阅读说明：本技术 一种端酚基聚硅氧烷及其制备方法和一种聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物 (Terminal phenol polysiloxane, preparation method thereof and polysiloxane-polycarbonate copolymer ) 是由 张聪颖 曹骏 高源� 杨继朋 刘盼盼 邱化敏 周亚文 王玉彬 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种端酚基聚硅氧烷及其制备方法和一种聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物。包括以下步骤：a)以过渡金属催化剂A催化四甲基二硅氧烷与含有烯丙基的酚类化合物反应制备一端为酚基一端含有硅氢键的酚改性含氢硅烷；b)利用减压精馏分离得到纯度≥99％酚改性含氢硅烷；c)以过渡金属催化剂催化B,将纯净的酚改性含氢硅烷与端基为乙烯基的聚硅氧烷进行硅氢加成反应,得到端基含酚基的聚硅氧烷。所述端酚基聚硅氧烷中游离的含烯丙基的酚化合物含量为100ppm以下,酚基封端率为98％以上,金属铂残余≤5ppm。所述端酚基聚硅氧烷用于制备改性聚碳酸酯,所得聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物聚硅氧烷含量高,耐热及耐黄变性能优异。(The invention discloses a terminal phenol polysiloxane, a preparation method thereof and a polysiloxane-polycarbonate copolymer. The method comprises the following steps: a) catalyzing tetramethyldisiloxane and a phenolic compound containing allyl by using a transition metal catalyst A to react to prepare phenolic modified hydrosilane with one end being a phenolic group and the other end containing a silicon-hydrogen bond; b) phenol modified hydrogen-containing silane with the purity of more than or equal to 99 percent is obtained by vacuum rectification separation; c) catalyzing B by using a transition metal catalyst, and carrying out hydrosilylation reaction on pure phenol modified hydrogen-containing silane and polysiloxane with a vinyl end group to obtain the polysiloxane with the phenolic end group. The content of free allyl-containing phenol compounds in the terminal phenol polysiloxane is less than 100ppm, the phenol-terminated rate is more than 98%, and the residual content of metal platinum is less than or equal to 5 ppm. The terminal phenol polysiloxane is used for preparing modified polycarbonate, and the obtained polysiloxane-polycarbonate copolymer has high polysiloxane content and excellent heat resistance and yellowing resistance.)

一种端酚基聚硅氧烷及其制备方法和一种聚硅氧烷-聚碳酸 酯共聚物

技术领域

本发明涉及一种聚硅氧烷的制备方法，具体涉及一种用于改性聚碳酸酯的聚硅氧烷及其制备方法，还涉及改性聚碳酸酯。

背景技术

聚碳酸酯具有良好的透明性和耐冲击性等机械性能，从而被广泛地应用于汽车、电子、电器等领域。为了改善聚碳酸酯的阻燃性、耐冲击性等性能，已有文献报道了将聚硅氧烷作为共聚单体使用制备聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物。

目前文献报道的聚硅氧烷改性聚碳酸酯的方法分为三步：1、合成端基为硅氢键的聚硅氧烷；2、采用铂催化剂催化硅氢加成合成端基为酚基的聚硅氧烷；3、将端基为酚基的聚硅氧烷作为共聚单体参与改性聚碳酸酯的合成。当前的合成方法存在产物游离酚含量过多，反应体系非均相过程，需铂金催化剂用量大，导致残余铂金催化剂过多，成本高的问题，同时由于高的酚残余与高铂金催化剂用量，导致后续增加分离纯化，来去除过量酚与铂金催化剂，仅一步导致制造过程复杂，且成本升高。同时该问题也将导致聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物容易黄变且分子量偏低。

专利CN104837896报道了一种制备端基为酚基的聚硅氧烷的方法，其采用活性炭过滤器吸附端基为酚基聚硅氧烷中的铂，可以得到铂金含量低于0.9ppm的端基为酚基的聚硅氧烷。但采用专利中的合成工艺制备得到的端基为酚基的聚硅氧烷游离酚含量无法有效降低。

专利CN105121515报道了一种制备端基为酚基的聚硅氧烷的方法，采用100纳米以下平均孔道直径的吸附剂吸附端基为酚基的聚硅氧烷中的铂金，结果显示可以除去产物中95％的铂金。但该方法制备得到的端基为酚基的聚硅氧烷游离酚含量无法有效降低。

