TW202037590A - 製備含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料 - Google Patents
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Abstract
一種含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇及其聚胺酯之製備方法,步驟包括:將含五碳環化合物與胺基醇及聚甲醛反應,得到含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇。將該雙醇與二元醇預聚物及二異氰酸酯進一步反應,可得到含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯。本發明可將該聚胺酯交聯,藉此,結合五碳環及氧氮苯并環己烷兩種分子結構的優點,該聚胺酯可應用在阻尼材料的領域。
Description
本發明係關於一種聚胺酯材料之製備方法,特別是關於一種含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料之製備方法。
聚胺酯(PU)高分子具有良好的強韌性和耐油性,透過各種原料組成改變,可製得具有不同性能和用途的聚氨酯產品,包括彈性體、纖維、泡沫塑料、塗料和膠黏劑等。透過透過導入化學交聯官能基,可近一步提升產品性質,增加產品使用用途。其中氧氮苯并環己烷(Benzoxazine,BZ)合成簡易,反應不需添加觸媒,無副產物、性質良好且成本低廉,藉由氧氮苯并環己烷開環,即可提升材料的特性效能。
國內外已有專利揭露BZ混摻至PU高分子中,如CN107083146A及WO2011041625A1所示,將BZ直接混摻PU高分子製作超疏水且耐磨的材料,主要就是利用氧氮苯并環己烷的低介電及低表面能的性質,並結合聚胺酯的優點而得。由於氧氮苯并環己烷在熱處理之後,可以進行交聯,如此
可以在分子鏈中型成一些網狀結構,以提高材料的機械性質及品質安定性。此類材料在熱交聯後沒有其他副產物產生也兼具尺寸安定性,並有高強度的機械性質。
另外,透過組成或交聯程度變化,能夠調整性質使聚氨酯達到阻尼材料應用的目的。中華民國專利公開號I460196的發明,揭露一種形成黏彈性阻尼聚合物之聚胺酯壓克力材料,其包含至少一種聚胺酯壓克力聚合物與至少一熱起始劑,上述至少一種聚胺酯壓克力聚合物包含至少一聚胺酯結構與至少一具雙鍵交聯結構。另外,US20110034578A1,揭露一種微孔狀聚胺酯材料的裝備系統包括發泡體;可溶於CMP漿液中之填料;及固化劑,較佳為包括芳族二胺及三醇者。為要產製微孔狀材料,泡體可以與填料(諸如PVP)結合,接著固化所得之混合物。微孔狀材料具有低的彈回率,且能消散不規則之能量及安定化磨光已產生經改良之均勻性及較少之碟化現象。中華民國專利公開號I540169,揭露一種嵌段共聚物,其包含:至少一種單烯基芳烴單體聚合物嵌段(A)及包含月桂烯之共聚物嵌段(B)所形成的共聚物,該嵌段共聚物可用於製備黏著劑及振動阻尼組合物。
因此,目前業界需要一種聚胺酯阻尼材料之製備方法,其製備出來的聚胺酯可兼具彈性與黏性的性質,以製備出符合業界需求的阻尼聚胺酯材料。
本發明之主要目的在於提供一種製備含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料之方法,可將氧氮苯并環己烷為主鏈的高分子單獨應用或是與其他材料形成複合材料。由於氧氮苯并環己烷的性能與製備程序與酚醛樹脂材料相類似,其成本亦具競爭優勢。
本發明之一種製備含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料之方法,可利用石油烴產生乙烯過程中的副產物五碳稀烴為原料,製作出含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇單體,再將此單體以不同比例導入聚胺酯高分子主鏈中,再藉由交聯反應調整聚胺酯的機械性質。五碳側環在分子鏈上可防止分子間堆疊,增加高分子自由體積,作為降低交聯溫度提升機械性質的方法,以符合實際產品的應用規格。
為了達上述目的,根據本發明所提出的方案,提供含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之製備方法,步驟包括:將如式(a)之含五碳環化合物與胺基醇及聚甲醛反應,得到如式(I)之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇。
上述中,該反應之溶劑係選自於由四氫呋喃、苯乙醚、甲乙酮、丙酮、丁酮、甲苯、甲醇、乙醇、異丙醇及丁二醇所組成之群組之一;該反應之溫度為50℃至80℃。
上述中,該式(a)之含五碳環化合物可採用以下製程製備:將二環戊二烯(Dicyclopentadiene,DCPD)裂解成單五環之環戊二烯(Cyclopentadiene,CPD)二稀前驅物,再透過一系列反應,包括轉位、烷基化與加成反應,利用CPD製備出式(a)之五碳環化合物二醇單體。
