本发明具体涉及一种含噁唑烷酮环高聚物的制备方法。
背景技术：
：在电机、电器等设备中，绝缘材料所占的比例很大。同时也是最为薄弱的环节，尤其是在高温的条件下，电气设备更容易老化并损坏。因此，开发耐热等级高的绝缘材料对于促进高效电机的发展具有重要的意义。聚噁唑烷酮树脂是一种新型的绝缘材料，其耐热等级高达180℃。目前文献中报道的制备方法通常是一步法直接合成噁唑烷酮高聚物。然而，由于合成原料中的异氰酸酯基团的活泼性很高，反应速率不易控制，往往需要在大量溶剂的保护下才能得以完成，进而只能获得有溶剂的绝缘漆，对生态环境造成一定的危害。噁唑烷酮环的结构式为：噁唑烷酮环是由含双官能团环氧化合物与二异氰酸酯反应制得，具体的反应方程式如下：异氰酸酯基团(-NCO)是一种高度不饱和的活性基团。环氧树脂与二异氰酸酯若直接采用本体聚合，反应体系将很容易由于反应速率不易控制，反应过程中放出大量的热，而最终导致产物发生凝胶。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种反应可控的含噁唑烷酮环高聚物的制备方法。为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：一种含噁唑烷酮环高聚物的制备方法，包括如下步骤：第一步、将多元醇与二异氰酸酯在有机溶剂的存在下反应制备端异氰酸酯预聚物；第二步、在有机溶剂的存在下，用封闭剂将所述的端异氰酸酯预聚物中剩余的异氰酸酯基团完全封闭制得异氰酸酯封闭物；第三步、将所述的异氰酸酯封闭物和脂肪族环氧树脂在催化剂的存在下进行反应，反应完成后经减压蒸馏获得所述的含噁唑烷酮环高聚物，其中，脂肪族环氧树脂的添加量和第一步剩余的异氰酸酯基团的摩尔比例为1.5～2.5：1。当脂肪族环氧树脂的添加量过高时，将严重影响噁唑烷酮高聚物的耐热性能。本发明中，第一步的反应方程式为：第二步的反应方程式为(以已内酰胺为例)：封闭剂将端异氰酸酯预聚物中剩余的异氰酸酯基团完全封闭，使其在常温下失去反应活性；第三步的反应方程式为(以已内酰胺为例)：异氰酸酯封闭物在高温下发生解封闭反应，重新释放出具有活性的异氰酸酯基团，该异氰酸酯基团在高温下与脂肪族环氧树脂反应。优选地，第一步中的二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯或者甲苯二异氰酸酯。优选地，第一步中的多元醇为聚乙二醇、聚醚多元醇或者三羟甲基丙烷。优选地，第一步中的有机溶剂为醋酸乙酯、甲苯、环已酮中的一种或多种的组合。优选地，第一步中的二异氰酸酯中的异氰酸酯基团和多元醇中的羟基的摩尔比例为3.5～4.5:1，更优选为4：1。优选地，第一步的反应条件是在氮气气氛保护下，温度保持在60～70℃，持续反应4～6小时。优选地，第一步中的有机溶剂的投料质量为所述的二异氰酸酯投料质量的1～2.5倍。优选地，第二步中的封闭剂为甲醇、苯酚、乙基硫醇、甲乙酮肟、亚硫酸氢钠、乙酰丙酮、己内酰胺、丙二酸二乙酯、环己酮肟、N-甲基苯胺、氢氰酸或者萘硫酚。优选地，第二步中的有机溶剂为甲苯或醋酸乙酯。优选地，第二步中的封闭剂与第一步反应后剩余的异氰酸酯基团的摩尔比大于1：1，更优选为1.2:1。优选地，第二步中的有机溶剂的投料质量为所述的封闭剂投料质量的3～6倍。优选地，第二步的反应条件是在氮气气氛保护下，温度保持在50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止。优选地，第三步中的催化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。优选地，所述的催化剂的投料质量为所述的异氰酸酯封闭物和所述的脂肪族环氧树脂总质量的0.1％～0.5％。优选地，第三步的反应条件是在氮气气氛保护下，温度保持在150～160℃，持续反应3～4小时。由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：①本发明采用三步法合成噁唑烷酮聚合物，该方法能够有效的控制反应速率，避免产物由于反应过于剧烈而发生凝胶。②本发明中合成的噁唑烷酮聚合物性能优良、粘度适中、耐温指数较高，对研究H级噁唑烷酮无溶剂绝缘漆具有十分重要的意义。③研究了环氧树脂的添加量对噁唑烷酮高聚物性能的影响，对噁唑烷酮高聚物的合成工艺具有指导意义。附图说明附图1为实施例1合成的合成噁唑烷酮聚合物的红外光谱图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。实施例中的反应条件可以根据具体的要求进行相应的调节，所用的原料都为工业级。实施例1一种含噁唑烷酮环高聚物的制备方法，具体的合成步骤如下：第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯(TDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取116.8g(1.032mol)己内酰胺、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的357.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将433.97g(1.72mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、4.22g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的974.3g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。实施例2第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取143.7g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取89.9g(1.032mol)甲乙酮肟、500g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的401.2g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将433.97g(1.72mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、4.28g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的991.1g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。实施例3第一步、称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中；之后称取12.5g(0.093mol，羟基含量为0.28mol)三羟甲基丙烷(TMP)溶于100g环已酮中，然后将已溶解的三羟甲基丙烷(TMP)缓慢滴加到四口烧瓶中，待滴加完毕后，将反应温度逐步升温至60～70℃，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取89.9g(1.032mol)甲乙酮肟、500g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的412.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将433.97g(1.72mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、4.31g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的1002.4g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。实施例4第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取97.1g(1.032mol)苯酚、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的357.