专利CN102652149报道了一种降低端基为酚基聚硅氧烷产物中游离酚的方法，其采用0.3mol/L的NaOH溶液洗涤三次后可得到游离酚含量低于100ppm的产物。但该专利增加了工艺复杂性，并且未提及如何降低端基为酚基的聚硅氧烷中的铂含量，导致产物容易发生黄变。

因此，需要提出一种新的制备工艺，以减少产物中游离酚含量及铂金催化剂残余。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种端酚基聚硅氧烷及其制备方法。所述端酚基聚硅氧烷具有低游离酚含量，高封端率和低铂金催化剂残余的优点。还提供一种聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物，聚硅氧烷含量高，耐热及耐黄变性能优异。

为达到以上技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种端酚基聚硅氧烷，其化学结构式如式(I)所示，

其中，R₁表示氢，或总碳数不超过3的烷基或烷氧基，优选氢、甲基、甲氧基、乙基、乙氧基；分子中OH基团与R₁在苯基基团上的任意位置；

R₂、R₃各自独立地表示氢、碳原子数1-6的烃基、三氟丙基、碳原子数6-12的芳基；

n为＞0，优选≥5的整数，更优选为10-500的整数。

本发明所述端酚基聚硅氧烷中，含有游离的含烯丙基的酚类化合物残余含量为100ppm以下，酚基封端率为98％以上，金属铂含量≤5ppm。

本发明所述的端酚基聚硅氧烷的制备方法，包括以下步骤：

a)以过渡金属催化剂A催化四甲基二硅氧烷与含烯丙基的酚类化合物反应制备一端为酚基一端含有硅氢键的酚改性含氢硅烷；

b)利用精馏分离提纯步骤a)所得产物，得到提纯的酚改性含氢硅烷；

c)以过渡金属催化剂B催化，将提纯的酚改性含氢硅烷与端乙烯基聚硅氧烷进行硅氢加成反应，得到端酚基聚硅氧烷。

本发明所述酚改性含氢硅烷，其化学结构式如式(II)所示：

式(II)中，R₁表示氢，或总碳数不超过3的烷基或烷氧基，优选氢、甲基、甲氧基、乙基、乙氧基；分子中OH基团与R₁在苯基基团上的任意位置。

本发明所述端乙烯基聚硅氧烷，其化学结构式如式(III)所示

其中，R₂、R₃各自独立地表示氢、碳原子数1-6的烃基、三氟丙基、碳原子数6-12的芳基；n为＞0，优选≥5的整数，更优选为10-500的整数。

本发明所述步骤a)中四甲基二硅氧烷和含烯丙基的酚类化合物的摩尔比为1:1～5:1，优选2:1～3:1，四甲基二硅氧烷过少则无法高收率的得到一端为酚基一端含有硅氢键的酚改性含氢硅烷，反应结束后，体系含有的四甲基二硅氧烷，通过所述步骤b)精馏分离进行回收，产品通过精馏分离而保证酚改性含氢硅烷的纯度高于99wt％。

本发明所述步骤a)的反应温度为20-150℃，优选地，反应温度为50-90℃，反应温度过高则催化剂可能失活，反应温度过低则反应速度过慢。

作为优选的方案，本发明所述步骤a)中，将四甲基二硅氧烷滴加到含烯丙基的酚类化合物中，滴加完成后，继续反应1-10h，优选2-6h，反应时间过短会造成未反应的含烯丙基的酚类化合物残余过多。

作为优选，本发明所述步骤a)中所述过渡金属催化剂A选自氯铂酸、乙烯基硅氧烷-铂络合物(如四甲基二乙烯基二硅氧烷-铂络合物、四甲基四乙烯基环四硅氧烷-铂络合物)中的一种或多种。以催化剂A中的铂计，过渡金属催化剂用量为1-20ppm，优选地，过渡金属催化剂用量为2-15ppm，基于四甲基二硅氧烷与含烯丙基的酚类化合物的质量和。

