Олигоорганококсисилоксаны - модификаторы органических полимеров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.08 ВАК РФ

Карюгин, Михаил Александрович АВТОР
кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ
1993 ГОД ЗАЩИТЫ
   
02.00.08 КОД ВАК РФ
Автореферат по химии на тему «Олигоорганококсисилоксаны - модификаторы органических полимеров»
 
Автореферат диссертации на тему "Олигоорганококсисилоксаны - модификаторы органических полимеров"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

На правах рукописи УДК 547.441

КАРЮГИН Михаил Александрович

ОЛИГООРГАНОАЛКОКСИСИЛОКСАНЫ -МОДИФИКАТОРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ

Специальность 02.00.08 -

элементоорганических соединений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте химии и технологии элементоорганических соединений (ГНИИХТЭОС).

Научный руководитель-доктор технических наук, профессор В.В.Северный

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профе с сор А.А.Жданов

кандидат технических чаук В.Н.Владимирский

Ведущее предприятие ВНИИКП

Защита состоится ^^'^¿¿¿ДЙ^-_5993 г на заседании

Специализированного совета Д 138..:>.01 при ГНИИХТЭОС по адресу: 111123, Москва, шоссе Энтузиастов, 38.

С диссертацией можно ознакомится у ученого секретаря совета. Справки по тнлефону 273-44-82.

Автореферат разослан "_*_1993 г.

Ученый секретарь ^

специализированного совета /Л / '

кандидат химических'наук ^<1 ' Г.Б.Сахаровская

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время функциональные оли-гоорганосилоксаны находят все большее применение в качестве модификаторов различных классов органических полимеров. Это позволяет создать полимеры, обладающие новым комплексом свойств. Однако,широкому развитию этого направления препятствует недостаточный ассортимент функциональных органосилоксанов. Создание новых функциональных органосилоксанов,включающим в свой состав различные типы силоксизвеньев и алкоксильных групп, отличающихся по функциональности молекулярным массам,реакционной способности и совместимости с органическими полимерами является базой для создания новых типов органо - кремнийорганических блоксополимеров, обладающих повышенной термо- и атмосферостойкостью, тропикоустойчивостью, более высокими диэлектрическими свойствами, имеющих повышенную декоративность и способность длительно сохранять ее. Однако, несмотря на обилие литературных данных, результаты систематических исследований по синтезу и свойствам функциональных органосилоксанов, предназначенных для модификации органических пленкооб-разователей, отсутствуют. Поэтому создание широкого ассортимента реакционноспособных силоксановых модификаторов и их использование при получении органокремнийорганических блоксополимеров является актуальной научной и практической задачей.

Цель работы.

1. Синтез и изучение свойств олигоорганоалкоксисилоксанов, получаемых гидролитической этерификацией индивидуальных органо-хлорсиланов (ОХС) или их смесей водными растворами алифатических спиртов.

2. Исследование зависимостей строения и состава ОААС от условий их синтеза, изучение влияния указанных факторов и вида алко-ксильной группы на физико-химические свойства функциональных олигоорганосилоксанов и их реакционную способность.

3. Установление влияния вышеуказанных свойств модификаторов, их количества и условий модифицирования на свойства алкид-носилоксановых смол и полиолефинов, мо^лфицированных полифенилви-нилэтоксисилоксанами.

4-. разработка технологий синтеза кремнийор: анических модификаторов оптимального состава и освоение их в опытном и промышленном производствах.

Научная новизна работы. Впервые получены следующие результаты исследований:

1 . Изучены закономерности синтеза олигоорганоалкоксиси-локсанов (ООЛС) методом гидролитической этерификации ОХС водными растворами алифатических спиртов в зависимости от степени гидролиза, строения используемого в синтезе алифатического спирта, вида и соотношения органических заместителей у атома кремния.

2. Проведено подробное систематическое изучение основных физико-химических свойств новых ООАС. предложены имперические уравнения температурных зависимостей физико-химичесих свойств ООАС и

найдены индивидуальные константы для различных соединений.

23

3. С помощью спектроскопии ПМР и ЯМР Бл., газожидкостной и гельпроникающей хромотографий, термедравиметрнческого анализа установлены изменения строение и состав олигофенилэтоксисилоксан-ов в зависимости от степени гидролиза исходного фенилтрихлорсилана.

4. Выявлены закономерности влияния строения ООАС и их реакционной способности на качество блоксополимеров, получаемых при соконденсации с алкидными полимерами.

5. Изучены процессы, протекающие при модифицировании олифино-вого полимеров (СКЭПТ) оолс, определены свойства полученных орга-носилоксановых блоксополимеров и взаимопроникающих сеток.

