王学川等:聚四氢呋喃醚二醇脂肪族超支化聚氨酯的合成及表征 聚四氢呋喃醚二醇脂肪族超支化聚氨酯的合成及表征 王学川,伏芋桥,任龙芳,强涛涛,任 静 (陕西科技大学轻化工助剂化学与技术省部共建教育部重点实验室,陕西西安710021) 摘 要: 利用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG,M 一 酯网状结构的空间构型,形成了具有支化结构的椭球 2000)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料,以二月桂 酸二丁基锡(DBTDI )为催化剂,通过逐步聚合反应合 形聚氨酯。并通过现代仪器分析手段表征了PPU和 HBPU的分子结构并研究了聚合物的热性能。 成了 NC()封端的聚氨酯预聚体(PPU),通过单因素 实验,根据反应过程中异氰酸酯基团和羟值含量的变 化规律,优化出了PPU的合成条件:反应温度75。C, 反应时间为1.5h,m(DBTDL)二==0.007 (以IPDI和 2 实 验 2.1主要试剂 聚四氢呋喃二醇2000(PTMG2000),C.P.,天津 市科密欧化学试剂开发中心;异佛尔酮二异氰酸酯 PTMG2000的总质量计)。再通过接枝使PPU与端 羟基超支化聚合物(HPAE)共聚反应制备得到一种新 型超支化聚氨酯(HBPU)。经过单因素实验分析方法 优化出了HBPU的合成条件为反应温度75℃,反应时 间4h。分别利用FT—IR和综合热分析对PPU和HB— PU的结构以及热稳定性进行了表征。 (IPDI),C.P.,上海试剂一厂;端羟基超支化聚合物 (HPAE)自制;N、N一二甲基甲酰胺、二月桂酸二丁基 锡(DBTDL)、吡啶、二正丁胺、邻苯二甲酸酐,均为A. R.,均由天津市福晨化学试剂厂生产。 2.2 实验步骤 2.2.1 PPU的合成 关键词: 超支化聚氨酯;聚四氢呋喃醚二醇;合成;表 征 将PTMG2000在100~105。C、真空度0.08MPa 文献标识码:A 中图分类号:TQ323.8;TQ633 文章编号:1O01-9731(2013)02—0289 05 条件下脱水4h,冷却至室温,放入干燥的容器内密闭 保存备用。在通有氮气的分体式三口反应烧瓶中加入 经干燥的PTMG2000,以干燥后的DMF为溶剂,滴加 IPDI(~NCO和一OH的物质的量比为2:1),以 1 引 言 超支化聚合物是一类高度支化的、具有三维椭球 状立体构造的大分子,内部不仅具有空腔,同时又由于 大量官能团分散于分子表面,因而其性质不同于具有 类似结构单元的线型聚合物口 ]。超支化聚合物因具 有很低的熔体黏度、良好的流变性、溶解性及成膜性等 独特的物理化学性质,而备受瞩目。已经发现超支化 DBTDL为催化剂,采用甲苯一二正丁胺法[1 测定反应 釜中 NC()的含量,并通过“邻苯二甲酰化法”跟踪反 应过程中的羟值口 ,70。C下反应至即为PPU。反应示意图见图1。 NCo含量和羟 值达到理论值时停止加热,得到一种无色透明油状物, 聚合物可以应用于添加剂、药物和基因载体、大分子嵌 段、相转移催化剂、固体电解质、纳米技术、超分子科学 等领域 。 NCO 十№ 一出 聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯,是主链上含有重复 氨基甲酸酯基团(一NHCOO一)的大分子化合物的统 lPDI △l。BT。L MG 称。传统的聚氨酯属于线形或平面网状结构,在皮革 涂饰上的应用非常广泛。以PTMG为软段的聚氨酯 N 涂料具有较高的模量和强度,优异的耐水解、耐磨、耐 。 霉菌、耐油性、动态性能、电绝缘性能和低温柔性等性 能[9 ,它具有通常的聚酯型聚氨酯弹性体所不能达到 的某些特性,特别是良好的耐水性。 本文在直链的聚氨酯预聚体分子链段上引入了具 图1 PPU的合成路线示意图 Fig 1 The synthesis route of PPU 2.2.2超支化聚(胺一酯)的合成 有支化结构的端羟基超支化聚合物,通过接枝共聚制 得一种超支化聚氨酯,在一定程度上改变了常规聚氨 HPAE为实验室自制,具体合成方法见文献 [12],其立体结构见图2。 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(51103082);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20116125120002);陕西科技 大学研究生创新基金资助项目(Y0608) 收到初稿日期:2012—07—18 收到修改稿日期:2012—10 09 通讯作者:伏芋桥 作者简介:王学川 (1963一),男,山西芮城人,博士,教授,主要从事环境友好材料的合成与作用机理方面的研究。 