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超支化聚氨酯的合成方法及其应用

2022-01-05 来源:爱问旅游网
第41卷第2O期 2013年10月 广州化工 Vo1.41 No.20 October.2013 Guangzhou Chemical Industry 超支化聚氨酯的合成方法及其应用 毛植森,邵晓琳,梁红军,费长书,席青 (浙江华峰氨纶股份有限公司,浙江 温州 325000) 摘 要:超支化聚氨酯由于具备特殊的结构而具有独特的化学与物理性质,吸引了越来越多研究者的关注,本文将介绍常 见的三种合成方法:(1)反应官能团同单体法;(2)反应官能团异单体法;(3)异体超支化核合成法。同时对超支化聚氨酯的主 要应用领域进行简要的介绍。 关键词:超支化聚氨酯;合成方法;应用领域 中图分类号:0631.5 文献标识码:A 文章编号:1001—9677(2013)20—0022—03 Synthesis Methods and Application Fields of Hyperbrached Polyurethane MAO Zhi—sen,SHAO Xiao—lin,LIANG Hong-jun,FEI Chang—shu,XI Qing (Zhejiang Huafon Spandex Co.,Ltd.,Zhejiang Wenzhou 325000,China) Abstract:Hyperbranched polyurethane attracted more and more attention of researchers due to its special structure and unique chemical and physical properties.Three common synthesis methods of polycondensation of AB2 monomers, polymerization of two types of monomers,and graft copolymerization with hyperbranched polyesters were described.The main application fields of hyperbranched polyurethane were also briefly introduced. Key words:hyperbranched polyurethane;synthesis methods;application fields 超支化聚合物是由Flory…在1952年提出的一个构想,其 设想是具有AB (XI>2)结构的单体(A和B是可以相互反应的 官能团)能够通过自缩聚得到超支化结构的大分子,在1982年 由Kricheldorf等 在实验室中制备得到了超支化结构的聚酯, 将这种设想变成了现实,在2O世纪90年代初Kim和Webster 1.1 反应官能团同单体法 众所周知,异氰酸酯基团(NCO)具有很强的亲核性,很容 易与含活泼氢的基团发生反应,因此同时含有活泼氢基团和异 氰酸酯基团的单体很容易发生自聚合,难以稳定存在,为了能 从一种单体制备得到超支化型聚氨酯,往往采用基团保护的方 等 第一次在实验室按照超支化分子结构设计思路来成功制 法,将其中一种类型的基团进行钝化保护,然后在适当的反应 备了可溶性超支化聚苯撑,并将这种结构的大分子首次命名为 条件下,脱除保护,进行聚合反应,最终得到目标产物。例如 超支化聚合物。传统的聚合物一般是大量的直链型大分子通过 Anil kumar等 制备了一种特殊的单体二羟基苯甲酰叠氮,通 分子间相互作用或者是通过化学交联形成三维网状大分子构 过差示扫描量热仪分析发现在107℃,二羟甲基苯甲酰叠氮经 成,而超支化聚氨酯作为一种不同于上述两种常见结构的物 热分解会释放出氮气,生成1一异氰酸酯一3,5一二羟基苯,根 质,其分子内部存在着空腔,大分子表面含有众多的官能团, 据上述实验结果,Anil kumar等将二羟甲基苯甲酰叠氮溶于 大分子结构中拥有较多的支化点,分子结构呈树枝状向外扩 DMSO中,将反应温度设于110 oC,通过受热脱除氮气,形成 散,形成类似球形的结构,因此分子之间的作用力较小,由于 反应官能团同单体中间体AB ,进一步聚合便得到了芳香型超 具备独特的结构和性质,能应用在各种领域,例如在涂 料 。J、形状记忆材料 J、聚合物电解质材料 J、医用组织工 支化聚氨酯。