Практическая ценность. 1. Разработан ассортимент этоксифунк-циональных олигоорганосилоксанов, предназначенных для модифицирования различных классов органических полимеров: олигофенилэ-токсисилоксаны 113-63, 113-65, олигофенилвинилэтоксисилоксан 115-293, олигофенилдиметилэтоксисилоксан 115-291, олигофенилтри-метилэтоксисилоксан 115-292, олнгофенилэтилтриметилэтоксисилоксан 115-343, олигофенилдифенилэтоксисилоксан 115-363. Разработана технология получения указанных продуктов.

2. На продукты 113-63, 113-65, 115-292, 115-343, 115-363 выпущены полные комплекты техдокументации, на продукт 115-293 разовый технологический регламент и проект ТУ.

3. Разработанные ООАС использованы для модифицирования алкид-ных, полиэфирных, эпоксидных пленкообразующих и полиолефиновых каучуков с получением соответствующих моднфикатов с улучшенными свойствами.

4. На основе полученных блоксополимеров соимеспш с НПО "Спектр и ВНИИКП разработаны новые типы лакокрасочных материалов и кабельном изоляции с улучшенными эксплуатационным!! свойствами и увеличенным ресурсом работ.

Реализация и промышленности. 1. На опытном чаводе ГНИИХТЭОС получены опытные п.н.ши продуктов 1 15-293 , 1 1 5-363.

2. На Усольсм ! но "Хнмпром* освоен выпуск и получены опытно-промышленные партии продуктов 115-292 и I15-343.Пролукы 113-63 113-65 освоены серийно в промышленном масштабе. Их выпуск в 1УУ1 году превысил хоо тонн,а суммарный выпуск - 800(1 тонн

3. На основе разработанных функциональных олш оорганоснлокса-

нов на ташкентском, Загорском и лидском ЛКЗ осуществлен серийный выпуск модифицированных олкидных, полиэфирных и полиакриловых связующих и лакокрасочных материалов на их основе.

личный вклад автора. Непосредственно автором проведены:

1. Синтез и изучение свойств ООАС, представленных в работе, расшифровка и интерпретация данных ПМР, ЯМР и,других физико-химических методов анализа.

2. Разработка технологии получения ООАС в лабораторных условиях и отработка технологии их получения в условиях опытного серийного производства на заводах подотрасли.

3. Синтез некоторых типов органо-силоксановых блоксополимеров, изучение протекающих при этом процессов.

4. Автор принимал участие в составлении технической документации по технологии получения предложенных продуктов.

Спектральный, элементный анализ и ряд физико-химических исследовании синтезированных продуктов выполнены специалистами лабораторий физико-химических и аналитических И9следованнй ГНИИХТЭОС при участии автора.

Разработка методов и технологии модифицирования органических полимеров с использованием синтезированных продуктов выполнены совместно со специалистами НПО "СПЕКТР" и ВНИИКП.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях по свойствам и применению кремний-органических соединений в г. Риге (1986 г.), г. Новочебоксарске (1988 г.), г. Иркутске (1989 г.), г. Ленинграде (1989 г.), а также на совещании на ВДНХ СССР по созданию новых прогрессивных материалов (1985 г.).

Публикация. По результатам работы опубликовано 7 авторских свидетельств и заявок на них, 2 статьи, 19 докладов и тезисов

докладов.

Содержание работы. Работа состоит из 4 глав и содержит 109 страниц машинописного текста, 44 таблицы, 47 иллюстраций, 207 ссылок на литературные источники.

В первой главе представлен литературный обзор по применению органосилоксанов в качестве модификаторов органических полимеров, а также по методам синтеза функциональных органосилоксанов.

Вторая глава посвящена синтезу ООАС методом гидролитической этерификации индивидуальных ОХС и их смесей водными растворами алифатических спиртов, изучению физико-химических свойств полученных продуктов и их температурных зависимостей,изучению состава ООАС в зависимости от степени гидролиза, а также разработке промышленной технологии получения ООАС и ее реализации в производстве .

В третьей главе описаны исследования по модификации алкидных связующих и олефиновых' полимеров полученными ООАС и изучению свойств полученных органо-силоксановах блок-сополимеров.

В четвертой главе приведена экспериментальная часть, включающая методики исследования и экспериментальные данные.

В конце диссертации даны выводы.

В приложении - акты освоения получения ООАС в опытном и промышленном производствах и заключения потребителей.

2. СИНТЕЗ ОЛИГООРГАНОАЛКОКСИ^ИЛОКСАНОВ.

Для изучения влияния вида и строения органической группы ор-ганохлорсиланов (ОХС) на свойства получаемых ООАС в качестве исходных продуктов для синтеза ООАС были использованы метил-(М), этитил-(Э), винил-(В), фенилтрихлорсиланы(Ф), диметил-(ДМ), дифе-

нилдихлорсиланы(ДФ) и триметилхлорсилон(ТМ). В качестве алифатических спиртов использовали метиловый(М), этиловый(Э) и н-бутило-вый(Б) спирты, (далее по тексту индексами, отмеченными в скобках, обозначены силоксизвенья и алкоксигруппы в сокращенном названии соответствующих ооАС).