助 图2 HPAE的结构示意图 Fig 2 The structure of HPAE 2.2.3 HBPU的合成 本文为了降低暴聚风险,合成HBPU时,按照 HPAE的接枝率为1/6投料。在通有氮气的分体式三 口烧瓶中加入聚氨酯预聚体和HPAE,以干燥后的 DMF为溶剂,控制反应温度为8O℃,反应4.5h,得到 无色粘稠液体。反应示意图见图3。 图3 HBPU的合成路线示意图 Fig 3 The synthesis route of HBPU 2.3仪器分析 2.3.1 FT—IR谱图 本文选用尼高力仪公司的Avatar360E.S.P.FT— IP型傅里叶变换红外光谱仪,对样品进行测定。制样 方法为:将样品中未反应的单体和溶剂在真空下去除, 然后在7O℃下,真空干燥6h,用薄膜法测定。 2.3.2综合热分析 在NETZSCHSTA 409 PC/PG上测定,载气为 N ,流量为20mL/min,温度由程序控制,升温速率为 10K/min。 3结果与讨论 3.1 PPU合成条件的优化 3.1.1反应温度的优化 本文采用IPDI滴入PTMG2000的加料方式, 童幸 抖 2013年第2期(44)卷 n(一NC0):n(一OH)一2:1,分别在50、60、7O、75、 80和85 C下反应2h,采用“甲苯一二正丁胺法”以及“邻 苯二甲酰化法”测定产物的一NcO含量和羟值来考察 反应温度对预聚体反应的影响,结果如图4所示。 誊 重 舌 ‘, 8 z Reaction temperaturel'C 图4 反应温度对PPU的一NCO含量和羟值的影响 Fig 4 The influences of reaction temperature on the NCo content and the hydroxy value of PPU 从图4可以看出,随着反应温度的升高,一NCO 的含量和羟值呈下降的趋势。预聚体的合成是通过 PTMG2000的一OH与IPDI脂肪环上的一NCO发生 亲核加成反应而进行的。温度越高,反应越完全,从而 使5O~75℃预聚体中 NcO和 OH含量下降,在 75。C时,产物羟值趋近0,一NCO含量也接近理论值 1.718 ,在75~85℃之间维持了平衡量。考虑到75 与85。C的反应程度相差不大,若再升高温度,不但增 加能耗,导致IPDI间的副反应,并且会增大暴聚的几 率。因此,75。C为最优反应温度。 3.1.2反应时问的优化 反应时间对预聚体反应的影响:控制反应温度为 75℃,跟踪反应进行0.5、l、1.5、2和2.5h的一NCO 含量和羟值来考察反应时间对预聚体反应的影响,得 到图5的结果。 图5 反应时间对PPU的 NCO含量和羟值的影响 Fig 5 The influences of reaction time on the--NCO content and the hydroxy value of PPU 由图5可知,随着反应时间的延长,IPDI与PT— MG2000的本体聚合速度很快,尤其是在1h内一NcO 含量和羟值的下降幅度很大,1.5~2h内,反应趋于平 衡。这主要是由于反应初期,预聚体的粘度相对较小, 预聚体与单体分子的扩散速度相对较快,碰撞次数较 为频繁,反应较为剧烈,故一NcO含量和羟值均急剧 降低。然而,随着反应时间的延长,反应程度的提高, 王学川等:聚四氢呋喃醚二醇脂肪族超支化聚氨酯的合成及表征 预聚体的相对分子质量也将变大,分子运动的速率大 为降低,羟值含量趋于稳定,加之单体数量的减少,致 使反应速率下降,一NC()含量变化缓慢,接近于理论 值。 综上可知,当反应时间为1.5h时,一NC()含量已 经基本与理论值符合,考虑到能耗等因素,以1.5h为 最优反应时间。 3.1.3催化剂用量的优化 本文在75℃下,反应1.5h,考察催化剂用量对预 聚体合成的影响,结果见图6所示。 图6 催化剂用量对PPU的一NC()含量和羟值的影 响 Fig 6 The influences of catalyst on the—NCO con— tent and the hydroxy value of PPU 由图6可知,随着催化剂用量的增加, NCO含 量不断减少,并且最终接近理论值。这说明催化剂对 异氰酸酯的催进作用是有效的。然而,这种催进作用 并非是持续的,当催化剂用量大于单体质量总和的 0.007 时, NCO含量变化相当小。综合可知,本 文选用0.007 为催化剂的最优用量。 3.2 PPU的表征 3.2.1 FT—IR光谱 图7为IPDI、PTMG2000和PPu的红外谱图。 Wavenumbers/cm。