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POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法.pdf

  • 上传人:万林****人
  • 文档编号:9041636
  • 上传时间:2021-02-01
  • 格式:PDF
  • 页数:9
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201610916996.X

    申请日:

    20161021

    公开号:

    CN106565942A

    公开日:

    20170419

    当前法律状态:

    有效性:

    审查中

    法律详情:

    IPC分类号:

    C08G63/695,C08G77/38,C08G77/04

    主分类号:

    C08G63/695,C08G77/38,C08G77/04

    申请人:

    上海航天设备制造总厂

    发明人:

    张崇印,龚菊贤,何腾锋,连爱珍,堵同亮,于文凯,徐世俊,郝冬冬,韩亚刚,玉钰奉

    地址:

    200245 上海市闵行区华宁路100号

    优先权:

    CN201610916996A

    专利代理机构:

    上海航天局专利中心

    代理人:

    金家山

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    内容摘要

    一种笼状倍半硅氧烷(POSS)改性聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的制备方法,是用三羟基七聚笼状硅氧烷、三乙胺、四氢呋喃、SiCl4、二甲基一氯硅烷、四氢邻苯二甲酸酐、LiAlH4和酒石酸钾钠制得POSS二元醇;将POSS二元醇与丁二酸、丁二醇经过酯化‑缩聚,得到POSS改性PBS聚酯。本发明中制备了POSS二元醇,具有羟基反应活性,能有效克服常见无机物改性中存在的相容性问题。该改性材料具有比原PBS更好的力学性能,如拉伸强度、冲击强度、弯曲强度高;且具有表面能低、耐热性好、耐磨性优异等特点。

    权利要求书

    1.一种POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,包括:制备POSS二元醇;制备POSS二元醇改性聚丁二酸丁二醇酯。 2.依据权利要求1所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,制备POSS二元醇包括:依次制备氯化POSS,化学式为RSiOCl;羟基化POSS化学式为RSiO(OH);烷基化POSS,化学式为RSiOSi(CH)H;酸酐化POSS,化学式为RSiOSi(CH)THPA;POSS二元醇,其中R为i-CH、CH或CH中的一种。 3.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,氯化POSS的制备过程包括:常温下将三羟基七聚笼形硅氧烷RSiO(OH)与SiCl在四氢呋喃的溶液中反应12h以上,然后过滤干燥。 4.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,羟基化POSS的制备过程包括,将氯化POSS在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,然后旋蒸干燥。 5.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,烷基化POSS的制备过程包括,在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷在60~70℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,再旋蒸干燥后。 6.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,酸酐化POSS的制备过程包括,将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,60~70℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、再干燥。 7.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,POSS二元醇的制备过程包括,将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中,在-5~5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流10-20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,再蒸去溶剂。 8.依据权利要求2所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,制备POSS二元醇改性聚丁二酸丁二醇酯包括:用POSS二元醇作为改性PBS的合成单体,与丁二酸、丁二醇经过酯化、缩聚反应制备,其中,所述的酯化反应温度为160℃,反应时间4h,缩聚反应温度为220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束。 9.依据权利要求3~7中任意一项所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,所述的氯化POSS的制备过程中RSiO(OH)与SiCl的摩尔比为1:(1~1.3),三羟基七聚笼形硅氧烷三羟基七异丁基七聚笼形硅氧烷或三羟基七甲基七聚笼形硅氧烷或三羟基七苯基七聚笼形硅氧烷;所述的烷基化POSS的制备过程中RSiO(OH)与二甲基一氯硅烷的摩尔比为1:(1~1.2);所述的酸酐化POSS的制备过程中R7Si8O12Si(CH3)2H与四氢邻苯二甲酸酐的摩尔比为1:(1~1.05);所述的POSS二元醇的制备过程中R7Si8O12Si(CH3)2THPA与LiAlH4的摩尔比为1:(3~3.5)。 10.依据权利要求9所述的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,其特征在于,所述的酯化过程中丁二醇与丁二酸的摩尔比为1:(1.1~1.2),在缩聚过程中,POSS二元醇与PBS预聚体的重量比为(5~8):100。

    说明书

    技术领域

    本发明涉及一种生物可降解改性聚酯的制备方法,特别涉及POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法。