ООАС получали по реакции гидролитической поликонденсации ОХС недостатком воды в присутствии избытка алифатического спирта, в дальнейшем называемой реакцией гидролитической этерификацией.

Этот процесс достаточно сложен и включает' в себя целый ряд быстро протекающих последовательно-параллельных реакций гидролиза, этерификации, гомо- и гетерофункциональной конденсаций. Отличительной особенностью процесса гидролитической этерификации яв-ляг. гея объединение гидролиза и этерификации ОХС в одну ■ стадию. ■Эти реакции имеют различные скорости и обратимость, поэтому влияние изменения кбнцентрации воды и спирта на свойства конечного ООАС неоднозначно. Изменение количества вводимого спирта не приводит к значительному изменению свойств ОФЭС (рис.1), в то время как незначительные изменения соотношения И20/С6Н531СЬ3приводят к заметному изменению молекулярной массы и содержанию этоксигрупп (рис.2).

ООАС в своем составе содержат различные алкильные радикалы и алкоксильные группы и дисилоксановые группировки. Их вид и соотношения и определяют основные свойства ООАС. При одних и тех же органических радикалах основной характеристикой олигоорганоалкок-сисилоксанов, получаемых гидролитической этерификацией ОХС,является степень гидролиза,которая определяет строение, струкгуру, молекулярную массу олигомеров, а, следовательно, и все их физико-химические свойства (вязкость, плотность, коэффициент преломления И Др.)- Степень гидролиза (Кг) выражает отношение числа функцио-

Кал-ЬоСЛ°.%

б Ой- ■

т

40

30

го

Ю

4.5

г. о

2.5

.3.0

[<РТХС]

Рис. I. Зависисимость молекулярной массы (I) и содержания этоксильных групп (2) ОФЭС ох исходных соотношений мольных концентраций рзНзОК) И ¡ФТХС] при ^0]/ртхД ==1,0-00^51

[ФТХС]

Рис.2. Зависимость молекулярной массы (I) и содержания этоксильных групп (2) ОФЭС от исходных соотношений мольных концентраций воды и ФТХС пр? С2Н5(Ж / ФТХС =г,0-сопз1

нальных групп, превращенных при реакции гидролитической этерифи-кации в силоксановые связи, к общему числу функциональных гидро-лизуемых групп исходных ОХС или их смесей.

кг=

(51-0-311 2

[81-0-5 ху^ + [ 51—ОЯ' ]

Нами получены ООАС на основе различных органотрихлорсиланов с использованием разных алифатических спиртов. Полученные ООАС имели общую формулу: [й 51 Оз-х ((Ж' где й - СН3-, С2Н5-, СН2=СН-, С^Нб" и И' - СН5-, С2н5-, СдНд.

Исследование влияния строения органических радикалов, связанных с атомом кремния, на физико-химические свойства этих соединений показали их зависимость не только от размеров заместителя,но и его электронного строения. При одних и тех же степенях гидролиза у ООЭС с разными 15 в ряду С9Н5-, СН3-, СН,2=СН-, СдН5— возрастают значения кинематической вязкости, плотности, коэффициента преломления. При увеличении длины цепи алкоксильного радикала при одних и тех же значениях Кг абсолютные значения плотности и коэффициента преломления снижаются.

При изучении закономерностей изменения значений величин физико-химических свойств ООАС от температуры было установлено, что температурные зависимости плотностей и коэффициентов преломления всех изучаемых ООАС подчиняются линейным уравнениям

Л= Р20+ А - 2°) (!)

п± = "20 + в (1 - 2°)• (2> в которых для каждого Еида ООАС определены значения коэффициентов

А и В.

Температурные зависимости кинематической вязкости всех полученных ООАС не подчиняются уравнению Арреннуса -Френкеля -Эйринга

- 9 -

^ = в ехр(Е / ЯТ), (3)

то есть энергия активации процесса вязкого течения ООАС сама зависит от температуры. Поэтому для характеристики зависимости вязкости от . температуры пользовались температурным коэффициентом

вязкости (ТКВ), рассчитанным по формуле ткв.

Для ОФЭС, имеющих разную степень гидролиза, температурный коэффициент кинематической вязкости растет с ростом степени гидролиза, а значения В в уравнении (2) с ростом степени гидролиза уменьшается Температурный коэффициент плотности в уравнении (1) для ОФЭС не зависит от степени гидролиза.

