CN1171126A - 新型环氧官能化聚醚 - Google Patents

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Abstract

由一种具有结构式VI所示结构的羧酸,其中Q是A或B,X和Y各自是氢、甲基或乙基,前提条件是如果X是甲基或乙基则Y是氢,或如果Y是甲基或乙基则X是氢,以及m+n+o是1～450之间的正实数,和官能度为每分子至少1.5个环氧基的环氧树脂反应制备一种新型环氧官能化聚醚组合物。

Description

新型环氧官能化聚醚
本发明涉及环氧官能化的聚醚。
现在越来越需求在环氧树脂应用中所使用的化合物类，例如作为乳化剂或稀释剂，这是因为环氧树脂被要求在甚至更加特定的和更高要求的条件下使用。在这方面尤其可列举水基环氧树脂组合物，它比传统的基于有机溶剂的体系对环境更无影响。这一水基体系需要特定的乳化剂和/或稀释剂，它们必须与水相以及有机相都相容。
理想的是这些化合物具有环氧官能基以提高与固化的环氧基质的相容性。此外，希望能够提供具有预定的亲水性和疏水性片段(视具体的应用而定)的化合物。
本发明的目的是提供一种包含新型环氧官能化的聚醚的组合物。本发明的再一目的是提供一种制备环氧官能化聚醚的方法。本发明的又一目的是它们的酯类。
现已发现，通过让某些二羧酸和具有一个以上环氧基的环氧树脂反应能够制备包含某些环氧官能化聚醚的组合物，该聚醚非常适合用作例如适合用于涂料的水基环氧树脂组合物中的乳化剂和/或反应活性稀释剂。
因此，本发明涉及一种组合物，它包含由(a)具有以下通式的羧酸
H-Q-H
                                                     (VI)
Figure A9519697000051
其中，Q是A或B，X和Y独立地是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或如果Y是甲基或乙基则X是氢，和m+n+o是1-450中的正实数，和(b)具有官能度为每分子至少1.5个环氧基的环氧树脂，按照羧酸与环氧树脂摩尔比为1∶2-1∶20进行反应所制备的产物。在以上通式中n+m+o优选是6-200中的正实数。
亲水性羧酸能够由聚乙二醇、聚丙二醇、聚丁二醇或环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物或聚氧化丁烯(“聚亚烷基二醇”)的氧化来制备。优选的是聚亚烷基二醇具有以下通式：HO-CH2-CH2-D-CH2-CH2-OH
Figure A9519697000061
Figure A9519697000062
其中D是E或F，X和Y独立地是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或者如果Y是甲基或乙基则X是氢，和m+n+o是从1、优选从20至450、优选至400的正实数，以及m、n和o独立地是0-450中的正实数。
聚亚烷基二醇一般含有一定分布的化合物，该化合物具有可变数目的氧化乙烯单元(n或o)和/或氧化丙烯或氧化丁烯单元(m)。一般来说，单元的给定数目是最接近统计平均值和分布的峰值的整数。这里所使用的正实数是指正的并包括整数和整数的分数的数值。
该羧酸是由聚亚烷基二醇的氧化方法制备的，这类方法包括，但不限于在US-A 5,250,727中描述的方法。通常，在自由基(比如2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氧基)和无机酸(比如硝酸)存在的情况下将氧引人聚亚烷基二醇中以制备羧酸，直到所有的醇基氧化成羧基。
羧酸可用以下通式表示：
                H-Q-H       (VI)其中Q的定义同上。
