第3期 弹性体 1996年第6卷 聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅氧烷 共聚物及其弹性体 ( /I If q 塑 郭哲— 黄桂兰 于宙 ’ , 丁【。; 7> (中国科学院化学研究所.北京100080) (防化研究院分析中心,北京102205) 以苯基三甲氧基硅烷和羟基封端时聚二甲基硅氧烷为原料.在有机溶荆中进行喊嗤 他水解、绾奇反应,形成了蘩二甲基硅氧惋一苯基倍半硅氧烷共聚物.当H:0与 i (OCHD ̄的摩尔比Rwl ̄>i 5时·形成的井聚物发生分层或空联;在0·8<Rw/m<i-5的fl奇 况下,井聚物为一种白色有机硅流体 通过FTIR和lH—NMR光谱研究表明.这种可斑动l的 共聚物是由聚二甲基硅氧烷链陉和具有不完整群形结{訇的苯基倍半硅氧烷链组成的.它能协 在室温下硫化威力学性能优异的有机硅弹性体。 ! 堡堕 装键诃.鹫三!墨苎壁婪墨三!苎登墨堡 苎噩垃富诡硫化!以羟基封端的聚二甲基硅氧烷(107胶) 为基胶,配制单组分或双组分室温硫化 (RTV)硅橡胶时,需要用si 填料增强才有 实用价值,否则硫化胶强度很低。配制过程 涉及填料处理和胶料混练等复杂工艺,混入 填料后的胶料粘度增大、流动性变差,由于填 料和胶的不相容性,硫化胶内部不可避免地 存在徽相分离。这些问题使得RTV硅橡胶 在作为膜材料使用中受到很大限制,于是人 们开始探索RTV硅橡胶新的增强途径和交 联方式。 学性能距实用要求还相差很远J 最近,我们以羟基封端的壤二甲硅氧烷 和苯基三甲氧基硅烷为原料,硅甲苯和甲酵 混合溶剂中进行碱催化水解、矧合反应,形成 了聚二甲基硅氧烷一苯基倍半碓氧烷共聚物 溶胶,该溶胶在催化剂作用下可直接硫化成 弹性体薄膜。将溶胶中的溶剂隶出则得到一 种白色液体共聚物.通过FTIR H—NMR 光谱研究表明.这种可流动的井聚物是由聚 二甲基硅氧烷链段和具有不完整梯形结构的 苯基倍半硅氧烷链段组成的,甘在有机锡催 化剂作用下于室温可以硫化成 学性能优异 MarkⅢ和wi es【 几乎同时把溶胶一 凝胶法用于这一领域,他们将原地填充si 与交联反应融于一步,制备了从透明到不透 明的聚硅氧烷弹性体材料。其方法是以羟基 或烷氧基封端的聚二甲基硅氧烷与四乙氧基 硅烷为原料,在有机溶荆(THF或醇)中进行 酸催化水解、缩合,随着这一过程进展而发生 的有机硅弹性体。本文报导这种共聚物的合 成和表征以及硫化胶的力学性能。 I 1实验部分 1.I原料 溶胶一凝胶化.形成聚二甲基硅氧烷一si 杂化交联网络。这种原地填充Si 的聚硅 氧烷弹性体虽然表现出一些增强效果,但力 羟基封端的聚二甲基硅氧烷从北京化工 二厂购得,苯基三氯硅烷从蚌埠有机硅化工 厂购得.经甲醇醇解得到苯基三帛氧基硅烷, 其它为市售化学试剂。 ·国象白髂科学基盒资助课题 14· 维普资讯 http://www.cqvip.com
1996年第6卷 弹性体 第3期 苯基三甲氧基硅烷的制备: l 缩台反应,文献中H 】基本是报导全水解过 程的,目的是通过水解物进行高温碱重排制 备高分子量的苯基倍半硅氧烷 我们希望对 苯基三甲氧基硅烷进行部分水解缩合,在聚 将重蒸的苯基三氯硅烷423g放入1L 三口烧瓶内.搅拌下滴加无水甲醇202g.产 生的Ha用NaOH水溶液吸收,醇解温度维 持40℃,滴加完毕加热回流1小时,加入甲 醇钠中和至中性,滤出沉淀,滤藏减压蒸馏得 产物376g(130℃/45mm),产率95%。 聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅氧烷共聚 物的合成及其硫化: 合物中保留一些硅甲氧基团,作为室温硫化 过程的反应基团进行交联。因此,控制水与 苯基三甲氧基硅烷的比例Rw/ ̄a(摩尔)是制 备具有流动性的、可室温硫化的共聚物的关 键。