При исследовании температурных зависимостей вязкостен ОФДМЭС, ОФТМЭС, ОФДФЭС с разными соотношениями СНд/^Нд и средней функциональностью установлено, что по мере увеличения соотношения (СНз)^/ С2Н5 в ОФДМЭС температурная зависимость вязкости уменьшается. Заменой диметилсилоксизвеньев ча дифенилсилоксизвенья такого эффекта достичь не удается, и ТКВ ОФДФЭС остается на уровне ОФЭС. Введение триметилсилоксигрупп в структуру ОФЭС снижает температурную зависимость вязкости более эффективно, чем введение такого хе мольного количества диметилсилоксигрупп.

3 .ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО СОСТАВА И СТРОЕНИЯ ООАС.

Функциональный анализ ОАОС формулы [1? Од-х (ок' )у 1ц, имеющих различные виды Л, К'и полученных при различных значениях Кр показал. что содержание в них 5л.-ОН-групп не превышает 0,2%. Это позволило предположить, что структурный состав любых ООАС мохет быть описан общей формулой (см. стр.Ю),

а значения а, Ь, с, (1 будут определяться только величиной Кр. эк-

спериментальные исследования, проведенные нами, показали, что \

он*

й-Б!.—ОЯ

\ ок7

обозн. А1

каждая из вышеуказанных группировок имеет специфические сигналы,

23 . _

выделенные нами на спектрах ЯМР 81. Причем замена алкоксильиои

группы в структурной группировке на силоксановую связь сдвигает сигнал в область сильного поля на 7 м.д.независимо от вида К и Я' Увеличение электронноакцепторных' свойств заместителя у атома кремния - К приводит к существенному сдвигу сигналов от соответствующей группировки в область сильного поля. Увеличение длины углеродной цепи в алкоксильной группе -Ой' также приводит к сдвигу сигналов в область сильного поля, но в значительно меньшей степени.

Комплексное изучение строения молекул офэс в зависимости от

29 .

степени гидролиза проводили с помощью спектроскопии ЯМР 81, газожидкостной и гельпроникающей хромотографий.

Найденные закономерности позволили впервые количественно определить содержание вышеприведенных группировок и представить строение молекул ООАС в зависимости от степени гидролиза на примере ОФЭС.

При построении молекул ОФЭС до степени гидролиза Кг=12% в смеси присутствуют лишь не вступивший в реакцию А1 (рис.3) и олигомеры исключительно линейного строения. О преобладании линейных структур олигомеров в полимере можно говорить вплоть до степени гидролиза 40%. При дальнейшем росте К^начинают преобладать циклические , цикло-линейные и разветвленные олигомеры. Разветвление линейных цепей начинается с Кг=12%, когда появляются струк-

Рис.Состав олиго— мергомалогов,опреде-лешшх методом ГЕХ, от степени- гидролиза.

С2Н5

1. CgHsO-Si -О.С2Н5

ОС2Н5

2. С,Н50-Ц,-0^С2Н5

ОСгН^-

3. С^О-Йг-О j-C2Hs

ÖC^Hs

А: СоН?Й-0-

>00 5.

bCjHs

СвНа

f

L 0Q>H5Ji

tCi H5

Рис.3.Зависимость концентрации структурных Группировок,определенных методом спектроскопии ЯМР ,от степени гидро-

Ш1, СвН5 I O,H50-5I- 0С2Н5 ÖC2H5 СбН5

2. CoWbSi -Оад

0С2Н5

CeHj

3. C2H50-fi.-0o?

4.

СБН5 -0oj5i —0o,s OqTS

(CO K,%

турные группировки БЗ. Увеличение содержания линейно-разветвленных олигомеров продолжается вплоть до Кг=30-40%, при которой еще сохраняется много монофункциональных группировок Б1 (40-50%,мол).. При Кр=б5% полностью исчерпывается исходный А1. При Кг =55-65% можно говорить о преобладании разветвленных структур, так как в системе присутствует 40-60% мол. структурных группировок Б2, образующих циклы и в тоже время достаточно группировок Б1 (20-30% мол) и 53 (35-70% мол). При Кг=75% группировки Б1 исчезают (10-0% мол), а, следовательно, образуются преимущественно циклические структуры, при дальнейшем увеличении степени гидролиза свыше 90%, когда резко снижается содержание Б2 и возрастает содержание БЗ, происходит преобразование плоскостных циклов в пространственные циклические фенилсилсесквиоксановые структуры.

Кривая изменения количества фенилтризтоксисилана А1 от степени гидролиза, определенная с помощью ГЖХ (рис.4), хорошо совпадает с

тон же кривой, определенной методом спектроскопии ЯМР Ш ЯДРАХ •

. это совпадение результатов двух независимых физико-химических методов анализа дает основание говорить о высокой степени достоверности сделанных выводов.

