用於生產末端官能化聚合物的烷氧基甲矽烷基封端劑的製作方法

2023-09-09 22:28:05

專利名稱：：用於生產末端官能化聚合物的烷氧基甲矽烷基封端劑的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用作粘合劑、密封劑和塗料的組分的官能化聚合物的製備方法。更具體地說，本發明涉及在活性陰離子聚合物上加入末端官能團的封端方法。在許多參考文獻中已描述了用鋰引發劑如仲丁基鋰的共軛二烯陰離子聚合，以及殘留的不飽度的氫化。在英國專利申請書GB2270317中公開了單引發的和雙引發的活性陰離子聚合物的封端，生成官能化的端基的方法。在US5331058中公開了使用有R1R2R3Si-O-A′-Li結構式的被保護的官能引發劑的陰離子聚合，式中R1、R2和R3優選為有1～10個碳原子的烷基、烷氧基、芳基或烷芳基，A′優選為有至少2個碳原子的支鏈或直鏈橋連基團。用這樣的被保護的官能引發劑的聚合反應，隨後封端生成第二末端官能基的方法，可製得遠螯聚合物，另外它們可通過使用雙官能引發劑如1，4-二鋰丁烷和萘基鋰製得的聚合物封端的方法來製得。被保護的官能基的使用避免生成離子凝膠，這些離子凝膠可在用試劑如環氧乙烷使雙引發的聚合物封端時出現。這些凝膠甚至在相當極性的溶劑混合物中也能形成，並妨礙隨後的加工步驟。製備雙官能團的遠螯聚合物而又不生成凝膠的一種方法是使用如下述結構式的被保護的官能引發劑式中，A″為環己基或-CR′R″-，其中R′為有1～10個碳原子的直鏈烷基，R″為氫或有1～10個碳原子的直鏈烷基。結構式(A)的化合物在高的聚合溫度下引發陰離子聚合物的聚合。被保護的官能基能經受住共軛二烯聚合物的氫化，並且它很容易通過在甲烷磺酸存在下水解的方法除去。結構式(A)的引發劑可用於通過用環氧乙烷或氧雜環丁烷封端的方法生產遠螯聚合物。但是，氧雜環丁烷不容易大規模得到，而環氧乙烷由於它的反應性和毒性可能是危險的。M.A.Peters和J.M.Desimone最近的文獻(聚合物製備(Polym.Prepr.)，Am.Chem.Soc.Div.Polym，Chem.1994，35(2)，484)描述了通過用以下結構式的氯矽烷代替環氧乙烷或氧雜環丁烷使單引發的和雙引發的活性陰離子聚合物封端的方法製備單官能團和雙官能團聚合物。在這種方法中，LiCl被除去，被保護的醇基加到聚合物鏈的末端，避免了凝膠的生成。本發明基於這樣一個發現單引發的或雙引發的陰離子聚合物可用具有酸性的烷氧基(作為離去基團)和各種被保護的官能基的甲矽烷基烷氧基化合物有效地封端，生成在各種條件下是穩定的末端被保護的官能基。被保護的官能基優選為縮醛基，但也可為易於轉化成適合於生產粘合劑、密封劑和塗料的反應性更高的末端官能基的任何基團。在英國專利申請書2270317中公開了不飽和單體用單鋰引發劑(如仲-丁基鋰)或雙鋰引發劑(如仲-丁基鋰和間-二異丙烯基苯的二加成物)的陰離子聚合。聚合產生一個或多個末端鋰原子，它們很容易與環氧乙烷或氧雜環丁烷反應，每一分子用一個或多個末端羥基使聚合物封端。末端羥基趨向於在分子之間形成弱的締合；如果這些鏈為單引發的，這一締合沒有不良影響。但是，通過雙引發的聚合物的封端生成的二烷氧化聚合物陰離子生成離子凝膠，它們使加工變得很困難。結構式(B)的被保護的官能封端劑的使用避免了凝膠生成，並避免了用環狀醚封端產生的問題。但是，這種試劑用於低分子量聚合物陰離子封端會生成大量氯化鋰，它又導致一些新的困難。例如，將甲矽烷基醚轉化成醇的優選方法涉及到與含水的甲磺酸的接觸。在這一混合物中高含量滷化物的存在有嚴重的腐蝕問題。