    背景技术

    聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是以丁二酸和丁二醇为基本合成原料,主链上含有大量酯基的线性高聚物。PBS的原料可以完全从自然界获取,且其制品在自然界中受到水分、霉菌的作用能够完全降解,具有优异的生物可降解性能。在可降解聚酯家族中,PBS具有较好的力学性能和结晶性能,能够在生活中诸多领域代替聚丙烯、聚乙烯等传统塑料。目前PBS已经广泛用于薄膜、纤维、板材、涂层等领域。但是与传统塑料相比,PBS的熔点仅为115℃,耐热性能差,且耐拉伸、耐冲击等性能在高性能领域中有待提高。

    采用玻纤、碳酸钙、二氧化硅、纤维素等纳米粒子改性PBS,能够改善材料的力学性能。但由于纳米粒子与PBS往往存在表面极性的差异,在改性过程中,由于基体与填料之间相容性不足而导致填料团聚严重的问题。采用有机硅改性又会破坏PBS分子的结晶性,影响其原有的力学性能。

    多面低聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligameric Silsesquioxane,简称POSS)具有纳米结构无机框架核心,外围由有机基团所包围。POSS分子本身就是一个分子水平上的有机/无机分子内杂化体系,不仅综合了有机物的柔性和无机物的刚性,而且由于表面带有的反应性基团而具备改性剂的独特性质。为了改善PBS聚酯的力学和热性能,扩大应用范围,可以用POSS对其进行原位改性。

    发明内容

    本发明解决的问题是PBS聚酯力学性能,耐热性以及耐水、耐污性能差的问题;为解决所述问题,本发明提供POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法。

    本发明提供的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法包括:制备POSS二元醇;制备POSS二元醇改性聚丁二酸丁二醇酯。

    进一步,制备POSS二元醇包括:依次制备氯化POSS,化学式为R7Si8O12Cl;羟基化POSS化学式为R7Si8O12(OH)3;烷基化POSS,化学式为R7Si8O12Si(CH3)2H;酸酐化POSS,化学式为R7Si8O12Si(CH3)2THPA;POSS二元醇,其中R为i-C4H9、CH3或C6H5中的一种。

    进一步,氯化POSS的制备过程包括:常温下将三羟基七聚笼形硅氧烷R7Si8O9(OH)3与SiCl4在四氢呋喃的溶液中反应12h以上,然后过滤干燥。

    进一步,羟基化POSS的制备过程包括,将氯化POSS在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,然后旋蒸干燥。

    进一步,烷基化POSS的制备过程包括,在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷在60~70℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,再旋蒸干燥后。

    进一步,酸酐化POSS的制备过程包括,将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,60~70℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、再干燥。

    进一步,POSS二元醇的制备过程包括,将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中,在-5~5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流10-20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,再蒸去溶剂。

    进一步,制备POSS二元醇改性聚丁二酸丁二醇酯包括:用POSS二元醇作为改性PBS的合成单体,与丁二酸、丁二醇经过酯化、缩聚反应制备,其中,所述的酯化反应温度为160℃,反应时间4h,缩聚反应温度为220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束。

    进一步,所述的氯化POSS的制备过程中R7Si8O9(OH)3与SiCl4的摩尔比为1:(1~1.3),三羟基七聚笼形硅氧烷三羟基七异丁基七聚笼形硅氧烷或三羟基七甲基七聚笼形硅氧烷或三羟基七苯基七聚笼形硅氧烷;所述的烷基化POSS的制备过程中R7Si8O12(OH)与二甲基一氯硅烷的摩尔比为1:(1~1.2);所述的酸酐化POSS的制备过程中R7Si8O12Si(CH3)2H与四氢邻苯二甲酸酐的摩尔比为1:(1~1.05);所述的POSS二元醇的制备过程中R7Si8O12Si(CH3)2THPA与LiAlH4的摩尔比为1:(3~3.5)。

    进一步,所述的酯化过程中丁二醇与丁二酸的摩尔比为1:(1.1~1.2),在缩聚过程中,POSS二元醇与PBS预聚体的重量比为(5~8):100。

    本发明的有益效果:

    本发明所述的方法应用POSS二元醇,通过原位聚合与丁二酸、丁二醇反应制备了新型的POSS改性PBS聚酯。POSS二元醇具有羟基反应活性,能有效克服常见无机物改性中存在的相容性问题。而POSS改性PBS材料具有比原PBS更好的力学性能,如拉伸强度、冲击强度、弯曲强度高;且具有表面能低、耐热性好、耐磨性优异等特点。