0 图7 IPDI、PTMG2000和PPU的红外谱图 Fig 7 The FT IR spectra of IPDI,PTMG2000 and PPU 如图7所示,在产物PPU谱图中,1679cm 处强 的吸收峰为C一()伸缩振动吸收峰,原料IPDI和PT— MG2000的谱图中均不存在此峰,因此可以证明 1679cm 处为IPDI中的 NC()和PTMG2000中 的一()H反应生成的 NHcOO 中的C--O伸缩振 动吸收峰。PPU谱图中3325cm 处N H的伸缩振 动吸收峰以及661cm 处N—H的面外弯曲振动峰 亦可以证明生成了一NHCOO一。由此可见,反应按 照预期进行,异氰酸根和羟基生成了氨基甲酸酯。 PTMG2000和PPU中1110cm 左右均出现了醚键 C O C伸缩振动峰。PPU的谱图中2262cm 处 强的一NC()的特征吸收峰说明IPDI中只有部分 NCO参加了反应。这是由于在制备过程中IPDI过 量,又因IPDI中两个一NCo集团反应活性相差将近 1o倍口。 ,故产物中脂肪链上的 NcO有大量剩余。 3.2.2综合热分析 如图8所示,PPU在200℃之前没有明显的失重, 之前的失重主要是由于PPU样品中少量的溶剂挥发 造成的。直到加热到205.5。C时,样品的分解速率才 明显变大,故分解的起始温度为205.5。C。在367℃以 后,样品迅速失重;在412.5℃时,分解速率最大,在 477.5。C时,失重完毕,最后PPU残留量为0.73 ,这 说明PPU具有良好的稳定性。这主要是因为在PPU 中存在热稳定性较好的氨基甲酸酯键,且邻近氧原子 碳原子上无取代基,故PPU的热稳定性较好。 Fig 8 I he thermogravimetry analysis spectra of PPU 3.3 HBPU合成条件的优化 3.3.1反应温度的优化 采用一次加料的方式,在通有氮气的反应釜中按 接枝率为1/6加入PPU和HPAE,以干燥后的DMF 为溶剂,分别控制反应温度为50、6O、70、75、8O和 85】C,反应4.5h,采用“甲苯一二正丁胺法”测定反应产 物中的NCO的含量,来考察反应温度对HBPU反 应的影响,得到图9的结果。 C m C o U o U Z Reaction temperature/'C 图9 反应温度对HBPU的一NCO含量的影响 Fig 9 The influences of reaction temperature on the NCO content of HBPU 292 助 由图9可知,随着反应温度的升高,HBPU的 Nco含量是不断下降的。这是由于在反应过程中, 羟基与预聚体端基一Nco基团发生了亲核加成反应, 预聚体上的一NC()与HPAE的外围羟基不断反应, HBPU的分子链逐渐增长,分子质量越来越大。因 此,一NC()含量的降低从一定程度上反映了接枝反应 进行的程度。当温度为75~85℃时,一NC0含量接 近于零,说明PPU两端的一NCO基本上全部参加了 反应。如果继续升高温度,会产生暴聚问题。因此,本 文选择反应温度为75 C。 3.3.2反应时间的优化 反应时间对HBPU反应的影响:控制反应温度为 75。C,采用“甲苯二正丁胺法”测定反应体系在3、3.5、 4、4.5和5h的一NC()含量,得到结果如图1O所示。 图10 反应时间对HBPU的一NCO含量的影响 Fig 1 0 The influences of reaction time on the~NC() content of HBPU 由图10可知,随着反应时间的延长,体系的 NC()含量呈下降趋势。另一方面,由于反应温度的 确定,副反应对NcO的影响已经得到了有效的降 低。由此可以得出,随着反应时间的延长,反应产率也 在不断增大,直至反应4h时,一NCO含量接近为零, 说明PPU分子脂肪链上--NCO已反应完全,达到了 预期的目的。因此,选择4h为最优反应时间。 3.4 HBPU的表征 3.4.1 FT—IR光谱 图11为HPAE、PPU及其产物HBPU的红外光 谱图。 图 Fig 11 The FT—IR spectra of HPAE。PPU and its product HBPU HBPU谱图中661cm 处为氨基甲酸酯键中 材 料 2013年第2期(44)卷 N—H的面外弯曲振动峰,故HBPU中3446cm_1处 为氨基甲酸酯键中的N—H和()H的重合吸收峰。 因为HBPU的反应中,按照接枝率为1/6投料,所以 有大量的羟基未参与反应,表现在HBPU图中,为 3446cm 处强而宽的吸收峰。而2262cm 处 NCO吸收峰在HBPU中已消失,说明PPU中的 NCO已反应完全。 3.4.2综合热分析 图12是HBPU的热重分析图。由图12可知,在 245.5。C之前的失重主要是由于样品中溶剂的挥发, 失重率约为1.09 ,在245.5uC时,HBPU才明显分 解。HBPU的热分解温度245.5℃比PPU的热分解 温度205.5 C高4O。