CN1252126C - 制备硅氧烷共聚碳酸酯类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制备硅氧烷共聚碳酸酯的熔融聚合方法,其包括使至少一种芳族二羟基化合物、碳酸二酯、羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷和催化剂在盐的存在下反应,其中所述的盐在水溶液中在约0.1摩尔时具有约0至约7的pH。
Description
发明背景
本发明涉及一种制备硅氧烷共聚碳酸酯类化合物的方法。更加具体地,本发明涉及制备硅氧烷共聚碳酸酯的熔融缩聚法。
硅氧烷共聚碳酸酯类化合物及其制备方法业已经历了多年的深入研究。硅氧烷共聚碳酸酯类化合物是公认的热塑性树脂,其在注模应用中具有良好的流动和脱模特性。制备硅氧烷共聚碳酸酯的常用合成方法是界面光气化方法。
界面光气化方法,如Phelps等在美国专利号5,530,082中所述,包括芳族二羟基化合物、光气和催化剂与以羟基芳基为封端的二有机聚硅氧烷的赋予。这种方法成功地使硅氧烷单体结合成为共聚碳酸酯类化合物。不幸的是,界面光气化反应使用化学上危险的光气和对环境有害的氯化溶剂。
熔融缩聚反应是一种制备聚合物如共聚碳酸酯的公知方法。这种方法至今不曾应用来制备硅氧烷共聚碳酸酯。在典型的熔融法中,经过硅氧烷链分裂、随后提供硅氧烷解聚导致硅氧烷链的严重分解,生产环状硅氧烷,例如二甲基硅氧烷环状四聚体(D4)。硅氧烷链的降解抑制硅氧烷共聚碳酸酯类化合物的生成,并且因此,这种方法无法用来制备硅氧烷共聚碳酸酯。
由于对界面法的环保关注以及熔融缩聚法的硅氧烷链降解作用,人们一直在寻找合成硅氧烷共聚碳酸酯的新方法。
发明简述
本发明提供了一种制备硅氧烷共聚碳酸酯的熔融聚合法,该方法包括使芳族二羟基化合物、碳酸二酯、羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷和催化剂与盐的反应。所述的盐在水溶液中在约0.1摩尔时具有约0-约7的pH。
发明详述
目前发现熔融缩聚法可以通过使用酸性或中性盐来制备硅氧烷共聚碳酸酯类化合物。在没有酸性或中性盐存在下,羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷的硅氧烷链一般会分解。此外,羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷的硅氧烷链解聚生成环状聚硅氧烷。盐的加入有效地维持了硅氧烷链的完整并成功制备硅氧烷聚碳酸酯类化合物。
本发明常用的盐包括,但不限于,卤代酸的盐和非挥发性盐的盐。卤代酸的盐是盐酸、氢溴酸或氢碘酸的碱金属或碱土金属盐。非挥发性酸的盐是亚磷酸、磷酸、硫酸的碱金属或碱土金属盐,硫酸类如亚硫酸的低级氧代酸盐。非挥发性酸的盐包括磷酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐和螯合类羧酸如EDTA的盐。使用的典型盐是磷酸盐、铯盐、钠盐、卤化物盐及它们的组合物。所述的盐在水溶液中在约0.1摩尔时具有约0-约7的pH。更加可取地,所述的盐在水溶液中在约0.1摩尔时具有约5-约6的pH。
熔融缩聚法中使用的典型催化剂包括,但不限于,碱金属化合物、碱土金属化合物、季铵化合物和它们的组合物。
适于作为催化剂的碱金属化合物包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、乙酸钠、乙酸钾、乙酸锂、硬脂酸钠、硬脂酸钾、硬脂酸锂、硼氢化钠、硼氢化锂、硼酚酸钠、苯甲酸钠、苯甲酸钾、苯甲酸锂、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二锂、双酚A的二钠、二钾和二锂盐以及苯酚的钠、钾和锂。
适于作为催化剂的碱土金属化合物包括氢氧化钙、氢氧化钡、氢氧化镁、氢氧化锶、碳酸氢钙、碳酸氢钡、碳酸氢镁、碳酸氢锶、碳酸钙、碳酸钡、碳酸镁、碳酸锶、乙酸钙、乙酸钡、乙酸镁、乙酸锶、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸镁和硬脂酸锶。
适宜作为催化剂的季铵化合物包括四烷基铵类化合物,例如四甲基氢氧化铵和四乙基氢氧化铵。
优选的催化剂包括四甲基氢氧化铵、氢氧化钠及其混合物。