本发明的环氧官能化聚醚是通过上述羧酸与疏水性环氧树脂的反应获得的。一般，环氧树脂可以是具有1，2-环氧基当量值(官能度)为平均每分子优选有1.5个以上环氧基的任何活性环氧树脂。该环氧树脂能够是饱和的或不饱和的，线性的或支化的，脂族的、环脂族的、芳族的或杂环族的，并可以携带基本上不干扰与羧酸的反应的取代基。这类取代基可包括溴或氟。它们可以是单体或聚合物，液体或固体，但优选液体或在室温下低温熔融固体。合适的环氧树脂包括由表氯醇与含有至少1.5个芳羟基的化合物在碱性反应条件下进行反应制得的缩水甘油基醚。适合用于本发明中的环氧树脂的实例是二羟基化合物的二缩水甘油基醚。一般环氧树脂含有一定分布的具有可变的1，2-环氧基当量值的化合物。
优选的环氧树脂包括，但不限于由以下通式表示的那些：
Figure A9519697000071
其中R1是二价脂族基、二价环脂族基、二价芳基或二价芳脂族基，优选R1含有8-120个碳原子。术语二价脂族基包括在骨架上有氧原子和/或硫原子的化合物。
优选环氧树脂是二元酚的二缩水甘油基醚或氢化二元酚的二缩水甘油基醚(环脂族缩水甘油基醚)、脂族缩水甘油基醚或环脂族环氧化物。例如，R1可以是具有下式的二价环脂族基
Figure A9519697000072
其中R5和R6各自独立地是亚烷基或具有下式的二价芳脂族基其中R7是亚烷基。
二元酚的二缩水甘油基醚例如能够由表氯醇与二元酚在碱存在下进行反应而制备。合适的二元酚的例子包括：2，2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚-A)；2，2-双(4-羟基-3-叔丁基苯基)丙烷；1，1-双(4-羟基苯基)乙烷；1，1-双(4-羟基苯基)异丁烷；双(2-羟基-1-萘基)甲烷；1，5-二羟基萘；1，1-双(4-羟基-3-烷基苯基)乙烷等等。合适的二元酚也可以从苯酚与醛如甲醛反应来制备(双酚-F)。二元酚的二缩水甘油基醚包括以上二羟基酚的二缩水甘油基醚与酚类化合物(双酚-A)的熔融产物，比如在US3,477,990和4,734,468中描述的那些。
氢化二元酚的二缩水甘油基醚(或环脂族缩水甘油基醚)例如能够通过如下制备：将二元酚氢化，随后在路易斯酸催化剂存在下用表氯醇加以缩水甘油基化，然后通过与氢氧化钠反应形成缩水甘油基醚。合适的二元酚的实例已经在上面给出。
在骨架上任意性地含有醚键形式的氧原子的脂族缩水甘油基醚例如能够如下制备：表氯醇与脂族二醇或聚烯化氧二醇在路易斯酸催化剂存在下反应，然后通过与氢氧化钠反应将卤代醇中间体转化成缩水甘油基醚。优选的脂族缩水甘油基醚的例子包括与下式对应的那些：
Figure A9519697000082
其中p是2-12中、优选2-6中的整数；和q是4-24中、优选4-12中的整数。
合适的脂族缩水甘油基醚的例子包括，1，4-丁二醇、新戊二醇、环己烷二甲醇、己二醇、聚丙二醇和类似的二醇和二元醇类的二缩水甘油基醚；和三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的三缩水甘油基醚。
环脂族环氧化物能够通过用过乙酸将具有一个以上的烯属键的环烯化合物加以环氧化而制得。优选的环脂族环氧化物的例子包括对应于下式的那些：
Figure A9519697000091
其中R2是二价脂族基，任意性地含有醚或酯基，或与R3或R4一起形成任意性地含有杂原子的螺环，以及R3和R4独立地是氢，或者R3或R4与R2一起形成任意性地含有杂原子如氧的螺环。优选R2含有1-20个碳原子。环脂族环氧化物的例子包括，(3，4-环氧)环己烷羧酸3，4-环氧环己基甲酯，二环脂族基二醚二环氧基[2-(3，4-环氧)环己基-5，5-螺(3，4-环氧)环己烷-m-二噁烷]，己二酸双(3，4-环氧环己基甲基)酯，己二酸双(3，4-环氧环己基)酯和乙烯基环己烯二氧化物[4-(1，2-环氧乙基)-1，2-环氧环己烷]。环脂族环氧化物包括以下通式的化合物：
Figure A9519697000092
优选的环氧树脂的商品实例包括，EPON树脂DPL-862、828、826、825、1001，EPONEX树脂1510，HELOXY改性剂107、67、68和32(EPON、EPONEX和HELOXY是商标)，全部购自Shell Chemical Company(壳牌化学公司)，以及联合碳化物公司的环氧树脂ERL-4221、-4289、-4299、-4234和-4206。