作为优选，本发明所述步骤a)中所述含烯丙基的酚类化合物选自2-烯丙基苯酚、4-烯丙基苯酚、丁香酚等中的一种或多种。

本发明所述步骤b)精馏分离的目的在于得到纯净的酚改性含氢硅烷，也可以回收过量的四甲基二硅氧烷。

作为优选，本发明所述步骤b)采用减压精馏。其工艺条件为在绝对压力50Pa～5KPa下，20-30块理论塔板，回流比1:1～1:5，塔顶收集采出馏分，馏分纯度≥99.0％，游离酚含量小于100ppm。

本发明所述步骤c)中，所述酚改性含氢硅烷和端乙烯基聚硅氧烷的摩尔比为1.8:1～2:1，优选2:1，酚改性含氢硅烷过少则无法得到高封端率的端酚基聚硅氧烷，酚改性含氢硅烷过多则导致产物中残余酚改性含氢硅烷较多而后续分离较为困难。

本发明所述步骤c)反应温度为20-150℃，优选地，反应温度为50-90℃，反应温度过高则催化剂可能失活，反应温度过低则反应速度过慢；反应时间为1-10h，优选地，反应时间为2-6h，反应时间过短会造成酚改性含氢硅烷反应不完全。

作为优选，本发明所述步骤c)中所述过渡金属催化剂B选自氯铂酸、乙烯基硅氧烷-铂络合物(如四甲基二乙烯基二硅氧烷-铂络合物、四甲基四乙烯基环四硅氧烷-铂络合物)中的一种或多种。以催化剂中的铂计，过渡金属催化剂用量为0.1-20ppm，优选地，过渡金属催化剂用量为0.5-5ppm，基于酚改性含氢硅烷和端乙烯基聚硅氧烷的质量和。

本发明的方法中，首先制备一端为酚基一端含有硅氢键的酚改性含氢硅烷，经提纯后再与端乙烯基聚硅氧烷进行硅氢加成反应，得到双端酚基聚硅氧烷。这种工艺可以在精馏提纯阶段将酚改性含氢硅烷中游离酚(含烯丙基的酚类化合物)有效分离，得到纯净的酚改性含氢硅烷，再通过与端乙烯基聚硅氧烷加成，得到端酚基聚硅氧烷，避免了传统工艺制备游离酚去除困难的问题，游离酚含量大大降低，游离酚含量可以降至100ppm以下。同时由于为有机硅反应体系，原料相容性好，不存在非均相反应过程，铂金催化剂用量低，反应结束后无需进一步脱除催化剂，产物即可满足聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备需求。

一种聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物，包含以下原料制备：基于二元酚和端酚基聚硅氧烷的质量和，

二元酚质量分数为60wt％～99wt％，优选70％～97％；

端酚基聚硅氧烷质量分数为1wt％～40wt％，优选3wt％～30wt％。

本发明所述的二元酚包括但不限于2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(4-羟基苯基)戊烷、2,2-双(4-羟基苯基)庚烷、对双(4-羟基苯基)环己基甲烷等中的一种或多种。

本发明所述的聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备方法，是本领域技术人员公知的，通常是二元酚与端酚基聚硅氧烷在界面光气法或酯交换法得到，其制备工艺条件为本领域技术人员所熟知。

另外，令人意想不到的是，本发明制备的端酚基聚硅氧烷，在用于制备聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物时，增强了对非有机硅改性的双酚结构单体(例如：2,2-双(4-羟基苯基)丙烷，2,2-双(4-羟基苯基)戊烷，2,2-双(4-羟基苯基)庚烷，对双(4-羟基苯基)环己基甲烷)的相容性，形成的聚碳酸酯共聚物中聚硅氧烷有着较好的共混与分散性，且能实现高达40wt％的聚硅氧烷含量的聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物，推测的原因可能是因为在端酚基团直接相连三个亚甲基基团及临近结构中有Si-O-Si基团与两个亚甲基基团相连

本发明的工艺从根本上解决传统烯丙基酚过量使用，导致残余的游离酚难去除的问题，提高聚碳酸酯共聚物的耐热性及耐黄变性。

本发明的工艺制备的端酚基聚硅氧烷，由酚改性含氢硅烷和端乙烯聚硅氧烷反应得到，其原料相容性好，反应过程不存在非均相反应过程，催化剂用量低，因此最终产物端酚基聚硅氧烷具有低铂金含量和高封端率的特点。