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将433.97g(1.72mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、4.17g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的954.6g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。实施例5第一步、称取143.7g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，之后称取12.5g(0.093mol，羟基含量为0.28mol)三羟甲基丙烷(TMP)溶于100g环已酮中，然后将已溶解的三羟甲基丙烷(TMP)缓慢滴加到四口烧瓶中，待滴加完毕后，将反应温度逐步升温至60～70℃，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取116.8g(1.032mol)己内酰胺、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后之后将第一步制备的456.2g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将433.97g(1.72mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、4.52g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的1073g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。对比例1(一步法合成噁唑烷酮高聚物)称取143.7g(0.57mol)二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、215.7g(0.855mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、200g醋酸乙酯和1.68g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃进行反应。实验结果发现：反应剧烈进行，很快发生凝胶。该实验证明了通过一步法直接合成噁唑烷酮高聚物时，反应速率不易控制，容易发生凝胶导致无法合成出噁唑烷酮高聚物。对比例2(环氧树脂选择粘度大、分子量高的双酚A型环氧树脂)第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯(TDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取116.8g(1.032mol)己内酰胺、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的357.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将390.9g(1.72mol)双酚A型环氧树脂(6101环氧树脂，环氧值为4.4mol/kg)、4.09g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的974.3g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃进行反应。实验结果发现：反应过程中放出大量的热，且产物很快发生凝胶。该实验表明：在合成噁唑烷酮高聚物的过程中，对于环氧树脂的选取也很重要。为了合成低粘度的噁唑烷酮高聚物，应当选取分子量较低、粘度较小的环氧树脂。对比例3(脂肪族环氧树脂的添加量和第一步剩余的异氰酸酯基团的摩尔比例为4：1)第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯(TDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取116.8g(1.032mol)己内酰胺、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的357.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将867.9g(3.44mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、5.53g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的974.3g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。对比例4(脂肪族环氧树脂的添加量和第一步剩余的异氰酸酯基团的摩尔比例为6：1)第一步、称取57.5g(0.14mol，羟基含量为0.28mol)聚乙二醇(PEG-400)、4～6滴磷酸加入到四口烧瓶中，升温至120℃减压蒸馏4～6小时(真空度﹤0.1MPa)，直至聚乙二醇中的水分完全被去除。之后称取100g(0.57mol，异氰酸酯基团的含量为1.14mol)甲苯二异氰酸酯(TDI)、200g醋酸乙酯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中，然后在60～70℃条件下将已脱水后的聚乙二醇缓慢滴加到该烧瓶中，持续反应4～6小时，制备出端异氰酸酯预聚物。反应后剩余的异氰酸酯基团的含量为0.86mol。第二步、称取116.8g(1.032mol)己内酰胺、500g甲苯加入到装有搅拌器、冷凝管、温度计和氮气保护气的四口烧瓶中。之后将第一步制备的357.5g端异氰酸酯预聚物缓慢滴加到该四口烧瓶中，逐步升温至50～70℃，持续反应2～4小时，直至异氰酸酯基团基本完全消失为止，制备出异氰酸酯封闭物。封闭物中的异氰酸酯基团的质量分数采用丙酮﹣二正丁胺滴定法进行定量测量。第三步、将1301.9g(5.16mol)3,4-环氧基环己烷甲酸-3’,4’-环氧基环己烷甲酯(CY-179)、6.83g2-乙基-4-甲基咪唑(EMI)和第二步制备的974.3g异氰酸酯封闭物混合均匀后投入到装有搅拌器、冷凝管和氮气保护气的四口烧瓶中，逐步升温至150～160℃反应3～4小时，制备出含有噁唑烷酮环的高聚物。待反应完成后，采用真空减压蒸馏的方法将有机溶剂从反应体系中蒸出。本发明中合成的噁唑烷酮聚合物的主要性能参数见表1。其中采用旋转黏度计在25℃下测定噁唑烷酮聚合物的粘度；采用热失重法测定噁唑烷酮固化物的耐温指数。噁唑烷酮固化物的制备方法是根据体系中多余的羟基的含量添加相应量的甲基四氢苯酐固化剂(MeTHPA)，混合均匀后将样品置于45mm×45mm×20mm的铝盒中，然后放入烘箱中按100℃固化2小时、160℃固化4小时、200℃固化2小时的程序进行固化。表1性能指标外观粘度(mPa.S)耐温指数(℃)实施例1红棕色粘稠状液体13953196实施例2红棕色粘稠状液体15267207实施例3红棕色粘稠状液体17541195实施例4红棕色粘稠状液体14391198实施例5红棕色粘稠状液体12496203对比例1凝胶--对比例2凝胶--对比例3红棕色粘稠状液体10946163对比例4红棕色粘稠状液体9869145从上述表格中可以得出如下结论：①通过一步法直接合成噁唑烷酮高聚物时，反应速率不易控制，容易发生凝胶导致无法合成出噁唑烷酮高聚物。本发明中采取三步法合成噁唑烷酮高聚物，该合成方法能够有效的控制反应速率。②在合成噁唑烷酮高聚物的过程中，对于环氧树脂的选取也很重要。为了合成低粘度的噁唑烷酮高聚物，应当选取分子量较低、粘度较小的环氧树脂。③当环氧树脂的添加量较大时，虽然能够降低噁唑烷酮高聚物的粘度，但是对噁唑烷酮高聚物的耐温指数也大大降低了。图1为本发明中合成的噁唑烷酮聚合物的红外光谱图。参照图1所示，在波长为1755cm-1和1720cm-1处有强烈的吸收峰，该吸收峰为噁唑烷酮环中酯基的特征峰，说明噁唑烷酮聚合物成功被合成。以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页1 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