本發明進一步提供一種含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,步驟包括:(A)將二元醇預聚物與二異氰酸酯於溫度30℃~130℃進行預聚反應;(B)加入式(I)之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇,於催化劑下持續反應2小時~5小時,生成含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯。
上述中,該含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯可具有如式(II)之結構。
上述中,該含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯的分子量介於45,000(g/mol)至180,000(g/mol)之間。
上述中,步驟(B)之催化劑可為辛酸亞錫(stannous octoate)或二月桂酸二丁基錫(dibutyltin dilaurate)。
上述中,該二元醇預聚物可為聚酯二醇(polyester diol)或聚醚醇。該聚酯二醇(polyester diol)可為聚己內酯二醇(polycaprolactone diol,PCL)或聚丙二醇(polypropylene glycol,PPG);該聚醚醇可為聚四氫呋喃(polytetramethylene ether glycol,PTMEG)。
上述中,該二異氰酸酯係為脂肪族二元異氰酸酯或芳香族二元異氰酸酯。該脂肪族二元異氰酸酯係選自於由六亞甲基二異氰酸酯(hexamethylene diisocyanate,HDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate,IPDI)及4,4’-二環己基甲烷二異氰酸酯(4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate,H12MDI)所組成之群組之一;該芳香族二元異氰酸酯係選自於
由二苯基甲烷二異氰酸酯(methylenediphenyl diisocyanate,MDI)、雙異氰酸甲苯酯(toluene diisocyanate,TDI)及萘二異氰酸酯(naphthalene diisocyanate,NDI)所組成之群組之一。
上述中,步驟(A)或步驟(B)之溶劑係選自於由二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲醯胺(DMF)及N-甲基吡咯烷酮(NMP)所組成之群組之一;步驟(B)之聚合溶劑濃度為10wt%~35wt%。
本發明進一步提供一種交聯型聚胺酯,係將如式(II)之聚胺酯於溫度140℃~300℃進行熱交聯反應,得到如式(III)之交聯型聚胺酯。
上述中,該式(III)之交聯型聚胺酯可作為適用溫度範圍在-20℃至40℃之間的阻尼材料。
本發明是一種製備含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料之方法,可利用石油烴產生乙烯過程中的副產物五碳稀烴作為原料,結合氧氮苯并環己烷,製備聚胺酯主鏈帶有五碳環及氧氮苯并環己烷之高分子結構。本發明所製備之含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯,結合五碳環及氧氮苯并環己烷兩種分子結構的優點,可應用在阻尼材料的領域。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖,皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點,將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S101‧‧‧步驟
S201-S202‧‧‧步驟
第一圖係為本發明一種含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇及其聚胺酯之製備方法流程圖;第二圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之合成示意圖;第三圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之1H-NMR圖譜;第四圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之合成示意圖;第五圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環