由于本发明工艺制备过程使用低含量的铂金催化剂，最终产物端酚基聚硅氧烷无需进一步纯化处理即可满足聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的生产，对产品性能没有负面影响。

附图说明

图1为实施例4的Ia(NMR ¹H)图谱；

图2为实施例4的Ia(NMR 13C)图谱；

图3为实施例4的Ia(NMR ²⁹Si)图谱。

具体实施方式

本发明可以通过如下的实施例进一步说明，但实施例不是对本发明保护范围的限制。

游离酚的测试方法：采用甲苯为流动相的高效液相色谱(HPLC)进行测定；

酚改性含氢硅烷纯度测试方法：采用氢气为载气，气相色谱(GC)氢离子火焰检测器进行测定。

金属铂的测试方法：采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行测定；

封端率测试方法：采用核磁共振(²⁹Si-NMR)进行测定。

实施例1丁香酚改性含氢硅烷合成

在1L三口烧瓶中加入丁香酚163份(质量份，下同)和卡斯特(四甲基二乙烯基二硅氧烷-铂络合物)催化剂(按铂计为丁香酚和四甲基二硅氧烷总量的1ppm)，升温至150℃，缓慢滴加四甲基二硅氧烷134份，滴加完成后继续反应1h。反应完成后使用减压精馏，30块理论塔板，回流比1:1，提取压力为50Pa下163-169℃的馏分，得到丁香酚改性含氢硅烷(IIa)，纯度99.2％。

实施例2 4-烯丙基酚改性含氢硅烷合成

在1L三口烧瓶中加入4-烯丙基酚134份(质量份，下同)和氯铂酸催化剂(按铂计为4-烯丙基酚和四甲基二硅氧烷总量的20ppm)，在20℃下，缓慢滴加四甲基二硅氧烷670份，滴加完成后继续反应10h。反应完成后使用减压精馏，20块理论塔板，回流比1:5，提取压力为60Pa下156-162℃的馏分，得到4-烯丙基酚改性含氢硅烷(IIb)，纯度99.5％。

实施例3丁香酚改性含氢硅烷合成

在1L三口烧瓶中加入丁香酚164份(质量份，下同)和卡斯特(四甲基二乙烯基二硅氧烷-铂络合物)催化剂(按铂计为丁香酚和四甲基二硅氧烷总量的5ppm)，升温至70℃，缓慢滴加四甲基二硅氧烷402份，滴加完成后继续反应4h。反应完成后使用减压精馏，25块理论塔板，回流比1:3，提取压力为100Pa下185-191℃的馏分，得到丁香酚改性含氢硅烷(IIc)，纯度99.3％。

实施例4双端丁香酚改性聚硅氧烷合成

在1L三口烧瓶中加入丁香酚改性含氢硅烷(IIa)60份(质量份，下同)和双端乙烯基聚硅氧烷(IIIa)(n＝35，分子量约2800)280份，卡斯特催化剂(按铂计为IIa和IIIa总量的5ppm)，反应温度20℃，反应10h。反应完成后得到双端丁香酚改性聚硅氧烷(Ia)，所得产物(Ia)经测定，其游离酚含量为10ppm，金属铂含量5ppm，酚基封端率为99％。，无需进一步处理即可用于聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备。

实施例5双端烯丙基酚改性聚硅氧烷合成

在1L三口烧瓶中加入4-烯丙基酚改性含氢硅烷(IIb)25份(质量份，下同)和双端乙烯基聚硅氧烷(IIIb)(n＝100,，分子量约7600)380份，氯铂酸催化剂(按铂计为IIb和IIIb总量的0.1ppm)，升温至150℃，反应1h。反应完成后得到双端烯丙基酚改性聚硅氧烷(Ib)，所得产物(Ib)经测定，其游离酚含量为＜1ppm，金属铂含量0.1ppm，酚基封端率为98.4％，无需进一步处理即可用于聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备无需进一步处理即可用于聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备。