所述的盐通常是在该熔融缩聚法的开始阶段加入。更加典型地,所述的盐是在反应物的温度达到约100℃之前加入,因为当高于此温度时硅氧烷链会降解。所述的盐可以以任何常规形式加入,例如溶液的形式或固体的形式。
碳酸二酯类化合物是通式R2(CO3)的化合物,其中R是烷基或芳基。碳酸二酯类化合物的典型实例包括,但不限于,碳酸二苯基酯、碳酸二甲苯基酯、碳酸二(氯苯基)酯、碳酸mcresyl酯、碳酸二萘基酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丁酯、碳酸二环己酯及它们的组合物。最常用的碳酸二酯是碳酸二苯基酯。
可以在本发明使用的一些羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷是属于下式I的苯酚-硅氧烷,
其中R选自氢,和其中各个R是独立的相同或不同选自下列的基团:卤素、C(1-8)烷氧基、C(1-8)烷基和C(6-16)芳基,R1是C(2-8)二价脂族基团,R2独立地选自相同或不同的C(1-13)一价有机基团,和n是约1-约100范围内的整数包括1和100,并且平均值在约10-约100范围内且包括10和100。优选n是约5-约75,并且更典型,n是约10-约60。
羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷可以通过在式II的硅氧烷氢化物与脂族不饱和一元酚之间进行铂催化加成反应来制成:
其中R2和n定义如上。类似的方法示例公开在美国专利号5,357,022和美国专利号5,530,083。
式I中R内的一些基团是卤素基团,例如溴和氯;烷基,例如甲基、乙基和丙基;烷氧基,例如甲氧基、乙氧基和丙氧基;芳基,例如苯基、氯苯基和甲苯基。R1中的基团是,例如,二亚甲基、三亚甲基和四亚甲基。R2中的基团是,例如,C(1-8)烷基;卤代烷基,例如三氟丙基和羟基烷基;和芳基,例如苯基、氯苯基和甲苯基。R2优选甲基,或甲基和三氟丙基的混合物,或甲基和苯基的混合物。
一些可以制备羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷的脂族不饱和一元酚类是,例如,丁子香酚、2-烯丙基苯酚、4-烯丙基-2-甲基苯酚、4-烯丙基-2-苯基苯酚、4-烯丙基-2-溴苯酚、4-烯丙基-2-叔丁氧基苯酚、2-甲基-4-炔丙基苯酚、2-烯丙基-4-溴-6-甲基苯酚、2-烯丙基-6-甲氧基-4-甲基苯酚、2-烯丙基-4-二甲基苯酚、4-乙烯基苯酚,和对异丙苯基苯酚。
制备硅氧烷共聚碳酸酯的适当芳族二羟基化合物包括式III表示的那些:
(III) HO---D---OH
其中D是二价芳族基团。优选地,D具有式IV的结构:
其中A1表示芳族基团,例如亚联苯基和亚萘基。E可以是亚烷基或烷叉基,例如亚甲基、1,2-亚乙基、乙叉基、1,2-亚丙基、丙叉基、异丙叉基、1,4-亚丁基、丁叉基、异丁叉基、1,5-亚戊基、戊叉基和异戊叉基。当E是亚烷基或烷叉基时,还可以由两个或多个亚烷基或烷叉基通过不是亚烷基或烷叉基的部分如芳香键连接组成;叔氨基键;醚键;羰基键;含硅键,例如硅烷或硅氧烷;含硫键,例如硫化物、亚砜或砜;或含磷键,例如氧膦基或膦酰基。此外,E可以是脂环族基团,例如环戊叉基、环己叉基、3,3,5-三甲基环己叉基、甲基环己叉基、2-[2.2.1]-二环庚叉基、新戊叉基、环十五烷叉基、环十二烷叉基,和金刚烷叉基。R5表示氢或一价烃基,例如烷基、芳基、芳烷基、烷芳基、环烷基或二环烷基。术语“烷基”是指正烷基和支链烷基。正烷基和支链烷基优选那些含有约2-约20个碳原子的基团,并且包括非限定实例:乙基、丙基、异丙基、丁基、叔丁基、戊基、辛戊基、己基、辛基、癸基、十二烷基。芳基包括实例例如苯基和甲苯基。环状-或双环烷基优选那些含有约3-约12个环碳原子且总碳原子数量小于或等于约50的基团。此类环烷基的一些非限定实例包括环丁基、环戊基、环己基、甲基环己基和环庚基。优选的芳烷基是那些含有约7-约14个碳原子的基团;这些包括,但不限于,苄基、苯丁基、苯丙基和苯乙基。
Y1可以是卤素,例如氟、溴、氯和碘;叔氮基,例如二甲基氨基;有机基团如上述R5,或者烷氧基如OR,其中R是烷基或芳基;Y1一定要对制备聚酯碳酸酯所用的反应物和反应条件呈惰性并不是它们的影响。字母“m”表示介于并包括0至A1上可被取代位置的数目间的整数;“p”表示表示介于并包括0至E上可被取代位置的数目间的整数;“t”表示等于至少1的至少;“s”是0或1;和“u”表示包括0的整数。