Дополнительное подтверждение картины зависимости строения■ ОФЭС от Кгдают данные ГПХ ОФЭС, соответствующих различным значениям гСр(рис. 5). до Кг=60% на гель-хроматограммах видно три четко выраженных пика индивидуальных соединений А1, А2, АЗ, а изменение их интенсивности показывает сначала рост содержания этих продуктов, а затем уменьшение вплоть до исчезновения при Кг=75%.

Выше былс отмечено, что при Кр=75% и соответствующей ей высоких концентрациях звеньев Б2 и БЗ можно предположить, что в полимере преобладают плоскостные циклические структуры, а при Кг>90% происходит их преобразование в пространственные фенилсилсесквиок-

Ai

сановые циклы. На гельхроматограмме ОФЭС с Кр=75% (рис.5) наблюдается появление пика Аб, более заметного при Кр=80% и преобладающего при Кр=92%. Нами установлено, что такой пик характерен для циклических фенилсилсесквиоксанов, что подтверждает приведенные выше предположения.

Наряду со структурным составом, определяющим строения ООАС, важным показателем, характеризующим реакционную способность ООАС при соконденсации их с органическими полимерами, является эффективная функциональность - Фзф , т.е. число алкоксигрупп, приходящихся на одну макромолекулу ООАС. Однако данные па зависимости эффективной функциональности ООАС, сформированных из разных типов органосилоксизвеньев, от степени гидролиза отсутствуют. Нами установлено , что Фэ(римеет сложную зависимость от К^-.она сначала возрастает при увеличении Кр до 75%, а затем падает до О (при Кр =100%). При одних и тех же Кр ОФЭС имеют большие значения чем ОФДФЭС. ОФДМЭС, ОФТМЭС. При этом с уменьшением средней функциональности (f^) силоксизвеньев, т.е. с увеличением количества ди-ыетил-, дифенил- и триметилсилоксизвеньев Ф^падает (рис.6).

Полученные зависимости позволяют выбрать ООАС оптимального строения и реакционной способности для модифицирования органических полимеров с разной реакционной способностью.

Синтезированные ООАС использовали для модифицирования органических полимеров: алкидных пленкообразующих и этиленпропиленового сополимера.

3 •.

2-

40

90

Рис. 6 ..Зависимость эффективно! функциональности олигофенил-триметилэтоксиеилоксанов ЫН ж сиигофенилдаметилэтоксисилок-санов (~е>~) от средней, фушсцишадьности силоксизвеньев Я - уСр=2,667, 2 - =2,333) ш от степени гидролиза.

месяцу»

Рис. 7. Изменение декоративных свойств алкидносилоксановоЗ(2) и чисто алкидной (I) эмалей в период эксплуатации (олеск,- а, 6- выцветание)

4. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ОЛИГООРГАНОАЛКОКСИСИЛОК-САНАМИ АЛКИДНЫХ ПОЛИМЕРОВ И СЕОЙСТВА ПОЛУЧЕННЫХ ААКИДНОСИ-ЛОКСАНОВЫХ БЛОКСОПОЛИМЕРОВ.

Модифицирование алкидных полимеров проводилось соконденсацией

с

их с OOAC при температуре 150-160 с. Алкоксильные группы ооас взаимодействовали с гидроксильными группами органического полимера с образованием Sioc- связи:

-Si-OR + НО-АЛКИД -» -Si-O-С-Алкид + ROH

О процессах, происходящих при соконденсации алкидной смолы и

ООАС типа [CgHjSiO roR') ]„, где R - С<| Н5, Сц Hg можно судить по ин-S

тенсивности и количеству выделяющегося спирта, а также по скорости наростания относительной вязкости реакционной массы в процессе синтеза.

При модифицировании алкидных полимеров ОФЭС процесс соконденсации в сильной степени зависит от степени гидролиза ОФЭС. При степени гидролиза <50% скорость процесса соконденсации очень велика, что приводит к неконтролируемости процесса и желатинизацин реакционной массы. При использовании для модифицирования алкидных полимеров ОФЭС с большими степенями гидролиза (Кг> 83%) процесс соконденсации идет медленно, а нарастание вязкости в технологическом процессе может контролироваться. Однако,с начального момента соконденсации в реакционной массе наблюдается легкое помутнение, перерастающее в конце процесса в заметную опалесценцию. Лаковые пленки таких алкидносилоксановых связующих имеют заметную сорность всей поверхности, обусловленную образовавшимися в массе полимера нефильтрующимися гелевыми частцамн, которые при эксплуатации являются центрами разрушения лаковых пленок.

При соконденсации алкидного полимера с ОФЭС С Кг=70-75% нарастание вязкости происходит более медленно, но в конце синтеза

при достижении нужной степени соконденсации следует появление опалесценции реакционной массы и, как- следствие этого, наблюдается сорность лаковых пленок.