实施例6双端丁香酚改性聚硅氧烷合成

在1L三口烧瓶中加入丁香酚改性含氢硅烷(IIc)60份(质量份，下同)和双端乙烯基苯基聚硅氧烷(IIIc)(n＝5，分子量约900)90份，卡斯特催化剂(按铂计为IIc和IIIc总量的3ppm)，反应温度70℃，反应4h。反应完成后得到双端丁香酚改性聚硅氧烷(Ic)，所得产物(Ic)经测定，其游离酚含量为15ppm，金属铂含量3ppm，酚基封端率为99％。，无需进一步处理即可用于聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物的制备。

实施例7 25wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

使用Ia为有机硅氧烷供体，用量为共聚物25％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，采用专利CN102652149A中PC-PDMS共聚物(PC-1)的制造例1方法得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-1，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为25％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为23000。根据ASTMD1148-2007耐黄变性能测试方法，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-1黄变度为0.5。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为3.4％。

实施例8 1wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

使用Ib为有机硅氧烷供体，用量为共聚物1％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，采用实施例7的制备方法得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-2，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为1％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为32000。根据ASTM D1148-2007耐黄变性能测试方法，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-2黄变度为1.3。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为5.4％。

实施例9 40wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

使用Ic为有机硅氧烷供体，用量为共聚物40％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，采用实施例7的制备方法得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-3，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为40％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为16000。根据ASTM D1148-2007耐黄变性能测试方法，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-3黄变度为0.1。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为1.2％。

对比例1 40wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

采用CN102652149A的合成例6的2-烯丙基苯酚改性的有机硅氧烷PDMS-6(n＝90，游离酚为15300ppm)，用量为共聚物40％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，由于共聚过程PDMS-6与双酚A快速分相，相容性差，而无法得到均一组成的40wt％含量有机硅氧烷聚碳酸酯共聚物。

对比例2低游离酚40wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

采用对比例1的2-烯丙基苯酚改性的有机硅氧烷PDMS-6(n＝90，游离酚为15300ppm)，经过降膜蒸发器，脱除其中的游离酚，得到PDMS-2(游离酚为97ppm)，用量为共聚物40％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，其结果与对比例1相同，在反应过程快速分相，而无法得到均一组成的40wt％含量有机硅氧烷聚碳酸酯共聚物。因此，游离酚并不是影响高有机硅氧烷含量(≥40wt％)聚碳酸酯共聚物的决定性因素。

对比例3 25wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

采用CN102652149A合成例6的2-烯丙基苯酚改性的有机硅氧烷PDMS-6(n＝90，游离酚为15300ppm)，用量为共聚物25％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-4，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为25％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为13500。根据ASTM D1148-2007耐黄变性能测试方法，采用紫外荧光，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-4黄变度为3.2。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为5.6％。

通过对比例3可以看到，当有大量游离酚存在时，聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的耐黄变性与耐热性明显降低。

对比例4高游离酚25wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

与实施例7相同，使用Ia为有机硅氧烷供体，人为添加丁香酚，使其含有1000ppm的游离酚，用量为共聚物25％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，采用专利CN102652149A中PC-PDMS共聚物(PC-1)的制造例1方法得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-5，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为25％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为17000。根据ASTM D1148-2007耐黄变性能测试方法，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-5黄变度为2.6。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为3.5％。通过对比例4可以看到，当有1000ppm游离酚存在时，聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的耐黄变性明显降低。

对比例5高Pt残余25wt％聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的合成

与实施例7相同，使用Ia为有机硅氧烷供体，人为添加卡斯特催化剂(四甲基二乙烯基二硅氧烷-Pt络合物)，使其Pt残余为50ppm，用量为共聚物25％(以质量计)，与2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)进行共聚，采用专利CN102652149A中PC-PDMS共聚物(PC-1)的制造例1方法得到聚硅氧烷-聚碳酸酯共聚物PC-6，经NMR结构表征，在共聚物中有机硅氧烷质量分数为25％，与设计值一致，采用ISO1628-4(1999)测试方法，得到粘均分子量为21500。根据ASTM D1148-2007耐黄变性能测试方法，试样先放置于紫外老化箱(高铁仪器GT-7035)中室温老化8小时，PC-6黄变度为2.7。耐热性测试在250℃烘箱中烘烤8h，热失重为3.6％。通过对比例5可以看到，当有大量Pt残余存在时，聚碳酸酯聚有机硅氧烷共聚物的耐黄变性明显降低，耐热性略有降低。