羧酸与环氧树脂在可使酸基和环氧基反应的条件下接触并制得由下式表示的环氧官能化的聚醚
Figure A9519697000101
其中Q是A或B，R1独立地是二价烃基，该二价烃基具有8-120个碳原子，X和Y独立地是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或者如果Y是甲基或乙基则X是氢，和m+n+o是1-450中的正实数，R2是二价脂族基，任意性地含有醚或酯基，或与R3或R4一起形成任意性地含有杂原子的螺环，以及R3和R4独立地是氢，或者R3和R4与R2一起形成任意性地含有杂原子如氧的螺环。键接于环脂族环的OH和Q的位置代表由环脂族环的开环反应所形成的不同异构体。应该认识到二酸部分Q能够连接于R2或环氧基的对位或间位。
典型地，羧酸与环氧树脂的摩尔比是在从1∶2、更优选从1∶3至1∶20、更优选至1∶10的范围内。该反应典型地在从室温至足以使酸基与环氧基反应的升高温度这一范围内的温度下进行有效产生反应产物的时间，该温度典型是从25℃、优选从60℃至150℃、更优选至130℃的范围内。反应进程能够加以调控来制备所需产物，方法是通过测量反应混合物的酸当量和环氧基当量。一般，加热反应混合物，一直到混合物的酸当量表明大于或等于99％的初始当量值的酸被消耗为止，和至少等量的环氧基被消耗，它通常是1小时或更长。对于环脂族环氧化物，不能仅由环氧基的消耗来监测反应过程，归因于这类环氧基的完全均聚。优选地，该反应是在催化剂存在下进行。
该反应典型地制备一种产物，它含有从两分子的二环氧化物与一分子的二酸的缩合反应得到的分子，以及其它齐聚物或未反应的环氧化物，这取决于环氧树脂与羧酸基的摩尔或当量比及反应所进行的时间。该反应可以在完成之前终止，在这种情况下将会在产物混合物中存在单环氧基单酸物质。优选使用过量的环氧树脂(环氧树脂与羧酸的摩尔比大于2∶1)以最大程度地减少聚酯类的形成。如果需要，二环氧化物产物或主要含有二环氧化物产物的混合物(二环氧化物是混合物中的主要组分)可用常规方法从反应混合物中回收。
该催化剂是碱或金属螯合物，例如，铵化合物、鏻化合物、叔胺和膦。更优选的催化剂的例子包括，例如三苯基磷酸式乙酸盐，碘化乙基三苯基磷、苄基二甲基胺、三苯基膦、三丁基胺、水杨酸铝、氢氧化四甲基铵和类似物。催化剂的存在量是从0.005wt％、优选从0.01wt％至1.0wt％、更优选至0.5wt％，以环氧树脂和羧酸的总重量为基础计。
在下面的实施例中使用的聚乙二醇(PEG)是从Aldrich化学公司获得的，在以下实施例中使用的2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氧基(TEMPO)是从Aldrich化学公司获得的。EPON树脂826和828(具有环氧当量187-188的二元酚的二缩水甘油基醚)和EPONEX树脂1510(具有环氧当量220的氢化二元酚的二缩水甘油基醚)是从壳牌化学公司获得的。实例1
于一带有冷凝器的500ml的气体洗涤瓶中加入100克平均分子量3400的聚乙二醇，5.0克TEMPO自由基和200ml二氯乙烷。通过将容器浸入加热水浴中将容器和内容物加热至沸点。引入0.4L/分的空气，然后往混合物中加入5.0克硝酸。温度和气扫保持8小时。然后用旋转蒸发器浓缩产物混合物。用异丙醇处理残余物以便减少活性氧化剂。然后用分成几份的丙酮冲洗固体产物混合物从而除去大多数氧化剂残余物。在氮气下干燥后，固体产物的酸当量为1841。实例2α-(羧甲基)-ω(羧基乙氧基)-聚(氧-1，2-亚乙基)的制备