己烷之聚胺酯之FT-IR分析圖;第六圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之DSC分析圖;第七圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之拉力分析圖;第八圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯交聯測試之DSC分析圖;第九圖係為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯交聯前後之動態熱機械分析圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式,熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。
請參閱第一圖,為本發明一種含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇及其聚胺酯之製備方法流程圖。如圖所示,本發明之一種含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之製備方法,步驟包括:將如式(a)之含五碳環化合物與胺基醇及聚甲醛反應,得到如式(I)之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇。本發明進一步提供一種含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯之製備方法,步驟包括:(A)將二元醇預聚物與二異氰酸酯於溫度30℃~130℃進行預聚反應;(B)加入式(I)之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇,於催化劑下持續反應2小時~5小時,生成含五碳環氧氮苯并環己烷之
聚胺酯。
本發明進一步提供一種交聯型聚胺酯,係以如式(II)之結構於溫度140℃~300℃進行熱交聯反應,得到如式(III)之交聯型聚胺酯。
實施例:
實施例1:請參閱第二圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之合成示意圖。如圖所示,於此實施例中,取0.3088克胺基醇置入50mL雙頸圓底瓶中,加入2ml的溶劑(如IPA、THF、DMF等),再加入0.16g聚甲醛(聚合度3),以磁石均勻攪拌,通入流通氮氣,在60℃下反應。再加入0.61克之4,4'-(cyclopentane-1,1-diyl)diphenol(CPDP)反應物溶於10ml的溶劑,以進料管緩慢滴入,加熱迴流,反應時間超過10小時。反應完後用將溶劑用濃縮迴旋儀抽乾,把剩餘的粗產物加入15ml氯仿(CHCl3),用稀釋過的氫氧化鈉與純水萃取數次。再加入無水硫酸鎂除水後過濾,再把氯仿(CHCl3)抽乾,所得產物為含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇單體(CPDP-C6BZ)之暗棕色黏稠油狀物。請參閱第三圖之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之1H-NMR圖譜,該雙醇溶在CDCl3溶劑中,以超導核磁共振光譜儀(1H-NMR)分析(δ/ppm,400Hz,CDCl3-d1),所得化學位移為:8.00(m,2H,Ar-H),6.83(d,2H,Ar-H),6.66(d 2H,Ar-H),4.81(s,4H,-N-CH2-O-),3.94(s,4H,-N-CH2-),3.65(t,4H,-CH2-OH),2.73(t,4H,-N-CH2-),2.20(m,4H,-CH2-),1.68(s,4H,-CH2-)
1.57~1.38(m,18H,-(CH2)4-,-OH)。
實施例2:請參閱第四圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之合成示意圖。請參閱表一之添加量,取7.159克聚四氫呋喃雙醇(PTMEG)置入250mL雙頸圓底瓶中,加入2ml的溶劑(如DMAc、NMP、DMF等)當作溶劑,再加入0.77至1.42克的二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI),以磁石均勻攪拌,通入流通氮氣,在60℃下開始進行預聚反應1小時。再把不同比例的CPDP-C6BZ溶於20ml的溶劑,並由進料管緩慢滴入,加熱迴流溫度,穩定之後加入觸媒二月桂酸二丁基錫(DBTL,Dibutyltin dilaurate),反應時間2小時,並將溫度逐漸升至75℃。反應完後用將溶液倒在鐵氟龍(PTFE)盤上後放入烘箱,在60℃下放置超過10小時即得代號為CPBZ-PU25(BZ及MDI屬於硬鏈段,比例為25wt%)、CPBZ-PU35(BZ及MDI屬於硬鏈段,比例為35wt%)、CPBZ-PU45(BZ及MDI屬於硬鏈段,比例為45wt%)薄膜。其餘商用之聚雙醇如聚己內酯二醇(polycaprolactone diol,PCL)及二異氰酸酯如異佛爾酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate,IPDI)及4,4’-二環己基甲烷二異氰酸酯(4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate,H12MDI)、雙異氰酸甲苯酯(toluene diisocvanate,TDI)等單體亦適用於製備此類聚胺酯。