    具体实施方式

    下文中,结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

    本发明实施例提供的POSS改性聚丁二酸丁二醇酯的制备方法包括:

    步骤一、常温下将三羟基七聚笼形硅氧烷R7Si8O9(OH)3与SiCl4在四氢呋喃的溶液中反应12h以上,然后过滤干燥制得氯化POSS(R7Si8O12Cl)(其中R为i-C4H9、CH3、C6H5中的一种),反应过程中R7Si8O9(OH)3与SiCl4的摩尔比设置为1:(1~1.3);其中三羟基七聚笼形硅氧烷R7Si8O9(OH)3的分子结构为:

    氯化POSS(R7Si8O12Cl)的分子结构为:

    步骤二、将氯化POSS粉末在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,旋蒸后干燥后制得羟基化POSS(R7Si8O12(OH));分子结构为:

    步骤三、在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷在60~70℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,旋蒸干燥后制得烷基化POSS(R7Si8O12Si(CH3)2H),反应过程中R7Si8O12(OH)与二甲基一氯硅烷的摩尔比设置为1:(1~1.2);烷基化POSS(R7Si8O12Si(CH3)2H)的分子式为:

    步骤四、将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,60~70℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、干燥制得酸酐化POSS(R7Si8O12Si(CH3)2THPA),反应过程中R7Si8O12Si(CH3)2H与THPA的摩尔比设置为1:(1~1.05);酸酐化POSS(R7Si8O12Si(CH3)2THPA)的分子结构式为:

    步骤五、将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中,在-5~5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流10-20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,蒸去溶剂制得POSS二元醇,反应过程中R7Si8O12Si(CH3)2THPA与LiAlH4的摩尔比为1:(3~3.5)。POSS二元醇的分子结构式为:

    步骤六、将丁二酸、丁二醇通过本体聚合的反应方式,于160℃氮气保护条件下进行酯化反应;反应4h后加入POSS二元醇及催化剂钛酸四丁酯,降低反应压力至150Pa,温度升至220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束反应,生成聚丁二酸丁二醇酯PBS;酯化反应中丁二醇与丁二酸的摩尔比为1:(1.1~1.2),在缩聚过程中,POSS二元醇与PBS预聚体的重量比为(5~8):100,催化剂含量为总质量的0.6%。聚丁二酸丁二醇酯PBS的分子结构式为:

    实施例1

    常温下将三羟基七异丁基聚笼形硅氧烷(i-C4H9)7Si8O9(OH)3与SiCl4以1:1的比例在四氢呋喃溶液中反应12h以上,过滤干燥制得氯化POSS((i-C4H9)7Si8O12Cl);将氯化POSS粉末在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,旋蒸后干燥后制得羟基化POSS((i-C4H9)7Si8O12(OH));在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷以1:1的比例在60℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,旋蒸干燥后制得烷基化POSS((i-C4H9)7Si8O12Si(CH3)2H);将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA(摩尔比为1:1)的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,60℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、干燥制得酸酐化POSS((i-C4H9)7Si8O12Si(CH3)2THPA);将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中(酸酐化POSS与LiAlH4的摩尔比为1:3),在0℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流15h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,蒸去溶剂制得POSS二元醇;最后,将丁二酸、丁二醇(摩尔比为1:1.1)通过本体聚合的反应方式,于160℃氮气保护条件下进行酯化反应;反应4h后加入POSS二元醇(与PBS预聚体的重量比为5:100)及催化剂钛酸四丁酯(总质量的0.6%),降低反应压力至150Pa,温度升至220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束反应。

    本实施例制备的POSS改性PBS最终产率达96%,产物常温下20mm/min时拉伸强度为28MPa,氮气条件下初始降解温度为290℃。

    实施例2

    常温下将三羟基七甲基聚笼形硅氧烷(CH3)7Si8O9(OH)3与SiCl4以1:1.3的比例在四氢呋喃溶液中反应12h以上,过滤干燥制得氯化POSS((CH3)7Si8O12Cl);将氯化POSS粉末在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,旋蒸后干燥后制得羟基化POSS((CH3)7Si8O12(OH));在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷以1:1.2的比例在70℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,旋蒸干燥后制得烷基化POSS((CH3)7Si8O12Si(CH3)2H);将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA(摩尔比为1:1.05)的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,70℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、干燥制得酸酐化POSS((CH3)7Si8O12Si(CH3)2THPA);将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中(酸酐化POSS与LiAlH4的摩尔比为1:3),在-5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,蒸去溶剂制得POSS二元醇;最后,将丁二酸、丁二醇(摩尔比为1:1.2)通过本体聚合的反应方式,于160℃氮气保护条件下进行酯化反应;反应4h后加入POSS二元醇(与PBS预聚体的重量比为8:100)及催化剂钛酸四丁酯(总质量的0.6%),降低反应压力至150Pa,温度升至220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束反应。