在芳族二羟基酚化合物中,其中D如上式III所示,当存在一个以上Y1取代基时,Y1可以相同或不同。例如,Y1取代基可以是不同卤素的联合形式。如果存在一个以上的R5取代基时R5取代基也可以相同或不同。其中“s”在式IV中是0且“u”不是零,芳香环直接相连。芳香核A1上羟基的位置和Y1可以在邻、间或对位变化并且各组基团可以是连位、不对称或对称关系,其中烃基的两个或多个环碳原子被Y1和羟基取代。
式III的芳族二羟基化合物的一些非限定实例包括美国专利4,217,438中公开的多个种类的二羟基取代的芳族烃类化合物。一些优选的芳族二羟基酚类化合物的实例包括4,4’-(3,3,5-三甲基环己叉基)二苯酚;2,2-二(4-羟基苯基)丙烷(常称作双酚A);2,2-二(4-羟基-3,5-二甲基苯基)丙烷;2,4’-二羟基二苯基甲烷;二(2-羟基苯基)甲烷;二(4-羟基苯基)甲烷;二(4-羟基-5-硝基苯基)甲烷;二(4-羟基-2,6-二甲基-3-甲氧基苯基)甲烷;1,1-二(4-羟基苯基)乙烷;1,1-二(4-羟基-2-氯苯基)乙烷;2,2-二(3-苯基-4-羟基苯基)丙烷;二(4-羟基苯基)环己基甲烷;2,2-二(4-羟基苯基)-1-苯基丙烷;2,2,2’,2’-四氢-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺二[1H-茚]-6,6’-二醇(SBI);间苯二酚;和C1-3烷基取代的间苯二酚。
最典型地,2,2-二(4-羟基苯基)丙烷是优选使用的芳族二羟基化合物。还可以使用芳族二羟基化合物的联合形式。
为了生成硅氧烷共聚碳酸酯,每1摩尔的芳族二羟基化合物需要1个摩尔的碳酸二酯。催化剂相对于芳族二羟基化合物的摩尔计是以约10-8至约10-3的范围存在。在另一实施方式中,催化剂相对于芳族二羟基化合物的摩尔计是以约10-7至约10-5的范围存在。羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷是以硅氧烷共聚碳酸酯的约0.1%(重量)至约40%(重量)的量存在。
熔融缩聚法的反应物是在约180℃至约330℃的温度内加热,优选在约200℃至约300℃的温度内。通常将反应容器中的氧清除掉并填充惰性气体如氮气。反应容器的压力一般是约0.5至约200托(torr)反应可以以间歇、连续或半连续方式进行。温度与压力的比例在反应过程中从低温和高压变化为高温和低压。该反应过程的总的时间是在约2至约7小时内。
酸性或中性盐的加入允许经过熔融缩聚法顺利制备硅氧烷共聚碳酸酯类化合物。盐的加入有效防止了硅氧烷部分的降解;由于所述盐的高活性,催化剂的用量可以明显降低100个因数同时不损失硅氧烷共聚碳酸酯的分子量。高分子量聚合物具有优选高于约20,000的分子量。
为了使所属领域技术人员能够更好地实施本发明,举例说明下面的实施例但实施例不起限定作用。
实施例1
向1英寸内径的平底玻璃反应器加入2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(8.063g)、碳酸二苯基酯(8.054g)和丁香酚封端的硅氧烷流体(1.001g具有11的重复长度使n在式I内等于10)。用吸量管加入四甲基氢氧化铵(39.0μl的2.2mM溶液)和硫酸铯(17.5μl的1mM溶液)。反应器固定有玻璃搅拌器和高真空轴承、Dean-Stark接收器和加热至45℃的冷凝器,其带有一个气体入口接管。将该烧瓶抽真空达到低于1torr并再填充干燥氮气。将抽空和再填充烧瓶的过程重复3次。随后在盐浴中在180℃下加热该烧瓶。令原料熔融10分钟,随后将浴温度设定值升高至210℃并在40rpm下搅拌原料。搅拌26分钟后,浴温达到210℃且压力降低至120torr。在随后的90分钟内,蒸馏出4.2ml的苯酚且压力逐渐降低至95torr。浴温在随后20分钟内升高至270℃,由此压力降低至40torr。使盐浴升高至300℃且压力降低至1torr以下。该条件维持65分钟,在该条件下压力升高至大气压且从反应器取出物质。
通过差示扫描量热法(DSC)测定所得的硅氧烷共聚碳酸酯具有128℃的Tg,通过凝胶渗透色谱法(GPC)相对于聚苯乙烯标准测定其分子量为151,000,并且通过质子核磁光谱测定硅氧烷降解小于1%。
实施例2
