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苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的环氧化研究

2024-06-29 来源:爱问旅游网
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研究・开发 弹性体,CH20IN07A—0 E6-2L5A,1S7T((3)M:3E7R~4IC1S 苯乙烯.丁二烯.苯乙烯嵌段共聚物的环氧化研究 李红强 ,曾幸荣¨,吴伟卿 (1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510640;2.广州宏昌胶粘带厂,广东广州510800) 摘要:采用甲酸和过氧化氢(H。Oz)原位生成的过氧甲酸对苯乙烯一丁二烯一苯乙烯(SBS)进行环 氧化改性,制备了环氧化SBS(ESBS)。研究了原料摩尔配比及工艺条件对其环氧基质量分数的影响, 利用GPC、FT—IR、 H—NMR等手段对ESBS的结构进行了表征。结果表明,丁二烯链段上双键的反 应活性大小次序为:顺一1,4一结构>反一1,4一结构>1,2一结构。在SBS的环氧化反应过程中,会伴有 少量环氧基发生开环副反应。当SBS中C—C双键、甲酸和H2 02的物质的量配比为1/o.5/0.6,反应 时间为2 h,反应温度为6O℃时,ESBS的环氧基质量分数最高,达到了18.1 。在体系中加入少量的聚 乙二醇,有利于ESBS环氧基质量分数的提高。 关键词:苯乙烯一丁二烯一苯乙烯;甲酸;过氧化氢;环氧化;结构 中图分类号:TQ 325.1 文献标识码:A 文章编号:1005—3174(2007)03—0037—05 苯乙烯一丁二烯~苯乙烯嵌段共聚物(SBS)具 的结构进行了表征,且对环氧化反应过程中的一些 有拉伸强度高、表面摩擦系数大、耐低温性能好、加 机理进行了探讨。 工性能优良等优点,在胶粘剂、塑料改性、沥青改 性、防水材料、制鞋业等领域具有十分广泛的应 1 实验部分 用口]。但是,由于它的分子极性小,使得其耐油性 1.1主要原材料 和耐溶剂性差,与极性材料的相容性和粘附性也受 SBS:YH一791(S[B=30/70),工业级,中国石 到限制。目前,对SBS进行化学改性主要是通过不 化巴陵石化分公司 甲酸:质量分数为88 ,分析 饱和双键引入极性基团,如环氧化[2]、接枝[3]、磺 纯,天津市化学试剂一厂;过氧化氢(H O2);质量 化 等。其中,通过对SBS进行环氧化引入环氧 分数为3O ,分析纯,广东汕头市西陇化工厂;甲 基,不仅制备方法简便,而且环氧基的引入增加了 苯:分析纯,广东汕头市西陇化工厂;聚乙二醇 SBS的分子极性和内聚强度,也为其进一步的改性 (PEG一400):分析纯,进口分装,广东汕头市西陇 和应用开启了方便之门[5 ]。国外对SBS的环氧 化工厂;无水乙醇:分析纯,成都市联合化工试剂研 化已有不少报道,例如,Huang等[7 研究了SBS环 究所。 氧化反应中的动力学问题。Udipi[8 在甲苯和环己 1.2 ESBS的制备 烷的混合溶剂中制备了具有优良耐油性的环氧化 在带有搅拌器、冷凝管、温度计和滴液漏斗的 SBs(ESBs)。国内虽然也有SBS环氧化的相关报 四口烧瓶中,加入定量的SBs和甲苯,搅拌溶解得 道,但对于环氧化反应过程中的机理及ESBS的结 到质量浓度为0.12 g/mL的溶液,然后滴加定量的 构研究不够深入。本工作采用甲酸和过氧化氢原 甲酸和过氧化氢,在一定温度下进行环氧化反应。 位生成的过氧甲酸对巴陵石化生产的SBS进行环 待反应结束后,用乙醇沉降反应物并用去离子水洗 氧化反应,制备了ESBS,并对其工艺条件进行了研 涤至中性,置于真空干燥箱中于6O℃下干燥至恒 究。利用GPC、FT—IR、 H—NMR等手段对ESBS 重。SBS的环氧化反应过程如式(1)和式(2)所示。 首先,甲酸和过氧化氢原位生成过氧甲酸;其次,初 收稿日期:2006—12—28 作者简介:李红强(1979一)。男.河南巩义人,博士研究生, 生态的过氧甲酸将SBS上的双键转化成环氧基,生 主要从事涂料及胶粘剂方面的研究和技术开发工作。 *通讯联系人 成ESBS。但是过量的甲酸可能会使少量环氧基发 维普资讯 http://www.cqvip.com

・ 38 ・ 弹 性 体 第17卷 生开环副反应,如式(3)所示。 , I l IH—C—O—H+H2O2一H—C—O—O—H+H2O O l1 +H—C—O—O—H一 (2) (3) 1.3测试与表征 者在甲酸与SBS中C—C双键的物质的量比分 (1)环氧基质量分数:利用高氯酸和四乙基溴 别为0.1、0.3和0.5时,研究了HzOz加入量对 化胺作用生成的初生态溴化氢与环氧基反应,用 环氧基质量分数的影响,其结果如图l所示。 结晶紫指示剂滴定终点 ]。环氧基质量分数按照 式(4)进行计算。 训(环氧基)一  ̄lOO%(4) \ 式中:、,o、V 分别为空白实验和测定试样耗用高 氯酸溶液的体积(mL);m为试样质量(g);N为 V 暑 标定的高氯酸溶液的浓度(O.099 4 mol/L)。 (2)红外光谱(FT—IR):将定量的试样溶解 于三氯甲烷中,配成质量分数约为lO 的溶液, 流延在35 m的聚酯薄膜上,在红外灯下干燥除 ”(H2O2)/n(C C) 去溶剂后,置于Nicolet AVATAR 370 DTGS型 ▲一”(HCO0H)/n(C—C)一0.1; 红外光谱仪上进行全反射红外扫描。 ●一”(HC00H)/n(C—C)一0.3; (3)核磁共振( H—NMR):以氘代氯仿为溶 ■一”(HC00H)/n(C—C)一0.5; 剂,在Bruker DRX一300超导核磁共振仪上进行 反应温度和反应时间分别为6O℃和2 h 图1 原料物质的量比对环氧基质量分数的影响 测试,TMS作内标。 (4)凝胶渗透色谱(GPC):以四氢呋喃为溶 由图l可以看出,当 (HCOOH)/n(C—C) 剂,在Waters一4lO凝胶渗透色谱仪上进行测试。 一0.1时,随着H O 用量的增加,环氧基质量分 2结果与讨论 数基本无提高;而当 (HCOOH)/n(C—C)分别 为0.3和0.5时,随着H O 用量的增加,环氧基 2.1 影响SBS环氧化反应的因素 质量分数迅速提高。综合比较,当 (C—C)/ 2.1.1 原料物质的量比对环氧基质量分数的 (HCOOH)/ (H O2)一1/0.5/0.6时,ESBS的 影响 环氧基质量分数较高,达到了l8.1 。 SBS中双键的物质的量一定,其转化为环氧 2.1.2反应温度对环氧基质量分数的影响 基的多少与甲酸和I.I O 的物质的量密切相关。 由图2可以看出,随着反应温度的升高, 如果加入甲酸或H ()。的量过少,要得到较高环 ESBS的环氧基质量分数先增加后又有所下降。 氧基质量分数的ESBS,则需要相当长的反应时 这是因为随着反应温度的升高,反应物分子运动 间;而如果它们的加入量过多,所生成的ESBS易 加速,相互之间的碰撞几率增大,有利于环氧化反 发生开环副反应。为了获得原料的最佳配比,笔 应的进行。当温度超过6O℃时,少量环氧基在甲 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 李红强,等.苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物的环氧化研究 ・39・ 酸和H 0 的作用下开环发生副反应。另外,温 量的相转移催化剂PEG一400,研究了其用量对 度升高使得反应体系中的甲酸和H O 易于挥 发,利用率降低,因此环氧基质量分数也会有所下 降。所以,反应温度在6O℃为佳。 薛 V 暑 £/℃ n(C=;C)/n(HC00H)/n(H2Oz)=1/o.s/o.6; 反应时间为2 h 图2反应温度对环氧基质■分数的影响 2.1.3反应时间对环氧基质量分数的影响 由图3可以看出,随着反应时间的延长, ESBS的环氧基质量分数随之增加,反应时间为 2 h时,其环氧基质量分数达到了18.1 。之后, 随反应时间的进一步延长,环氧基质量分数反而 缓慢下降。这是因为作为催化剂的甲酸是一种强 酸,当反应时间过长时,它会与H O 共同作用使 环氧基开环,发生副反应,导致ESBS环氧基质量 分数的下降L1。]。 \ 蝴 V 暑 1.0 I.5 2.0 2.5 3.0 3.5 t/h n(C===C)/n(HC00H)/n(H202)=1/o.s/o.6l 反应温度为6O℃ 图3反应时问对环氧基质量分数的影响 2.1.4 PEG一400对环氧基质量分数的影响 为了促使H。O。及原位生成的过氧甲酸分子 与SBS中的PB部分链段碰撞接触的几率增大, 以便环氧化反应更好地进行,在体系中加入了少 ESBS环氧基质量分数的影响,结果如图4所示。 \ ^ 谰 V 君 w(PEG一400)/ (C—C)/n(HCOOH)/n(H202)一1/o.s/o.6l 反应温度为60℃,反应时间2 h 圈4 PEG一400对环氧基质■分数的影响 从图4可以看出,当加入PEG一400的质量为 SBs的1.5 时,环氧基质量分数由18.1 9,6提高到 了18.9 。这是由于PEG含有极性的氧原子,可 以溶于水中,而且其分子结构中较长的碳链可以溶 于甲苯有机溶剂中。因此,PEG可以把水中的 Hz 02和原位生成的过氧甲酸带人到有机相中,从 而提高了甲酸和H o2的利用率以及反应的转化 率,使得ESBS的环氧基质量分数在一定程度上得 到了提高 ¨。但随着PEG一400的用量进一步增 多,环氧基质量分数有所下降,这是由于PEG一400 所带的端羟基与甲酸反应生成了酯,消耗了部分甲 酸,反而不利于环氧化反应的进行。 2.2 ESBS的结构表征 2.2.1 GPC分析 由图5可知,SBS在被环氧化之后,GPC曲线 l8 l9 20 2l 22 2:{ 24 2 /min lf-SBS(一Mo=1I 38X10 ,jIW/ 一1.107);b-ESBS,其环 氧基质量分数为18.1 ( =1.51×104, /In一1.354) 图5 SBS及ESBS的GPC谱图 维普资讯 http://www.cqvip.com