实验中发现当Rw/sl≥I.5时,形成的共 这里给出一个基本合成方法,各种条件 实验在此基础上按相应条件制备。在一个 500ml单口烧瓶中加入107胶(分子量为4 万)25g和甲苯125g将胶溶解,搅拌下依次 加入PhSi(OCH3)325g.无水甲醇8.0g,氨水 (浓度25%)3.0g,将瓶口密封先在室温下反 应。当反应溶液变透明后,置于45℃水浴中 继续反应24小时,滤除微量沉淀,用旋转蒸 发器蒸出溶剂,将温度提高到150℃减压除 去小分子,得到白色液体共聚物。共聚物的 硫化如下:取共聚物100份(重量,下同).加 入二丁基--B桂酸锡0.5份, 氨丙基三乙 氧基硅烷0.5份,混匀后铸模.室温下表干时 间约I小时,硫化胶放置I周测试力学性能。 1.2共聚枷及其硫化胶性能的测试 程。 苯基三甲氧基硅烷由于苯基位阻影响, 三个甲氧基的水解速度随水解度增加将依次 合成的共聚物用核磁共振谱和红外光谱 表征, H—NMR谱用Unity 500MHz核磁共 振仪在CDCh中测得,IR谱在Nicolet 5-SX FTIR光谱仪上用KBr液膜法测得,共聚物 粘度用NDJ一1旋转粘度计在25℃测定。碱 化胶的力学性能在xQ一250拉力实验机上 递减。通过适当控制Rw/s,并采用对Siosi 键无重排作用的氨水作催化荆i是可以避免 产生交联或苯基 结构的。实验表明,当 Rw阻:I时水解几乎没有不溶物和 晶体 生成,合成的共聚物的红外光 如图I所示。 图I中各吸收峰(CE-1)的归属如下:SiCH3 (2963,2905。1261,864,801),SiPh(1594, 1430,740,698,499),S 0C (2841,1191), siOSi(1133,1093,1027)。由i图1看出, 测试,拉伸强度和扯断仲长率按GB528—82、 撕裂强度按GB_一530—81测试。 2结果及讨论 2.1共聚枷的合成及结构 SiOCH3的两个特征吸收峰l2841emI1和 1191cmI1清楚地表明共聚物 保留有未被 水解的硅甲氧基团。在3200 3700cmI1和 聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅氧烷共聚 物的合成,是基于苯基三甲氧基硅烷在氨水 作用下部分水解缩合,并与羟基封端的聚二 甲基硅氧烷反应形成的,因此共聚物的结构 基本上取决于苯基三甲氧基硅烷的水解缩合 产物。关于苯基三烷氧基硅烷的碱催化水解 830—950eraI1区域内没有观察到SiOH基吸 收峰,证明缩合反应是比较完垒的。缩合反 应形成的共聚物可以i000一ill00cm-1的 SiOSi强特征吸收峰反映出来,曲比较,我们 将107胶的部分图谱给在图2。l对照图1和 ;‘15‘ { l维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 弹性体 1996年第6卷 图2可以看出,107胶的SiOSi吸收峰具有两 硅氧烷所特有的,而后者的非对称双峰具有 某种梯形结构特缸,此外,图I中l133cm 个对称的最大值分别在1021cmI1和 1094cm_。,而共聚物的SiOSi振动吸收有两 个非对称的最大值分别在1027和 1093cm_。,前者的对称双峰是线型聚二甲基 的吸收峰进一步证明了梯形倍半硅氧烷的存 在㈣,SiPh在499crn 的吸收峰也表明共聚 物中含有环体结构(PhSiO3/2)i成分。 . n =重l i 4000 3540 3o8o 20 2l60 I700 l240 780 320 畦救(c巾。。) 图1 聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅氧烷共聚鞫红外光谱 两种SiOCH3结构单元,而且这两种结构单 元所处的化学环境基本上不变聚合度的影 响。