При увеличении длйны углеродной цепи алкоксильного радикала скорость соконденсации заметно снижается, что благоприятно сказывается на технологии ведения процесса и исключает появление геле-вых частиц. Однако, лаковые пленки алкидносилоксановых связующих, полученных с применением ОФБС имели меньшую твердость, чем ал-кидносилоксановые пленки,полученные с использованием ОФЭС с той же степенью гидролиза.

Высокая скорость соконденсации ОФЭС с малыми степенями гидролиза и появление нефильтрующихся гелевых алкидносилоксановых частиц (подтверждением этого является совпадение элементного состава выделенного геля и основного блоксополимера), образующих сор на пленках полученных связующих, связаны с чрезмерной большой реакционной способностью вступающих в реакцию соконденсации исходных алкидных и силоксановых компонентов.

Как показали исследования,реакционная способность ООАС, изученная на примере ООЭС, сформированных из различных типов органо-силоксизвеньев, зависит от величины эффективной функциональности

Нами показано, что совместимость ОФДМЭС и ОФТМЭС с алкидными полимерами при соконденсации зависит от соотношения СН3/С8Н5 -групп в ООАС и не зависит от вида метилсилоксигруппы. Оптимальным является соотношение СН3/СбН5= 1,2-1,5, т.к. дальнейший его рост приводит к ухудшению совместимости.

При использовании для модифицирования алкидного полимера выбранных ООЭС с пониженной Ф^, синтез алкидносилоксановых пленкообразующих проходил спокойно, с контролируемым нарастанием вязкости. Но в отличие от алкидносилоксановых связующих, на основе

офбс, связующие полученные с применением офдмэс, офтыэс, офдфэс имели хорошую твердость (0,45-0,5 по м-3). Применение офтмэс, имеющих.в своем составе триметилсилильные звенья и обладающх специфическими поверхностноактивными свойствами, позволяет получить алкидносилоксановые связующие с твердостью пленки более высокой, чем с использованием офдмэс. Использование офдфэс также повышает твердость алкидносилоксановой пленки по сравнению с твердостью лаковых пленок, полученных на основе связующих с применением офд-мэс, содержащих то хе мольное количество дифункциональных силок-сизвеньев.

Основная ценность лаковых покрытий на основе алкилных полимеров, модифицированных ООЭС, заключается в их более высоких защитных свойствах и способность сохранять длительное время хорошие декоративные,свойства при воздействии атмосферных факторов по сравнению с покрытиями из немодифицированных алкидных связующих (рис.7).

5. МОДИФИЦИРОВАНИЕ ОЛЕФИНОВЫХ ПОЛИМЕРОВ ОЛИГОРГАНОЭ-ТОКСИСИЛОКСАНАМИ.

Модификация полимеров олефинового'типа - тройного этиленпро-

пилен-дивинилового сополимера (СКЭПТ) проводилась путем смешения

их с двумя типами ООЭС:олигофенилзтоксисилоксаном (ОФЭС) и олиго-

фенилвшшлэтокснсилоксаном (ОФВЭС) с последующей вулканизацией о

при ЫХ50 С в присутствии перекиси дикумила.

Структурирующую способность исследуемых ООЭС оценивали по кинетике образования .поперечных связей, определяемых набуханием образцов вулканизатов в растворителях.

При взаимодействии ОФЭС и ОФВЭС с этрленпропиленовым сополи-

мерой в присутствии перекиси скорость образования поперечных связей, а такхе их количество возрастают по сравнению с вулканизата-ми, не содержащими 00ЭС. При этом 0ФВЭС, имеющий винильную группу, связывается с полиолефином в большей степени, чем ОФЭС, не имеющей радикальнореакционноспособных групп.

При увеличении количества ОФВЭС степень сшивания возрастает. Максимальная степень сшивания наблюдается при введении 4-5% мае. ОФЭС, а дальнейшее увеличение количества вводимой добавки не приводит к увеличению количества сшивок в сополимере. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что с увеличением содержания в системе ООЭС облегчается- образование гомополимера.

для выявления особенностей сшивания исследуемых композиций были сняты ИК-спектры смеси СКЭПТ с 5% мае. ОФВЭС и 0,5% перекиси (рис.8, спектр1) и вулканизатов СКЭПТ без ОФВЭС (рис.8 спектр 2) и СКЭПТ с ОФВЭС (ри1..8 спектр 3). Сравнение спектров 1 и 3 показало, что сшивание СКЭПТ происходит с раскрытием двойных связей

ОФВЭС, на что указывает отсутствие на спектре 3 полос поглощения -1

1600, 1620 см

Кроме того, ИКС-исследование позволило обнарухить сильное ан-

тиоксидантное действие ОФВЭС на СКЭПТ. На спектре 2 четко просле-

-L

хивается полоса поглощения при 1720 см отвечающая колебаниям

карбонильных групп, отсутвующая в спектре 1 исходного СКЭПТ. Моха

но полагать, что при нагреве композиции до 150 С в атмосфере воздуха (условия вулканизации) происходит интенсивное окисление концевых органических групп и двойных связей СКЭПТ. В присутствии

-i

ОФВЭС в спектре вулканизатов полосы поглощения при 1720 см нет.