C。温度在414.5℃时,分解速率最 大。在460.5。C时,基本已完全分解,失重完毕,残留 量约为0.34 。这说明HBPU具有良好的热稳定性。 Temperaturel ̄ 图12 HBPU的热重分析谱图 Fig 12 The thermogravimetry analysis fingerprint of HBPU 4 结 论 (1) 通过逐步聚合反应制备了 Nc()封端的聚 氨酯预聚体,再经过接枝共聚合成了超支化聚氨酯。 单因素实验优化出的聚氨酯预聚体的合成条件为:反 应温度75。C,反应时间1.5h,催化剂用量为0.007 。 超支化聚氨酯的合成条件为反应温度75。C,反应时间 4h。 (2) 通过FT—IR对合成的样品进行了检测,验 证了合成的聚氨酯预聚体以及超支化聚氨酯的结构。 综合热分析结果表明聚氨酯预聚体和超支化聚氨酯的 热稳定性良好,超支化聚氨酯的热分解温度比聚氨酯 预聚体的热分解温度高40IC。 参考文献: [1 Flory P J.Molecular size distribution in three dimensional polymers.VI.branched polymer containing A—R—B 1 type units[J].J Am Chem Soc,1952,74:2718—2723. 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Synthesis and characterization of the PTMG aliphatic hyperbranched D0lVurethane WANG Xue—chuan,FU Yu—qiao,REN Long—fang,QIANG Tao—tao,REN Jing (Key Laboratory of Chemistry and Technology for Light Chemical Industry,Ministry of Education, Shaanxi University of Science and Technology。Xi’an 710021.China) Abstract:The isocyanate—terminated polyurethane prepolymer(PPU)was synthesized by step—growth polymeri— zation using polytetramethylene ether glycol(PTMG,M 一2000)with isophorone disocyanate(IPDI)as the monomers,dibutyhin dilaurate(DBTDI )as the catalyst.The appropriate reaction conditions were optimized by single factor experiments as follows.The reaction temperature was 75℃,the reaction time was 15h and the .quantity of catalyst was equal to 0.007 of feedstocksAnd then the hyperbranched polyurethane(HBPU) .was synthesized by graft copolymerization using isocyanate—terminated polyurethane prepolymer(PPU)and hy— perbranched poly(amide—ester)polyol(HPAE)as the raw materialsThe appropriate reaction conditions were .optimized by single factor experiments as followsThe reaction temperature was 75℃。the reaction time was .4.5h.The molecular structure of the monomers of PPU and HBPU were characterized bv FT—IR.The thermal stability of PPU and HBPU were characterized by thermogravimetry. Key words:hyperbranched polyurethane;polytetramethylene ether glycol;synthesis;characterization