還有，聚合物優選用Ni/Al催化劑氫化(下面將詳細說明)，高含量的滷化物會使催化劑中毒。為了使以結構式(B)封端的聚合物氫化，可能需要用含水酸除去LiCl。乾燥步驟也可能是需要的，因為水也使催化劑失活。通過用下述結構式表示的有酸性烷氧基離去基團和穩定的保護基團的甲矽烷基烷氧化物使單引發的或雙引發的聚合物封端而不引入滷化物離子，可獲得通過使用被保護的官能封端劑得到的優點，式中，Y為一被保護的官能團、優選縮醛基，它在聚合步驟中是穩定的，並如下述可轉化成反應性更高的末端官能團；Z為一酸性烷氧基、優選苯氧基或三氟乙氧基。縮醛基優選作為保護基團，因為它很容易引入和移去，並且比結構式(B)的叔丁基二甲基甲矽烷基醚基或結構式(A)的三甲基甲矽烷基醚基有更低的原料費用。式(1)的烷氧基甲矽烷基封端劑通過適合的二甲基矽烷(Z-Si(CH3)2H)用含有被保護的官能團的烯丙基物種(CH2＝CH-CH2-Y)矽氫化來製備。用Pt催化劑進行矽氫化，如由M.A.Peters和J.M.DeSimone描述的方法(聚合物製備(Polym.Prepr.)Am.Chem.Soc.Div.Polym.Chem.，1994，35(2)，484)。聚合物封端後，通過與甲烷磺酸反應除去保護基，如US5391663中公開的。除去保護基的各種方法是已知的；例如可參見T.W.Greene，「有機合成中的保護性基團」，J.WileyandSons，NewYork，1981。優選的方法應易於處理、毒性較低和試劑廉價。在一優選的方法中，通過在0.1～2％(重量)水和5～50％(體積)異丙醇(IPA)存在下，在約50℃下使聚合物溶液與1～10當量(基於縮醛末端基)強有機酸、優選甲磺酸(MSA)反應來除去縮醛基。單引發優選用仲-丁基鋰進行。雙引發優選用仲-丁基鋰和間二異丙烯基苯的二加成物進行，如在英國專利申請書2270317中公開的。聚合優選在20～60℃、更優選在30～40℃下引發。通常將聚合溫度保持在約100℃以下是適宜的；超過100℃，將導致改變微結構並限制封端效率的副反應。聚合可在固含量優選為5～80％、更優選10～40％範圍內進行。對於高固含量聚合來說，優選不斷增加加入的單體，以避免超過所需的聚合溫度。如果引發劑加到全部單體物料中，優選在10～20％固含量之間進行聚合。通過每一鋰中心使用1.05～2當量結構式(1)的封端劑(在雙引發的聚合物的情況下，每鏈有2個鋰中心)在40～80℃下反應至少30分鐘來引入被保護的基團。如果在聚合過程中沒有極性微結構改性劑存在，推薦在這一步驟中加入非反應性配位劑如乙醚或甘醇二甲醚。本發明的聚合物優選含有選自苯乙烯、1，3-丁二烯和異戊二烯的聚合的不飽和單體。當陰離子聚合物含有聚合的1，3-丁二烯時，它含有要用氫化法飽和的殘留不飽和度，共軛二烯烴的陰離子聚合通常用結構改性劑如乙醚或甘醇二甲醚(1，2-二乙氧基乙烷)來控制，得到所需量的1，4-加成。如在美國專利再公開27145中公開的，丁二烯聚合物或共聚物的1，2-加成的量可顯著影響氫化後的彈性。在最終的粘合劑、密封劑或塗料中，氫化的聚合物有高的熱穩定性和耐老化性。有末端官能基的1，3-丁二烯聚合物的1，2-加成影響聚合物的粘度，如下面更詳細描述的。在50℃下，聚合過程中使用6％(體積)乙醚或1000ppm甘醇二甲醚可得到約40％的1，2-加成。通常，如果產物要氫化，那麼這一範圍的乙烯基含量是需要的；而如果聚合物要以其不飽和形式使用，那麼低的乙烯基含量是優選的。用鎳催化劑，在低分子量的丁二烯聚合物中至少90％、優選至少95％的不飽和度被氫化，如在USRe27145、US4970254和US5166277中公開的。