На антиокислительном эффекте ОФВЭС основано длительное сохранение высоких физико-механических свойств вулканизатов СКЭПТ с о

ОФВЭС при 125 С в атмосфере воздуха (рис.9).

1800

НО О

М см"

Рис. В, !*К - спектры ( I-----сырая смесь СКЭПТ, Ъ% ОФВЭС.

2------вулканизат СКЭПТ без ОФВЭС,

3 -- вулканизат СКЭПТ с ОФВЭС).

¿огн., %

30 Время стьренияатк

Рис. 9. Изменениние относительного удлинения (-) и

прочности при растяжении (---) вулканизатов СКЭПТ,не-

модифицированного (I; и модифицированного ОФВЭС (2), в процессе термоокислительного старения при ¿=155°0 «ч лл"'"™-0

Как показали проведенные исследования, при введении в сиесь 2% мае. ооэс резко снижается набухание вулканизатов в воде при повышенных температурах, независимо от строения ООЭС. За с^ет снижения водопоглоиения при использовании ООЭС диэлектрические свойства вулканизатов остаются практически неизменными при увлажнении в течение длительного времени.

Различие в строении ОФЭС и ОФВЭС обуславливает их разное модифицирующее влияние на свойства конечных вулканизатов. Вулкани-заты, модифицированные ОФЭС, содержащие только этоксильные функциональные группы, представляют собой физическую смесь органического и силоксанового компонентов,между которыми отсутствуют химические связи.Такая модификация повышает гидрофобность и диэлектрические свойства вулканизатов без существенного изменения их физико-механических свойств, при использовании ОФВЭС, содержащих этоксильные и вшшльные функциональные группы, под действием инициаторов радикального типа образуются блок-сополимеры с химически связанными полиолнфиновымн и органосилоксановыми фрагментами. Такая модификация, наряду с улучшением гидрофобных и диэлектрических свойств, существенно повышает фиэико-механи" -кие свойства получаемых вулканизатов (табл.).

Таблица

Свойства вулканизатов СКЭПТ, модифицированных ОФЭС и ОФВЭС.

n свойства вулканизатов скэпт Немодифи- Модифицированных п/п цировачных офэс офвэс

Физико-механические свойства

1. Модуль при 100% удленении, МПа 1,5 2,0 4,5

2. предел прочности при растяжении, МПа 6,0 7,5 13,8

3. Относительное удлененне, % 650 500 300

- 22 -

4. Сопротивление раздиру, кН/м 10,5 15,0 24 ,'5

5. , Сопротивление разрастанию

трещин, тыс. циклов 2.5 3,7' 6,1

6. , Набухание в воде через 14

0 суток при 20 С, % мае. 0,233 0,15 0,13

Диэлектрические свойства

7. . Уд. объемное сопротивл. Ом м 0 через 14 суток увлаж.при 70 С 1,7Х10И 1 ,ЗХ107 3,1x10й 2,7Х10Й 4,8X10 5 ,8X101

8. , диэлектрическая прониц. 2,7 2,7 2,6

о через 14 суток увлаж.при 70 С утечка 3,1 3,2

9. , Электрическая прочность, В/м 30,9 30,5 32,9

о через 14 суток увлаж.при 70 С 19,6 26,3 28,9

10. Тангенс угла диэлект. потерь- 0,007 0,005 0,004

0 через 14 суток увлаж.при 70 С утечка 0,018 0,018

6. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ООАС.

Данные, изложенные в предыдущих разделах работы, послужили научными основами для разработки ассортимента ООАС.

В результате этого раздела работы разработаны:

1). Опытная технология продуктов 115-293, 115-363. Выпущены опытные партии.

2). Выпущена полная научно-техническая документация на продукты 115-292, 115-343. Освоена опытно-промышленная технология, получено суммарно 45 тонн продуктов.

3). Освоен выпуск промышленных партий продуктов 113-63 и 113-65 на Успо 'Химпром'.

Для реализации крупнотоннажной модификации органических полимеров в промышленном масштабе разработан и практически осуществлен на Усольском ПО 'Химпром' полунепрерывный процесс получения ООАС.