請參閱第五圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之FT-IR分析圖。如圖所示,利用紅外線光譜儀(FT-IR)分析聚胺酯(urethane)及氧氮苯并環己烷(benzoxazine)之官能基團,監控聚合過程。以第五圖(a)的CPBZ-PU45為例,胺酯的N-H不對稱和對稱伸展吸收峰出現在3534cm-1、3315cm-1,-CH2的伸展峰在2934cm-1及2850cm-1,-C=O伸展峰出現在1730cm-1,1220cm-1則有-NH及-CN特徵峰,1102cm-1則為C-O-C伸展峰。重要的氧氮并環己烷(benzoxazine)則在930cm-1附近,證明已成功聚合含氧氮并環己烷的聚胺酯材料。
本發明利用熱差掃描分析儀(DSC)分析此一系列的CPBZ-PU的熱性質,由DSC的數據可以初步了解這一類高分子的相轉移溫度範圍。另一方面,從TGA的數據可觀察高分子鏈在高溫下裂解及重量損失的情形,由於本系列之高分子在氧氮并環己烷的交聯並沒重量損失,所以有重量損失的訊號發生時,皆可以視為斷鍵後所發生的重量損失。如表二所示,
此一系列CPBZ-PU高分子的裂解溫度(Td)大致在233-283℃之間,並隨著CPDP-C6BZ在主鏈的含量減少,呈現增加的趨勢。
請參閱第六圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之DSC分析圖。掃描的速度為10℃/min,經過反覆升降溫的過程,結果可以發現到CPBZ-PU45在28.8℃左右有一個熔點(Tm)。其餘的樣品皆呈現相同的趨勢,此結果顯示這一系列的高分子相轉移的區間在0℃至40℃之間,即軟鏈段及硬鏈段的交互排列在此區間發生。
請參閱第七圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之拉力分析圖。藉由調整軟硬鏈段的比例,可以改變材料的抗拉強度及伸長量。氧氮并環己烷(BZ)及二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)在PU鏈段中屬於硬鏈段,而聚四氫呋喃雙醇(PTMEG)為軟鏈段,本發明測試了硬鏈段比例25wt%、35wt%與45wt%的聚胺酯,樣品名分別為CPBZ-PU25、CPBZ-PU35、CPBZ-PU45。經測試後,以BZ的量為最多CPBZ-PU45抗拉強度及伸長量皆為最佳,其抗拉力更可以達到16.8MPa,且
伸長量超過原來的17倍。伸長量隨著拉力呈正比的現象,是表現出彈性的性質。此結果也呈現隨著BZ的比例增加,則機械性質有提升的趨勢。也證明本研究設計的材料,可符合兼具彈性與黏性的性質是相當有潛力符合阻尼材料的應用需求。
氧氮并環己烷(BZ)交聯溫度可以熱差掃描分析儀(DSC)來進行觀察。首先,將已製備的單體CPDP-C6BZ從常溫加熱至250℃以上的高溫,以10℃/min的掃描速度進行觀察。當溫度到達交聯的溫度時,即可看到放熱的訊號。請參閱第八圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯交聯測試之DSC分析圖。由第八圖可以發現到CPDP-C6BZ的交聯起始溫度為100-250℃,可以了解Cardo結構的CPDP-C6BZ使得分子間堆疊後的自由體積(free volume)可達成較低溫度進行熱交聯反應,而CPBZ-PU交聯降至128℃,顯示導入Cardo結構可有效降低交聯溫度。
阻尼材料的最終使用標準,可以利用動態機械性質分析儀(DMA)的tan δ數據結果進行觀察。依照拉力測試的結果,以CPBZ-PU45的樣品所呈現的機械性質為最佳。因此,DMA分析也選擇此比例的樣品進行測試。請參閱第九圖,為本發明實施例含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯交聯前後之動態熱機械分析圖。如圖所示,CPBZ-PU45在-41℃,1.8℃,50℃有較高的tan δ,在低溫下的tan δ為聚四氫呋喃雙醇(PTMEG)所貢獻。而樣品的tan δ大約在0.16至0.2左右已顯現
出其阻尼性質。
CPBZ-PU經過高溫進行交聯交聯反應後,從第五圖的FT-IR圖譜顯示,三種比例的CPBZ-PUX在930cm-1附近的benzoxazine特徵峰已消失,可判斷本實施例CPDP-C6BZ可作為鏈延長劑,其中的BZ在PU主鏈中已交聯完成。交聯後的DMA動態機械性質分析如第九圖所示,材料在交聯處理之後的CPBZ-PUX45,經過熱交聯之後,tan δ最高值從-18℃平移至17℃左右,顯示BZ交聯後,材料阻尼性質也隨之改變。這也讓此一概念在製程改善性質上,提供一個可變參數。