但是鉴于传统反应官能团同单体合成法的步骤繁 程 、粘度调节剂 等方面都有着巨大的实际或潜在的应用 琐,制备成本高,有研究者对该合成方法进行了进一步的改 良,其思路是利用了单体官能团在不同温度下的反应活性的差 价值。目前超支化聚氨酯这种新型材料已经受到越来越多研究 者的关注,成为了一个热门的研究方向。本文将简要介绍超支 异,首先在低温下合成AB 型单体,然后进一步提高反应温 度,通过原位聚合法得到了超支化聚氨酯,通过这样的改良, 化聚氨酯的合成方法以及其目前主要的应用领域。 简化了聚合操作步骤,但是也对单体的结构及官能团活性差异 1 超支化聚氨酯的合成方法 目前,制备超支化聚氨酯的手段主要有三种,分别是: (1)反应官能团同单体法; (2)反应官能团异单体合成法; 提出了特殊要求。例如林华玉等” 首先将反应温度设定在 15 ,使N一三羟甲基甲基氨基乙磺酸(TES)的氨基与异佛尔 酮二异氰酸酯上活性较高的仲异氰酸酯基团发生选择反应,生 (3)异体超支化核合成法。 成AB 型单体,然后进一步提高反应温度(70—90℃),使AB, 型单体发生原位聚合,制备得到新型磺酸基超支化聚氨酯,支 化度随着第二步的反应温度提高会从0.67增大至0.87,该法 作者简介:毛植森(1986一),男,助理工程师,主要从事聚氨酯合成及氨纶生成加工。 第41卷第20期 毛植森等:超支化聚氨酯的合成方法及其应用 制备方便,将得到的磺酸型超支化聚氨酯掺入聚乙烯醇缩丁醛 中,当含量为40%时,拉伸强度为16.2 MPa,能够满足实际应 用所需的强度,随着温度升高,其电导率也从1.3 X 10 S/cm (铵盐)升至1.4×10 S/cm(铵盐)。 方式,加入MDI、二乙醇胺或者三羟甲基氨基甲烷(作为支化 点),接枝到改性二氧化硅粒子表面,形成以二氧化硅粒子为 核,超支化聚氨酯为壳的独特结构,通过TGA检测手段发现, 经过二氧化硅化学接枝的超支化聚氨酯的起始分解温度达到了 330℃,未添加二氧化硅粒子的超支化聚氨酯起始分解温度只 有190℃,.耐热性大幅提高。通过扫描电镜观察,发现经超支 1.2反应官能团异单体合成法 与反应官能团同单体合成法相比,异单体合成法采用了两 种单体,这两种单体上各自含有能相互反应的官能团,这样的 合成方法省去了反应官能团同单体合成法中保护一去保护的步 骤,避免了同单体上两种官能团之间发生副反应的可能性,因 此具有操作简单,反应可控性强的优点,常见的反应官能团异 单体合成法有A:+B 、A +CB A:+B B,等组合方式。例如 化聚氨酯接枝改性的二氧化硅在DMA中的分散性得到了明显 的提高,制备得到的混合膜在近紫外和可见光波段范围内具有 较高的透光率。 2.2涂料 Thakur Suman等 以A +B,的方式合成了两种蓖麻油基 Wang Biao等¨ 采用A’+B 方式来制备超支化聚氨酯,A 为 超支化聚氨酯,其中B 采用蓖麻油或者单甘油酯蓖麻油两种 MDI,B 为三羟甲基丙烷(TMP),其重点研究了反应物浓度对 单体,以PCL作为大分子二醇,扩链剂采用丁二醇(BD),通 反应体系凝胶点的影响,通过实验表明,当MDI/TMP反应体 过实验发现,高度稀释或者缓慢添加物料能够得到高产率的超 系的浓度从30%下降至10%时,MDI:TMP的凝胶点从 支化聚氨酯,选用蓖麻油作为B 单体得到的超支化聚氨酯其 1.28:1提升至2.56:1,这为MDI/TMP体系超支化聚氨酯的 支化率为0.57,而采用单甘油酯蓖麻油作为 单体得到的超 制备提供了更加宽泛的选择条件。又例如Das Beauty等 用过 支化聚氨酯其支化度为0.80,制备的超支化聚氨酯能够溶解在 量甲苯二异氰酸酯与单甘油酯葵花油、聚己内酯(PCL)反应, 大部分极性非质子化溶剂中,可以用于制备表层涂料。Jena 得到NCO封端的预聚物,然后加入适量TDI与预聚物混匀,将 Kishore K等 采用两步聚合方式制备了水性超支化聚氨酯复 季戊四醇作为支化点,按照NCO:OH=1:1的比例滴加至上 合涂料,首先第一步选用2,2一二羟甲基丙酸(bis—MPA)、丙 述混合溶液中,进一步生成超支化结构,得到了生物可降解超 三醇通过酯化反应制备了第一代超支化聚酯,分子表面含有 支化聚氨酯。 6个端羟基。第二步将第一代超支化聚酯、氢化MDI、bis— 1.3异体超支化核合成法 MPA混匀,加入丙胺三乙基硅烷和正硅酸乙酯,将NCO基团 异体超支化核合成法选用具有超支化结构、表面含有大量 消耗完毕,最后加入三乙胺中和掉多余的羧基,加入去离子水 羟基的聚酯类物质作为核,与含异氰酸酯基团的物质进行反 得到了亲水性超支化聚氨酯/硅复合涂料。将涂料制备成膜, 应,得到超支化聚氨酯材料。