所述乙酰乙酸基团与三(2-氨基乙基)胺交联剂的摩尔比为1:0.5-0.8。
8.根据权利要求1所述的方法,其中,所述含乙酰乙酸基团的链转移试剂与环辛烯或降冰片烯的投料比为1:50-200。
9.根据权利要求4所述的方法,其中,所述乙酰乙酸基团与所述交联催化剂的摩尔比为1:0.2-0.7。
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