本發明之製備含五碳環氧氮苯并環己烷聚胺酯阻尼材料,可利用裂解石油烴之副產物雙環戊二烯及氧氮苯并環己烷(Benzoxazine,BZ)當作起始物,製備新的含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇單體,做為聚胺酯的鏈延長劑。將所得的聚胺酯經由交聯反應後,開發高拉伸特性的聚胺酯,改善氧氮苯并環己烷原本硬脆無彈性的限制,結合兩種材料優點,可提供航空複材或運動用品等材料的阻尼性質調整,使其在未來的應用領域更加寬廣。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效,非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下,對上述實施例進行修飾與變化。因此,本發明之權利保護範圍,應如後述之申請專利範圍所列。
S101‧‧‧步驟
S201-S202‧‧‧步驟
Claims (14)
- 如申請專利範圍第1項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇之製備方法,其中,反應之溶劑係選自於由四氫呋喃、苯乙醚、甲乙酮、丙酮、丁酮、甲苯、甲醇、乙醇、異丙醇及丁二醇所組成之群組之一。
- 一種含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,步驟包括:(A)將二元醇預聚物與二異氰酸酯於溫度30℃~130℃進行預聚反應; (B)加入如申請專利範圍第1項所述之式(I)之含五碳環氧氮苯并環己烷雙醇,於催化劑下持續反應2小時~5小時,生成含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,該含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯的分子量介於45,000g/mol至180,000g/mol之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,步驟(B)之催化劑可為辛酸亞錫(stannous octoate)或二月桂酸二丁基錫(dibutyltin dilaurate)。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯,其中,該二元醇預聚物係為聚酯二醇或聚醚醇。
- 如申請專利範圍第7項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,該聚酯二醇係為聚己內酯二醇(polycaprolactone diol,PCL)或聚丙二醇(polypropylene glycol,PPG);該聚醚醇係為聚四氫呋喃(polytetramethylene ether glycol,PTMEG)。
- 如申請專利範圍第3項或第4項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,該二異氰酸酯係為脂肪族二元異氰酸酯或芳香族二元異氰酸酯。
- 如申請專利範圍第9項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,該脂肪族二元異氰酸酯係選自於由六亞甲基二異氰酸酯(hexamethylene diisocyanate,HDI)、異佛爾酮二異氰酸酯(isophorone diisocyanate,IPDI)及4,4’-二環己基甲烷二異氰酸酯(4,4'-methylene dicyclohexyl diisocyanate,H12MDI)所組成之群組之一;該芳香族二元異氰酸酯係選自於由二苯基甲烷二異氰酸酯 (methylenediphenyl diisocyanate,MDI)、雙異氰酸甲苯酯(toluene diisocyanate,TDI)及萘二異氰酸酯(naphthalene diisocyanate,NDI)所組成之群組之一。
- 如申請專利範圍第3項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,步驟(A)或步驟(B)之溶劑係選自於由二甲基乙醛胺(DMAc)、二甲基甲醯胺(DMF)及N-甲基吡咯烷酮(NMP)所組成之群組之一。
- 如申請專利範圍第3項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,步驟(B)之聚合溶劑濃度為10wt%~35wt%。
- 如申請專利範圍第13項所述之含五碳環氧氮苯并環己烷之聚胺酯之製備方法,其中,該式(III)之交聯型聚胺酯可作為適用溫度範圍在-20℃至40℃之間的阻尼材料。
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