于一2000ml的带有搅拌器、热电偶、气扫管、冷凝器和加液漏斗的四颈烧瓶中加入200克(0.05当量)大约8000Mn的聚乙二醇(Aldrich化学公司)，7.8克(0.05当量)的2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氧基自由基(Aldrich化学公司，TEMPO，自由基)和400克二氯乙烷。加热回流混合物，然后通过气扫管将空气引入混合物。然后经17分钟的时间加入浓硝酸(7.8克)并将混合物回流8.5小时。然后往混合物中加入220克2-丙醇并将混合物快速搅拌。用旋转蒸发器除去挥发性物质。冷却使残余物固化。研磨成粉并在40℃的真空烘箱中干燥至197.8克的恒重。NMR分析表明羟基完全转化成羧基官能团。固体的酸当量为4220。实例3用EPON树脂826制备环氧官能化聚醚
将实例1中制备的二酸与10.0环氧当量的EPON树脂826缩聚，直到所有酸官能团消耗且混合物的WPE为430。n＝约75。实例4用EPON树脂828制备环氧官能化聚醚
于一100ml的带有磁力搅拌棒、冷凝器、温度探针和氮气封闭管的三颈烧瓶中加入30克(0.0071当量)的酸官能化聚醚，13.3克EPON树脂828和0.22克溴化四甲基铵。将混合物升温到140℃直到混合物的环氧当量WPE超过677为止。将瓶中物质倾入一铝罐中并冷却以分离出含表面活性剂的组合物。被分离出的材料的WPE为722。n＝180。实例5用EPONEX树脂1510制备环氧官能化聚醚
于一100ml的带有磁力搅拌棒、冷凝器、温度探针和氮气封闭管的三颈烧瓶中加入30克(0.0071当量)的酸官能化聚醚，15.9克EPONEX树脂1510和0.23克溴化四甲基铵。将混合物升温到140℃直到混合物的环氧当量WPE超过722为止。混合物在140℃加热20分钟后，混合物的WPE为732。将瓶中物质倾入一铝罐中并冷却以分离出含表面活性剂的组合物。n＝约180。

Claims (10)

1.一种组合物，它包含由具有以下结构式的羧酸(a)和官能度为每分子至少1.5个环氧基的环氧树脂(b)按羧酸与环氧树脂摩尔比为1∶2～1∶20的比例反应所制备的产物，H-Q-H
Figure A9519697000021
其中Q是A或B，X和Y各自是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或如果Y是甲基或乙基则X是氢，以及m+n+o是1～450中的正实数。
2.按照权利要求1中所述的组合物，其中n+m+o是6～200中的正实数。
3.按照权利要求1中所述的组合物，其中环氧树脂具有以下的结构式：其中R1是二价的脂肪族基、二价的环脂族基或二价的芳脂族基。
4.按照权利要求1中所述的组合物，其中环氧树脂是二元酚的二缩水甘油基醚或氢化二元酚的二缩水甘油基醚。
5.具有以下结构式的环氧官能化聚醚： 其中Q是A或B，R1单独是二价的烃基，X和Y各自是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或如果Y是甲基或乙基则X是氢，以及m+n+o是1～450中的正实数。R2是二价的任意性地含醚基或酯基的脂肪族基，或与R3或R4一起形成一个任意性含杂原子的螺环，及R3和R4各自是氢，或R3或R4与R2一起形成一个任意性含杂原子如氧的螺环。
6.按照权利要求5中所述的化合物，其中n+m+o是6～200中的整数。
7.含有权利要求5或6中所述的化合物的组合物。
8.一种环氧官能化聚醚的制备方法，包括让具有以下结构式的羧酸(a)和官能度为每分子至少1.5个环氧基的环氧树脂(b)按羧酸与环氧树脂摩尔比为1∶2～1∶20在使酸基和环氧基有效反应的条件下反应，H-Q-H
Figure A9519697000041
其中Q是A或B，X和Y各自是氢、甲基或乙基，前提条件是，如果X是甲基或乙基则Y是氢，或如果Y是甲基或乙基则X是氢，以及m+n+o是1～450中的正实数。
9.按照权利要求8中所述的方法，其中羧酸和环氧树脂是在25℃～150℃的温度范围内在一种碱或一种金属螯合物存在下反应。
10.按照权利要求9中所述的方法，其中羧酸和环氧树脂是在选自铵化合物、鏻化合物、叔胺和膦的催化剂存在下进行反应。
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