・40・ 弹性体 第l7卷 向高分子量方向移动,分子量分布变宽。说明SBS 在环氧化反应的过程中,可能发生分子问双键的交 2.96处分别出现了反一环氧基和顺一环氧基上氢 原子的特征峰 。比较5.02和5.45处峰的积分 面积在环氧化前后减小的幅度,可知在环氧化反 联反应或者环氧基引发的分子问偶联反应,使得聚 合物的分子量在一定程度上得到提高 。 2.2.2 FT—IR分析 由图6可以看出,SBS在747 cm一、964 cm 和9ll cm 处分别出现了代表丁二烯顺一1,4一加 成、反一1,4一加成和1,2一加成结构的C—H面外 弯曲振动吸收峰m 。除此之外,在1 640 cm 和 1 660 cm 处的吸收峰分别归属于丁二烯1,2一加 成和1,4一加成的双键。环氧化之后, 在880 cm 和1 250 cm 处出现了与环氧基有关的吸收峰, 且其强度随着反应时问的延长而增大,由此可知 SBS发生了环氧化反应。相应地,C—C双键吸 收峰的强度在不同程度地减弱。相比较而言,丁 二烯1,4一加成双键吸收峰在强度减弱的幅度上 要比 1,2一加成双键吸收峰大得多,说明前者在环 氧化反应中的活性要大于后者 。另外,曲线c 和d在1 724 cm 处出现了羰基的吸收峰,在 3 500 cm 处也出现了微弱的羟基吸收峰。由此 可知,随着反应时问的延长,少量环氧基会发生开 环副反应。 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 I 500 1 000 500 o/cm一 a--SBS.b、c、d一分别为环氧化反应0.5、2.0、3.5 h 后得到的ESBS 图6 SBS及ESBS的FT—IR谱图 2.2.3 ’H—NMR分析 由图7可知,在SBS的 H—NMR谱图中,化 学位移为7.O7、7.OO和6.61处的峰归属于苯乙 烯邻位、对位和间位上氢原子的特征峰,化学位移 为5.02、5.40和5.46处的峰分别归属于SBS中 丁二烯1,2一加成、顺一1,4一加成和反一1,4一加成 双键上的氢原子。环氧化反应之后,在2.72和 应的过程中,TZ_烯1,4一加成双键的反应活性明 显大于1,2一加成双键,这与FT—IR谱图的结果 一致。另外.比较图7(a、b)在5.2~5.8之问的 放大图,可知代表丁二烯1,4一加成双键上氢原子 的特征峰有向低场方向移动的趋势,并且代表丁 二烯顺一1,4一加成双键上氢原子特征峰在积分面 积上减小的幅度(/k 1.33减至0.68)也要大于反 一1,4一加成双键(从1.28减至0.78),这都说明了 丁二烯顺一1,4一加成双键的环氧化反应活性大于 丁二烯反一1,4一加成双键 。 、 —=一 髓 器 量70 5 60 5.50 5 40 5.30 ~  l’ 8 8 园铸 吝 7_0 60 矗0 40 3.0 2 0 I.0 露 8 留 盆 骂 岛雾 器 葛 6 0 S 0 4 0 3 0 20 I.0 SBS;b--ESBS,其环氧基质量分数为18.I 图7 SBS及ESBS的’H—NMR谱图 3 结 论 (1)利用甲酸和过氧化氢原位生成的过氧甲 酸对SBS进行环氧化改性,可以制备出ESBS。 当甲酸用量较少时,随H O 用量的增加,ESBS 的环氧基质量分数基本不变;当甲酸用量增加到 一定程度时,随H O 用量的增加,环氧基质量分 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 李红强,等.苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物的环氧化研究 4 4’7’7. 数显著提高。随着反应温度的升高和反应时间的 [4]韦异,陈薇,赵文峰,等.SBS的磺化改性[J].精细石油化 延长,环氧基质量分数均先增加,达到一个最大值 后,又有所下降。当n(C—C)/n(HCOOH)/ 工,2002,(5):23~25. [5]喻武钢,谢洪泉.环氧化SBS开环制备顺酐化离聚体及其物 (H O。)一1/0.5/0.6,反应时间为2 h,反应温度 化性能的研究口].弹性体,2006,16(3):32~36. 为6O℃时,ESBS的环氧基质量分数达到了 [6]喻武钢,谢洪泉.环氧化SBS开环制备磺酸钠离聚体及其部 18.1 。在体系中加入少量的PEG一400,有利于 分性能研究[J].弹性体,2006,16(4);25~29. 提高ESBS的环氧基质量分数。 [7]Huang W K,Hsiue G H,Hou W H.Epoxidation of poly— butadiene and styrene-butadiene triblock copolymers with (2)GPC测试表明,SBS在环氧化之后,其分 monoperoxyphthalic acid:kinetic and conformation study 子量变大,分子量分布变宽,说明在环氧化反应过 [J].J Polym Sci Part A:Polym Chem,1988,26(7):1 867 程中,可能发生分子间双键的交联反应或者环氧 ~1 883. 基引发的分子间偶联反应。FT—IR及 H—NMR [8] Udipi K.Epoxidation of styrene-butadiene block polymers 分析表明,在SBS的环氧化反应过程中,丁二烯链 lI口].J Appl Polym Sci,1979,23(11):3 311~3 321. 