此外,图谱中没有观察 SiOH峰,用 O交换也没有发现任何峰消失或强度减 弱,这与IR的结果一致,说明招合反应是比 较完全的。通过积分得到Oc :Ph=0.63: 1,由于苯基倍半硅氧烷链段 每个Si原子 上只有一个苯基,亦即0(3 :s{:0.63:l,表 示在苯基硅氧烷链段中平均每个Si原子上 保留有0.6个OCH3,同时l也说明PhSi (OC )3的水躺度是2.4。两 SiOCH ̄单 1700 1240 780 3:10 谴致(m’0) 田2曩--9基硅氧烷部分田谱 峰的积分比为1:1.38,表明了苯基硅氧烷链 段中两种舍SiOCH3基团的 构单元之比。 依据上面数据可以推测聚合倒的结构:假如 共聚物的 H~NMR谱如图3所示,各 种基团的质子化学位移(a,ppm)如下:SiCH3 (O.06,s),SiPh(7.25~7.45,7.6o~7、68, PhSi(OCH3)3水解缩合形成线形聚合物或环 体化合物,则OCHdS ̄≥1.0,iSiOCH|基团 b),SiOCH;(3.58,3.6l,s)。图中SiPh的宽 峰表明水解缩合反应形成了聚合物。 SiOCH3出现的两个单峰说明共聚物中舍有 在 H—NMR谱上对于低聚合度线形聚合铭 将显示一个宽峰,对于长链线形和环体聚合 物将显示一个单蜂;假如水解辅合形成规整 梯形聚合物或苯基TE,则0CHdS ̄兰0, i6· 维普资讯 http://www.cqvip.com
i996年第6卷 弹性体 第3期 SiOCH 基团在 H—NMR谱上对于梯形结 子上连接的OCHs数目分别为0或1,与环 构将显一个小的单峰,对于苯基 ,由于它 上硅原子相连的()CH由于环应力的影响, 不舍SiOC 将不出现峰。可见上述结构或 化学位移出现在低场6 3.61,与线形硅原子 这些结构的简单组合都不能与共聚物谱图相 连接的OCH3出现在高场8—3.58,两种 符。结合红外图谱分析,我们认为PhSi si()cH,的化学位移基本与聚合度无关,当二 (OCH3) 水解缩合产物最可能的结构是不 者比倒为SiOCH3 /SiOCHs {1.33:1时, 完整梯形,它由低聚体线形和环体单元缩合 苯基倍半硅氧烷链段的OCH,/ =0.64,基 而成,如图4所示。在这种结构中每个si原 本上与共聚物的 H—NMR图谱吻合。 lO 口 g 7 6 5 4 3 2 t o ppm 图3聚二甲基硅氧垸一苯基倍丰硅氧垸共聚物 H—NMR囝谱 『 『 C0一Sl—O—sj—OC OCH, C0一S|_O—si—OCH, C 1 / 『 J 『 sl---o 。 P h 川一 S i-一 。 H,CO七 i一0-3",CH ̄ l j t%0一。c 0C oc H, 口 环苯基硅氧烷 /\/ 境性苯基硅氧烷 一一_—_. _- 一 图4鼙二甲基建曩垸一荦基倍半建曩婉甚聚翱的结构示意圈 必须指出,在合成反应中并不是所有的 的互溶性,共聚物是相当稳定的j即使长期放 苯基聚合体都参与了共聚合,而是有一部分 置也不分层。在硫化过程中,聚合物中的 赫离存在着,这也是共聚物具有良好流动性 SiOCH ̄通过空气中的湿气进一步水解缩合, 和呈现白色外观的的缘故,由于它们有良好 方面使不完整的梯形倍半硅采烷规整化· ! ‘17‘ !; 维普资讯 http://www.cqvip.com