向1英寸内径的平底玻璃反应器加入2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(5.025g)、碳酸二苯基酯(5.158g)和丁香酚封端的硅氧烷流体(1.374g具有11的重复长度使n在式I内等于10)。用吸量管加入四甲基氢氧化铵(25.78μl的2.2mM溶液)和硫酸铯(11.58μl的1mM溶液)。反应器固定有玻璃搅拌器和高真空轴承、Dean-Stark接收器和加热至45℃的冷凝器,其带有一个气体入口接管。将该烧瓶抽真空达到低于1torr并再填充干燥氮气。将抽空和再填充烧瓶的过程重复3次,随后在180℃的盐浴中加热该烧瓶。令原料熔融15分钟,随后将浴温度设定值升高至210℃并在40rpm下搅拌原料。反应25分钟后,压力降低至260torr。30分钟后,浴温达到214℃而浴温度设定值升高至260℃且压力降低至210torr。在随后的15分钟内,蒸馏出3.2ml的苯酚。压力逐渐降低至1torr以下。浴温在随后20分钟内升高至300℃。该条件维持60分钟,在这种条件下压力升高至大气压且从反应器取出物质。
通过差示扫描量热法(DSC)测定所得的硅氧烷共聚碳酸酯具有118℃的Tg,通过凝胶渗透色谱法(GPC)相对于聚苯乙烯标准测定其分子量为51,500,并且通过质子核磁共振光谱测定硅氧烷除了高分子量聚合物以外具有很少或没有硅氧烷部分的降解。
实施例3-7
通过实施例1的方法制备硅氧烷共聚碳酸酯,其是10%(重量)的硅氧烷共聚物。利用质子核磁共振光谱分析降解作用。所用催化剂是四甲基氢氧化铵(TMAH)和氢氧化钠(NaOH)。所用的盐是硫酸铯(Cs2SO4)。除了催化剂以外催化剂和盐的用量可以改变以决定对所制备硅氧烷共聚碳酸酯的作用,也就是分子量和硅氧烷降解百分比。所制备的硅氧烷共聚碳酸酯的结果参见表1。
表1
具有10%(重量)硅氧烷的硅氧烷共聚碳酸酯共聚物
TMAH(μL) | NaOH(μL) | Cs2SO4(μL) | 反应时间(分钟) | 分子量 | 硅氧烷降解% |
0.039 | 0 | 17.5 | 245 | 151000 | 0 |
39 | 17.5 | 0 | 165 | 117000 | 37.2 |
0.039 | 17.5 | 0 | 185 | 46400 | 2.5 |
39 | 0 | 17.5 | 180 | 81900 | 8.13 |
如表1所示结果,用硫酸铯代替氢氧化钠可以减少降解的量。此外,通过使四甲基氢氧化铵减少100因数且使用硫酸铯,可以制备硅氧烷共聚碳酸酯同时没有任何可检测到的降解作用。
虽然出于举例说明的目的给出了典型实施例,但上述说明不应该被认为是对本发明范围的限定。所以,在不脱离本发明的实质和范围下所属领域技术人员可以进行多种改进、适应和替换。
Claims (10)
1.一种用于制备硅氧烷共聚碳酸酯的熔融聚合方法,其包括使至少一种芳族二羟基化合物、碳酸二酯、羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷和催化剂在盐的存在下反应,其中所述的盐在水溶液中在0.1摩尔时具有0至7的pH,其中所述的盐包括卤代酸的盐,非挥发性酸的盐,和它们的组合物,以及所述的催化剂是季铵化合物、碱金属化合物、碱土金属化合物或它们的组合物。
2.按照权利要求1的方法,其中该反应是在180℃至330℃的温度范围和0.5托至200托的压力下进行。
3.按照权利要求1的方法,其中该反应是以间歇方式操作。
4.按照权利要求1的方法,其中该反应是以连续方式操作。
5.按照权利要求1的方法,其中芳族二羟基化合物是以与碳酸二酯比为1∶1的比例存在。
6.按照权利要求1的方法,其中所述的羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷是以硅氧烷共聚碳酸酯的0.1重量%至40重量%的量存在。
7.按照权利要求1的方法,其中所述的催化剂是以与芳族二羟基化合物的摩尔数比为10-8摩尔-10-3摩尔的比例存在。
8.按照权利要求1的方法,其中所述的盐包括磷酸盐、亚磷酸盐、铯盐、钠盐、卤化物盐及它们的组合物。
9.按照权利要求1的方法,其中所述的催化剂包括四烷基氢氧化铵、四烷基氢氧化鏻、氢氧化钠及它们的组合物。
10.按照权利要求1的方法,其中所述的芳族二羟基化合物为2,2-二(4-羟基苯基)丙烷,所述碳酸二酯为碳酸二苯酯,所述羟基芳基封端的聚二有机硅氧烷为丁香酚封端的聚二有机硅氧烷,所述催化剂为四甲基氢氧化铵和所述盐为硫酸铯。
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