    本实施例制备的POSS改性PBS最终产率达96.5%,产物常温下20mm/min时拉伸强度为29MPa,氮气条件下初始降解温度为289℃。

    实施例3

    常温下将三羟基七甲基聚笼形硅氧烷(C6H5)7Si8O9(OH)3与SiCl4以1:1.1的比例在四氢呋喃溶液中反应12h以上,过滤干燥制得氯化POSS((C6H5)7Si8O12Cl);将氯化POSS粉末在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,旋蒸后干燥后制得羟基化POSS((C6H5)7Si8O12(OH));在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷以1:1.1的比例在65℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,旋蒸干燥后制得烷基化POSS((C6H5)7Si8O12Si(CH3)2H);将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA(摩尔比为1:1.02)的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,65℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、干燥制得酸酐化POSS((C6H5)7Si8O12Si(CH3)2THPA);将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中(酸酐化POSS与LiAlH4的摩尔比为1:3.5),在5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,蒸去溶剂制得POSS二元醇;最后,将丁二酸、丁二醇(摩尔比为1:1.1)通过本体聚合的反应方式,于160℃氮气保护条件下进行酯化反应;反应4h后加入POSS二元醇(与PBS预聚体的重量比为6:100)及催化剂钛酸四丁酯(总质量的0.6%),降低反应压力至150Pa,温度升至220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束反应。

    本实施例制备的POSS改性PBS最终产率达98%,产物常温下20mm/min时拉伸强度为31MPa,氮气条件下初始降解温度为292℃。

    实施例4

    常温下将三羟基七甲基聚笼形硅氧烷(CH3)7Si8O9(OH)3与SiCl4以1:1.2的比例在四氢呋喃溶液中反应12h以上,过滤干燥制得氯化POSS((CH3)7Si8O12Cl);将氯化POSS粉末在四氢呋喃和水混合溶剂中回流100h,旋蒸后干燥后制得羟基化POSS((CH3)7Si8O12(OH));在氮气保护下,将羟基化POSS和二甲基一氯硅烷以1:1.15的比例在70℃下以三乙胺为催化剂反应20h后,用去离子水、5%盐酸溶液和饱和NaCl溶液洗涤,旋蒸干燥后制得烷基化POSS((CH3)7Si8O12Si(CH3)2H);将烷基化POSS和四氢邻苯二甲酸酐THPA(摩尔比为1:1.02)的甲苯溶液混合,以Pt为催化剂,65℃下反应60h,然后旋蒸、回流洗涤、干燥制得酸酐化POSS((CH3)7Si8O12Si(CH3)2THPA);将LiAlH4的四氢呋喃溶液缓慢滴加到酸酐化POSS的四氢呋喃溶液中(酸酐化POSS与LiAlH4的摩尔比为1:3.5),在5℃下搅拌2h后回流15h;向反应体系中加入酒石酸钾钠饱和水溶液直至无气泡逸出,继续回流20h,过滤,用乙醚洗涤沉淀,合并四氢呋喃和乙醚溶液,无水硫酸钠干燥,蒸去溶剂制得POSS二元醇;最后,将丁二酸、丁二醇(摩尔比为1:1.2)通过本体聚合的反应方式,于160℃氮气保护条件下进行酯化反应;反应4h后加入POSS二元醇(与PBS预聚体的重量比为7:100)及催化剂钛酸四丁酯(总质量的0.6%),降低反应压力至150Pa,温度升至220℃,直至出现明显的熔体爬杆效应时结束反应。

    本实施例制备的POSS改性PBS最终产率达97.2%,产物常温下20mm/min时拉伸强度为31.5MPa,氮气条件下初始降解温度为291℃。

    关 键  词:
    POSS 改性 聚丁二酸丁二醇酯 制备 方法
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