例如王学川等 选用聚四氢呋喃 通过接触角测试和表面能计算,证明该膜是具有优良的疏水 醚二醇和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)制备了NCO封端的预聚 性,其熔融粘度随着硅含量的提高而增大,经TGA测试表明, 物,催化剂为二月桂酸二丁基锡,将预聚物接枝到端羟基支化 起始热分解温度为260℃,具备优良的耐热性。 聚氨酯(HPAE),得到了一种新型超支化聚氨酯(HBPU),经 2.3形状记忆材料 TGA测试,发现其热分解温度为245.5 cC,具有良好的耐热 Rana Sravendra等 采用A + 方式制备了具有形状记忆 性。Park JH等 采用聚己内酯(PCL)和异佛尔酮二异氰酸酯、 二羟基丁酸为原料,制备了侧链含有羧基的NCO封端预聚物, 效应的超支化聚氨酯,其中以聚乙二醇作为软段,MDI、蓖麻 接着将含8个端羟基,环形结构、分子量为1749的超支化核聚 油、1,4一丁二醇作为硬段。然后加入强酸处理过的碳纳米管, 酯大分子分别按照NCO:OH=1:1、1:2、1:4加入到预聚 得到了一种超支化聚氨酯/多壁碳纳米管复合材料(简称: HPU—NT),相比于普通的超支化聚合物,填充有多壁碳纳米 物中与NCO基团进行接枝反应,得到了超支化水性聚氨酯溶 液。 管的超支化聚氨酯其回复速度更快,回复应力是普通聚氨酯的 两倍。对样品的形状记忆效应进行了检测,将HPU—NT制备 2超支化聚氨酯的应用 成S型样品,至于0℃下定型,然后浸泡于水中,在数秒之后 就能恢复到原始形状,而且还发现,随着复合材料中碳纳米管 2.1 分散剂 含量增多,其形状恢复时间增长,这主要是由于碳纳米管在一 为了改善硅材料在聚氨酯中的分散性能、提高含硅聚氨酯 定用量范围内能促进超支化聚氨酯结晶所致。Kalita Hemjyoti 涂料的成膜均一性,往往会采用超支化聚氨酯作为硅材料的分 等 选用铁力木籽这种植物提取的单甘油酯、PCL、TDI、丙 散剂。Gao Qiongzhi等 采用两步合成方式来制备超支化聚氨 三醇、丁二醇作为原料,合成了具有形状记忆效应的超支化聚 酯/纳米二氧化硅复合膜,第一步选用异佛尔酮二异氰酸酯 氨酯,对得到的产物在0~3℃下进行定型处理后,检测了其 (IPDI)、超支化聚酯bohorn H20(Mn=1747 g/mol,平均每个 形状记忆效应,结果发现样品的形状固定率达到了95%一 分子上包含16个羟基)、丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇(PEG一 99%,且形状固定率随着铁力木籽单甘油酯含量的增加而提 200)制备得到了含丙烯酸羟乙酯结构单元和超支化聚酯结构单 高,而未加铁力木籽单甘油酯的普通聚氨酯,其形状固定率只 元的超支化聚氨酯(HBPUA)。第二步将化学改性处理的纳米二 有37.5%。同时制备的生物基形状记忆超支化聚氨酯在盐酸溶 氧化硅与HBPUA混合,使得纳米二氧化硅在聚氨酯溶液中分 液、乙醇、氯化钠溶液及蒸馏水等不同环境介质中都表现出了 散性得到了提高,经耐热性测试表明:未添加纳米二氧化硅的 良好的耐化学性。 HBPUA的起始热失重点为320℃,而添加了纳米二氧化硅的 HBPUA起始分解温度为335℃,说明耐热性能得到了提高。 3结语 Liu Lianying等 为了降低二氧化硅粒子在DMA的团聚现象, 超支化聚氨酯在近年取得了很大的发展,合成方法简便, 提高在有机溶剂中的分散性,对二氧化硅粒子采用化学处理的 一些应用领域也正在被逐渐开发应用到生活实际中,但是由于 方法,使粒子表面含有异氰酸酯基团,然后采用 十 合成 其独特的分子结构,目前在准确表征其分子结构、分子量及分 广州化工 2013年10月 布等还没有一些可靠的手段。因此,要继续深入开发准确表征 其分子结构、物理化学性质方面的检测手段。 参考文献 『1] Flory Paul J.Molecular Size Distilbution in Throe Dimensional Polymers.VI.Branched Polymers Containing A—R—Bf一1 Type Kumar Anil,Meijer EW.Novel hyperbranched polymer based on urea [12] linkages[J].Chemical Communications,1998(16):1629—1630. 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