優選的鎳催化劑是2-乙基己酸鎳和三乙基鋁的混合物，在實施例中將更詳細地描述。在氫化後優選通過將聚合物溶液與磷酸水溶液(20～30％(重量))一起攪拌的方法來萃取的鎳催化劑，體積比為約0.5份酸的水溶液比1份聚合物溶液，在約50℃下萃取30～60分鐘，同時用氧在氮氣中的混合物攪動。這一步驟也在實施例中更詳細地描述。在去保護過程中，必需有足夠量的IPA存在，以防止生成不連續的水相。然後用稀的鹼水溶液、優選0.1～0.5N氫氧化鈉溶液洗滌，隨後用水洗滌的方法除去過量的酸。對於某些應用來說，例如在強有機酸催化劑存在下通過烘烤固化聚合物和氨基樹脂來製備塗料，可能優選使用被保護形式的聚合物。被保護聚合物的粘度是較低的，在固化過程中，應滿足上述條件，實現去保護作用(產生醇)。如上述製備的共軛二烯聚合物具有製備末端官能化的聚合物的常規應用，例如用於配製粘合劑、塗料和密封劑。另外，聚合物也可用於改性聚氨酯、聚酯、聚醯胺、聚碳酸酯和環氧樹脂。本發明的組合物可含有增塑劑，如橡膠填充增塑劑即配混油，或者有機或無機顏料和染料。在本領域中，橡膠配混油是大家熟悉的，包括高飽和烴含量油和高芳烴含量油。優選的增塑劑是高度飽和油，例如由ARCO公司生產的TUFFLO6056和6204油，以及工藝油，如SHELL公司生產的SHELLFLEX371油。用於本發明組合物中的橡膠配混油的用量可在0～500phr之間變化、優選0～100phr、最優選0～60phr。本發明中任選的組分是穩定劑，它抑制或減慢熱降解、氧化、結皮現象和產生顏色。通常穩定劑加到商業上可購得的化合物中，以便防止聚合物在組合物的製備過程中、使用中和高溫貯存中的熱降解和氧化。在塗料或密封劑配方中，可含有各種類型的填料和顏料。這對於外用塗料或密封劑是特別適用的，填料加到其中不僅是產生所需的外觀，而且也改進塗料或密封劑的性能，如耐老化性。可使用各種填料。適合的填料包括碳酸鈣、白土、滑石、氧化矽、氧化鋅、二氧化鈦等。按配方乾重計，填料的量通常為0至約65％，其用量與所用填料的類型以及塗料或密封劑打算的應用有關。特別優選的填料是二氧化鈦。本發明二羥基化的共軛二烯聚合物也可與其他聚合物共混，以提高它們的抗衝擊強度和/或柔軟性。這樣的聚合物通常是縮合聚合物，包括聚醯胺、聚氨酯、乙烯基醇聚合物、乙烯基酯聚合物、聚碸、聚碳酸酯和聚酯，還包括象聚丙酮，它在分子中有重複的酯鍵；以及象聚芳香羧酸亞烷基酯，包括聚對苯二甲酸烷二醇酯，它有由二元羧酸與二元醇縮聚生成的結構。共混物可在反應器中製得或在隨後配混步驟中製得。本發明優選的方法用下述結構式表示的有縮醛保護基的烷氧基甲矽烷基封端劑使雙引發的1，3-丁二烯聚合物封端；式中，Z為苯氧基或三氟乙氧基。式(2)的烷氧基甲矽烷基封端劑是在酸催化劑存在下，由適合的二甲基矽烷(Z-Si(CH3)2H)與由乙基乙烯基醚和烯丙基醇反應(在酸催化劑存在下)得到的乙烯基縮醛的矽氫化來製備。用Pt催化劑進行矽氧化，如由M.A.Peters和J.M.DeSimone(聚合物製備(Polym.Prepr.)Am.Chem.Soc.Div.Polym.Chem.，1994，35(2)，484)中描述的。聚合物封端後。通過與甲烷磺酸反應來除去保護基，如在US5391663中公開的。優選的方法最終生產峰值分子量為500～200000、最優選500-20000的二羥基化的飽和1，3-丁二烯聚合物。二羥基化聚合物可有5～95％的1，2-加成不飽和度或有30～70％的1，2-加成氫化。聚合物每一分子優選有1.75～2.0、最優選1.95～2.0個末端羥基。優選的方法首先得到在直鏈1，3-丁二烯聚合物兩端有被保護的縮醛官能基的新型中間體聚合物。