段上双键的反应活性大小次序为:顺一1,4一结构> [9]Jay R R.Direct titration of epoxy compounds and aziridines 口].Anal Chem,1964,36(3):667~668. 反~1,4一结构>1,2一结构。另外,随着反应时间 [1O]邹其超,张玉红,何本桥,等.SBS的环氧化[J].胶体与聚合 的延长,少量环氧基会发生开环副反应。 物,2000,18(1):29~3l_ [11]陈勇,谢洪泉.在相转移催化剂存在下SBS的环氧化及其产 参 考 文 献 物作为增容剂的研究口].弹性体,2005,15(1):28431. [1] 王勃,沈大明.热塑性弹性体SBS的改性研究进展[J].粘 [12]沈德言.红外光谱法在高分子研究中的应用[M].北京:科 接,2005,26(2):24~28. 学出版社,1982.172. [2] Hsiue G H,Yang J M.Epoxidation of styrene-butadiene- [13]Serrano E,Larranaga M,Remiro P M,et a1.Synthesis and styrene block copolymer and use for gas permeation[J].J characterization of epoxidized styrene-butadiene block co— Polym Sci Part A:Polym Chem,1990,28(13):3 761~ polymer as templates for nanostructured thermosets[J]. 3 773. Macromol Chem Phys,2004,205(7):987~996. [3] Lassalle V L,Failla M D,Valles E M.Grafting of N-car— [14]Jian X.Hay A S.Catalytic epoxidation of styrene—butadi— barnyl maleamic acid onto a styrene-butadiene-styrene co— ene triblock copolymer with hydrogen peroxide[J].J Polym polymer[J].J Appl Polym Sci,2006,102(5):4 468~ Sci Part A:Poly Chem,1991,29(8);1 183~1 189. Study on the epoxidation of styrene-butadiene-styrene block copolymer LI Hong—qiang ,ZENG Xing—rong ,WU Wei-qing (1.College of Materials Science and Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 5 10640,China;2.Guangzhou Hong Chang Adhesives Product Factory,Guangzhou 510800,China) Abstract:The epoxidized styrene butadiene・-styrene block copolymer(ESBS)was prepared by an in situ generated performic acid method.The effects of the amounts of hydrogen peroxide and formic acid,and reaction conditions on the mass fraction of epoxide groups were studied.The structure of ES— BS was characterized by GPC,FT—IR and H~NMR.It was found that the order of reactivity for C—C of butadiene units was:c s一1,4一unit>trans一1,4-unit>1,2一unit.In the process of epoxidation reaction,some epoxide groups were opened.When n(C—C)/n(HCO0H)/n(H2O2)一1/0.5/0.6,re— action time was 2 h and reaction temperature was 60℃,the mass fraction of epoxide groups attained l8.1 .The addition of PEG~400 could increase the mass fraction of epoxide groups of ESBS to a cer— tain degree. Key word. ̄.styrene—butadiene—styrene(SBS);formic acid;hydrogen peroxide;epoxidation;struc— tI1rP 

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