第3期 弹性体 1996年第6卷 同时沿苯基硅氧烷链段形成集中交联.这两 三烷氧基硅烷和四烷氧基硅烷的酸碱催化水 者的作用恰好是赋予共聚物弹性体优异力学 解缩合反应.在最近的两篇综述文章中作了 性能的原因所在。 详细报遭 ’ ,一般认为酸催此时水解速度 2.2 共聚特的流动性和硫化胶的力学性能 高于缩合速度,缩合形成展开的非致密结构; 普通RTv硅橡胶,不论是单组分还是 而碱催化时水解速度和缩合速度同时加快, 双组分,只有用si 填料增强才具有使用强 缩台形成聚集的致密结构。队增强效果来 度,否则强度很低。加入填料后胶的粘度增 说,碱催化好于酸催化。我们瞧择氨水而不 大、流动性变差,而且由于填料与胶的不相容 用碱性更强的四甲基氢氧化铵作催化剂,是 性.硫化胶不可避免地存在微相分离,这就使 为了避免后者对SiOSi链的重啡作用。Rw/s. RTY硅橡胶在某些场合使用受到限制。我 是影响PhSi(OCH3) 水解度的主要因素.当 们知遭,硅橡胶是一种性能优良的膜分离材 Rw >1.5时,形成的共聚物瞎胶产生分层. 料,由于上述原因RTv硅橡胶难以与硅氢 并在蒸出溶剂中发生交联。对溶胶的上下两 加成型I Tv硅橡胶相比。因此合成自身补 层分别硫化发现,上层形成橡胶弹性体.下层 强、流动性好、室温可硫化的硅橡胶就成了本 形成脆性树脂。共聚物产生 层或交联是我 研究的目标。 们所不希望的,因此没有对R >I.5的情 我们的合成方法为实现上述目标提供了 况作进一步研究。对R <1.5的情况,我 可能,实验表明,采用碱催化水解缩合和适当 们用几个不同比例的Rw/si值进行实验,得到 控制R , 是制备目标共聚物的关键。关于 的结果列在表I。 表1 不同RW,s.值对共辈物和硫化胜性能的影响 井聚物 琉他腹 撕裂强度.kN/m 粘度.Pa.自 表干对问. i 拉伸强度.MP 伸长率.% 0 8 11 180 3.8 250 6 5 0.9 14 90 5.1 430 9 8 1 0 15 加4 8 480 1l 4 1 1 70 i5 3.7 430 10 7 由表1看出,随着Rw/si值增加.共聚物 基倍半硅氧烷.这种结构中含有相当数最的 的粘度增大,硫化速度变快。这是与PhSi SiOCH .硫化时通过进一步稍解缩合.使不 (OCH,),水解缩合度增大、苯基硅氧烷链段 完整的梯形规整化.同时分子问缩台沿苯基 变长或支化度增加、SiOC 含量降低相一致 硅氧烷链段进行,形成链段集中交联.它有利 的。然而,硫化胶力学性能似乎看不出随 于提高橡哥斐的力学性能,这两种因素作用的 R , 值增加出现的规律性变化,对此我们作 结果使硫化胶表现出优异的如学性能。当 如下解释:Rw/sj等于0.8时.由于PhSi Rw/si值继续增加超过I.0时,Ph Si(OCH3), (OCH,)3水解度低.水解停留在线形低聚体 水解缩合逐渐形成规整梯形结构.这种结构 和环体化合物阶段,未能进一步缩台形成苯 的链上没有SiOCH3基团,交联只能靠步最 基倍半硅氧烷链段。硫化时形成的交联网呈 的端基进行,交联密度降低,不能沿苯基硅氧 无序状态,这是导致硫化胶力学性能差的原 烷链段形成集中交联,表现为拉伸强度下降, 因。当Rw/s等于0、9和l、0时,随着PhSi 但由于苯基梯形链段的贡献,仍有较高的伸 (OCH3)3水解度增大.低聚体的线形和环体 长率和撕裂强度。 化合物逐渐缩台.形成不完整梯形结构的苯 在共聚物合成中,影响共聚物流动性和 I8· 维普资讯 http://www.cqvip.com
1996年第6卷 弹性体 第3期 硫化胶力学性能的因素很多,除了Rw/s.之 SIOCH3继续水解缩合.使分子中不完整的梯 外,还有107胶与PhSi(OCH3)3之重量比 形结构规整化,同时分子间缩台形成集中交 Rl07/sj、107胶的分子量(Ml07)、甲苯用量、甲 联的分子链段,这两种作用对弹性体产生明 醇用量、氨水的浓度、反应温度和反应时间 显的增强效果。 等。 参考文献 3结论 [11 Sur.G S.M月rk.J E.Eur Polym.J、1985、21: (1)苯基三甲氧基硅烷和羟基封端的聚 1051 [2]Wilkes,G L.Orler,B.Huang,H H.Pdym Prep.. 二甲基硅氧烷在溶剂中进行碱催化水解缩合 1985,26:300 反应,形成了聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅 (3]sprung,M M.Guenther,F O J P ynl Sci, 氧烷共聚物。