中間體聚合物可以飽和的或不飽和的形式銷售，用於生產粘合劑、密封劑和塗料，其中或者供應商或者用戶需用將被保護的官能基轉化成羥基。優選的方法包括用仲-丁基鋰和間-二異丙烯基苯的二加成物雙引發，1，3-丁二烯聚合和用有結構式(2)的酸性烷氧基甲矽烷基縮醛封端。反應只形成烷氧基鋰，在活性陰離子聚合物分子兩端，甲矽烷基縮醛保護基代替鋰。本發明的中間體聚合物適用於生產粘合劑(包括壓敏粘合劑、接觸粘合劑、層壓粘合劑和組裝粘合劑)、密封劑(如聚氨酯建築密封劑等)、塗料(如汽車的面漆、金屬的環氧樹脂底漆、聚酯卷材塗料、醇酸樹脂維修用塗料等)、薄膜(如耐熱和耐溶劑的薄膜)、模製和擠塑的熱塑性和熱固性部件(如熱塑性注塑模製聚氨酯輥或反應注塑模製的熱固性汽車擋風板、儀錶板等)。本發明用下述實施例進一步說明，這些實施例包括申請人已知的生產有一個或兩個末端甲矽烷基縮醛基的飽和直鏈聚丁二烯聚合物的最好方式。不打算用這些實施例把本發明限制到具體的實施方案。實施例用已知峰值分子量的聚丁二烯為標樣用凝膠滲透色譜(GPC)測量峰值分子量。GPC分析用溶劑為四氫呋喃。用13CNMR法在氯仿溶液中測量聚丁二烯的1，2-加成。如上所述，三種被保護的官能封端劑乙基(二甲基乙氧基甲矽烷基丙基)甲縮醛(CA1)、乙基(二甲基苯氧基甲矽烷基丙基)甲縮醛(CA2)和乙基(二甲基-3，3，3-三氟乙氧基甲矽烷基丙基)甲縮醛(CA3)通過適合的二甲基矽烷(分別為二甲基乙氧基矽烷、二甲基苯氧基矽烷和二甲基-3，3，3-三氟乙氧基矽烷)的矽氫化的方法來製備。對於這些試劑，反應條件匯於表1。實施例1聚(丁二烯)「單醇」通過用仲-丁基鋰引發的方法來製備，而聚(丁二烯)「二醇」通過用二異丙烯基苯和2當量仲-丁基鋰的反應產物引發的方法來製備。除非另加說明，聚合物實施例1-1至3-2都在環己烷/乙醚(10％)中製備，加入甲醇來終止任何未封端的鏈。對於結構式(2)的烷氧基甲矽烷基縮醛封端劑(即CA1、CA2和CA3)來說，加入封端劑後，聚合物陰離子的特徵黃色顯著褪去。樣品用甲烷磺酸去保護、乾燥(旋轉蒸發儀)，並用GPC、13CNMR和HPLC分析。在去保護以前所取的樣品與濃磷酸接觸，以便在乾燥前除去或中和鋰鹽；除了如下所述的一種情況外，這種處理不會使縮醛基明顯水解。為了簡化分析，用「單引發的」聚合物進行篩選研究，雖然雙引發的聚合物是優選的。結果匯於表3。HPLC不能清楚地分辨縮醛基封端的聚合物和質子封端的聚合物，因此只有NMR數據用來評估去保護前的封端效率。去保護產物的分析結果也匯於表2；13CNMR結果與縮醛基的定量水解結果一致。更高酸性的烷氧基封端劑比乙氧基類似物有更高的反應性，在不加THF或任何其他反應促進劑的情況下有約90％的封端效率。GPC分析表明，小部分聚合物陰離子偶聯(兩倍原有的分子量)。這可能是由於氧偶聯或存在少量有兩個「活性」配體的矽烷雜質；封端劑在沒有進一步純化的情況下加入。這些實施例也表明，這些封端劑在中等溫度下很容易反應。NMR法分析表明，在40℃下封端30分鐘的樣品和加熱到80℃後取樣並在80℃下保持1小時的封端效率沒有明顯差別。實施例2為了評價本發明方法製備二醇的實用性，用苯氧基甲矽烷基縮醛化合物(CA2)在40℃下封端雙引發的丁二烯聚合物(實施例2-1)，而一部分相同的批料與過量的環氧乙烷反應(實施例2-2)。分析結果匯於表3。甲矽烷基縮醛基封端的產物仍為粘稠的液體，而環氧乙烷封端的產物生成凝膠。在去保護後，甲矽烷基縮醛基封端的產物用HPLC和13CNMR分析。NMR分析結果表明，使用苯氧基甲矽烷基縮醛比用環氧乙烷有稍高的封端效率。HPLC色譜分析結果與這一結論一致。環氧乙烷封端的產物含有多得多的未官能化的和單官能化的物質和較少二醇。也觀測到大量暫時稱為「三醇」的物質(由三官能鋰物種引發生成的)。在這一聚合中，相對高含量的單醇和三醇表明，雙引發劑的最佳產率不能達到，但也清楚表明，使用烷氧基甲矽烷基法在不生成凝膠的情況下生成可與用環氧乙烷封端得到的產物相當的產物。實施例3通過用苯氧基甲矽烷基縮醛化合物(CA2)封端單引發的聚合物，隨後用甲醇終止，製得的樣品(3-1)用300ppmAl∶Ni2.5∶1的催化劑氫化，催化劑在3小時內分成3個等份(每份100ppm)加入。約95.6％聚合物雙鍵被氫化。在不加甲醇的情況下取出一樣品(3-2)。令人吃驚的是，通過磷酸中和已使縮醛基水解；在乾燥的樣品中也觀測到異常高含量的懸浮的鹽。靜置時，有大量沉澱(可能是苯氧基鋰)從溶液中沉澱出。將沉澱傾析後，樣品如上述氫化；達到的氫化程度很低，只為約56％。低產率的原因還不清楚，但是可以得到如下結論，優選在氫化前用甲醇終止反應。表1烷氧基甲矽烷基封端反應的條件1.CA在40℃下加入，然後加熱到80℃，保持60分鐘。2.100ppm甘醇二甲醚與CA1一起加入。3.在CA1加入前，加入四氫呋喃一直到5％(體積)。4.在30分鐘內將樣品從40℃加熱到80℃，並保持60分鐘來製備。5.2摩爾仲丁基鋰和1摩爾二異丙烯基苯(DIPB)的反應產物。6.樣品3-2未用甲醇終止。表2用CA1和CA2封端製備的單醇的分析數據(1)除非另加說明，都為去保護後。(2)用13CNMR未測定出縮醛基共振峰，與所有封端的鏈的定量水解一致。(3)相對HPLC和理論值(封端鏈完全轉化)的較低數值可能是由於幹擾共振譜產生的誤差。(4)2～3％兩倍分子量的聚合物(偶聯產物)。(5)氫化的樣品。(6)在分離過程中去保護的樣品，不需要用MSA/IPA處理進行去保護。(7)去保護前的封端效率；氫化遮蔽了仲丁基鋰的共振峰，以致仲丁基鋰C-OH比不能確定。表3用苯氧基甲矽烷基縮醛(CA2)或環氧乙烷(EO)封端製備的二醇的分析數據(1)加入封端劑前分子量為4400(甲醇終止)權利要求1.一種生產官能化聚合物的方法，它包括下述步驟用單鋰或雙鋰引發劑使不飽和單體陰離子聚合；以及加入有以下結構式的烷氧基甲矽烷基化合物使聚合終止式中，Y為被保護的官能基，它可轉化成反應性更高的末端官能基，以及Z為酸性烷氧基；任選隨後將製得的化合物中的烯屬不飽和度選擇性氫化。2.根據權利要求1的方法，其中Y為縮醛基。3.根據權利要求1～2的方法，其中不飽和單體為1，3-丁二烯。4.根據權利要求1～3的方法，其中加入下式的烷氧基甲矽烷基化合物式中，Z為酸性烷氧基。5.根據權利要求1～4的方法，其中用二鋰引發劑在20～60℃下引發聚合步驟。6.根據權利要求1～5的方法，其中Z為苯氧基或三氟乙氧基。7.根據權利要求6的方法，其中Z為苯氧基。8.根據權利要求1～7的方法，其中還包括將官能化的聚合物中殘留不飽和度氫化。9.一種官能化的聚合物，它含有1，3-丁二烯或異戊二烯的飽和的或不飽和的聚合物；以及一個或多個末端甲矽烷基縮醛基。10.根據權利要求9的聚合物，其中甲矽烷基縮醛基有以下結構並且聚合物是飽和的。全文摘要使用有被保護的官能基如縮醛基的烷氧基甲矽烷基化合物作為封端劑來封端陰離子聚合物，生產官能化的聚合物。被保護的官能基在各種條件下都是穩定的，然後很容易轉化成適用生產粘合劑、密封劑和塗料的反應性更高的末端官能基。文檔編號C08F2/38GK1162319SQ95195933公開日1997年10月15日申請日期1995年10月23日優先權日1994年10月27日發明者R·C·比寧格申請人:國際殼牌研究有限公司