当H2与PhSi(OCH3)3之比 1958.28:l7. Rw >1.5时,形成的共聚物发生分层或交 [4]Yam ̄i、N Nakaha ̄.S.Goto.J ̄agawa.F Hi. 联。当0 8<Rw <1.5时,共聚物为一种  ̄zto.A Comtemp"lop Pobma.Sci I984. :105 [51 piano.K.Schubert.U.Chem Matef,1995,7: 白色有机硅流体,它在有机锡作用下于室温 1932 ‘ 能硫化成力学性能优异的有机硅弹性体。 [6].Smith,A L Analysis。【Si【1∞n雌.Wiley.New (2)聚二甲基硅氧烷一苯基倍半硅氧烷 York.1974,277 共聚物的结构已用FTIR和 H—NMR研究 【7】Baney,R.H Itoh.M Sakakibara,^Suzuki.T. 表征,它是由聚二甲基硅氧烷链段和含有 Chem.Rev,1995,95;1409 SiOCH3的不完整梯形结构的苯基倍半硅氧 [8]Sanchez,C.Ribot.F New J Che ̄1.,1994.18: 1(1。7 烷链段组成的。硫化过程中,共聚物内的 POLYDIMETHYLSIL0XAE—PHENYLSILSESQU10XANE COPOLYMER AND ITS ELASTOMER Hu Chunye Guo Zhe (Inst ̄ute of Chemistry Academic Sinica,Beijing 100080) Pan Yong HuangGuilan Yu Zhou (The Research lmtitue of Chemical Defence,BeOing 102205) The base-catalyzed hydrolysis and condensation of phenyhrimethoxysilane in the presence of hydmxy-termlnated polydimethylsiloxane in organic ̄lvents produced a polydimed ̄ylsiloxane- phenylsitse ̄quloxane copolymer.The copolymer leads to CIOSS·linking or phase seper ̄ttion when themolar ratio ofH20to PhSi(OCH3),Rw/s>1.5.Inthe case of 0.8<Rw, <1.5.}he copoly. met is a white silicone fluide.The investigation of the eopolymer structure bv FTIR and H_ NMR spectroscopy showed that it is composed of polydimethylsiloxane and phenylsil ̄esquioxane segments with incomplete 1adder structures.The copolymer can be vulcanized to a siliocne elas. otmer whh good mechanical properties at rGom temperature. Keywords:Phenyltrimethoxysilane;Polydimethylsi1oxane:Copolymer;RTV siliocne rubber
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