Технология получения оодс полунепрерывным методом состоит из следующих стадий:

- приготовление водно-спиртового раствора;

- непрерывная гидролитическая этерификация оргачохлорсиланов водным раствором спирта;

- непрерывная отгонка непрореагироьавшего спирта и десорбция хлористого водорода;

- окончательная очистка ООАС-сырца от хлористого 'юдорода;

- фильтрация и розлив готового продукта, окончательная

очистка осуществляется при вакуумной отгонке

предварительно введенного в сырец свежего спирта. Отогнанный спирт возвращается на стадию гидролитической этерификации, таким образом достигается рецикл по спирту. Мощность установки 1000 та/ год.

Результаты работы промышленной установки получения ООАС на УсПО 'Химпром* полностью подтвердили исходные лабораторные данные. Совпадение лабораторных, и промышленных расходных норм по основному сырью показало правильность всех выводов и технологических рекомендаций, сделанных при лабораторной разработке процессов получения ООАС.

выводы

1. Исследован синтез олигоорганоалкоксисилоксанов (ООАС) методом гидролитической этерификации индивидуальных органох"лорсила-нов (ОХС) или их смесей водными растворами алифатических спиртов С1-С4.

2. Впервые синтезированы, исследованы и охарактеризованы более 200 новых ООАС различного строения. Изучены закономерности

изменения физико-химических свойств ООАС в зависимости от состава и функциональности смесей исходных охс, вида применяемых спиртов и степени гидролиза.

3. В результате обработки данных по физико-химическим свойствам ООАС в рядах с различными органическими заместителями предложены эмпирические уравнения для расчета температурных зависимостей плотности и показателя преломления. Установлено, что в каждом ряду ООАС константа уравнения температурной зависимости

плотности не зависит от степени гидролиза исходных ОХС.

29

4. Проведена интерпретация спектров ЯМР 51 ОФЭС. С дополнительным привлечением газожидкостной и гельпроникающей хромотогра-фий изучены и впервые установлены количественные зависимости изменения структурного состава ОФЭС от степени гидролиза ФТХС при их синтезе.

5. Изучена совместимость олигофениметилэтоксисилоксанов с ал-кндными полимерами в зависимости от величины СН3/С6Н5. Определены пределы совместимости. Изучена реакционная способность ООЭС при соконденсации их с алкидными полимерами в зависимости от входящих в состав ООЭС силоксигруппировок, степени гидролиза и числа эток-сильных групп, преходящихся на одну молекулу олигомера. Выбраны виды ООЭС, оптимальные для модификации алкидных связующих.

6. показано, что по комплексу защитнй-декоративных свойств алкидносиликоновые связующие и лако-красочные материалы на их основе существенно превосходят немодифнцированные алкиды.

7. Исследован процесс модификации каучука СКЭПТ ООЭС, содержащими и не содержащими в своем составе винильные группы, показано, что оазличие химического состава указанных модификаторов

обеспечивает принципиальные различия строения получаемых с их использованием вулканизатов и свойств последних. Комплексное улучшение гидрофобности, диэлектрических и физико-механических свойств наблюдается при использовании ОФВЭС, образующего со СКЭПТ при перекисной вулканизации смешанные сетки, и проявляющего в данных системах антиоксидантные свойства.

8. Разработана непрерывная технология получения ООАС. В опытном масштабе отработаны технологии получения продуктов 115-293 (ОФВЭС), 115-363 (ОФДФЭС). В условиях промышленного производства - отработаны параметры непрерывной технологии и получены продукты 115-292 (ОФТМЭС) и 115-343 (ОФЭТМЭС). освоено серийное многотоннажное производство продуктов 113-63, 113-65, суммарный выпуск которых составил более 8000 тн. Экономический эффект от внедрения непрерывной технологии получения ооэс составил 660 тыс. рублей в ценах 1990 года. Совместно с НПО "Спектр" на предприятиях лак расочной промышленности'на основе разработанных продуктов освоен серийный выпуск модифицированных олигоорганоэтоксисилоксанами ал-кидных (ПФ-188), полиэфирных (ПЛ-0213) и полиакриловых (АС—1171) материалов, суммырный выпуск которых составил 50 тн/год; а совместно с НПО "ВНИИКП" разработаны марки кабельных резин ЭПТИ-45, ИА-45, содержащие олигоорганоэтоксисилоксаны, и на предприятиях кабельной промышленности освоено их серийное производство ^ выпуском 20-25 тыс тн/год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Северный В.В., Карюгин М.А., Волкова Р.В. Исследование сос-

тава и строения олигофенилэтоксисилоксанов // Лакокрасочные материалы и их применение,- 1989.- N 3,- с. 61-64.

2. Северный В.В., Карюгин М.А., Кисин A.B., Сокольская И.Б. Анализ структурного состава олигоорганоалкоксисилоксанов с помощью спектроскопии ЯМР Si // Заводская лаборатория,- 1990.- N 6,- С. 41-43.

3. A.C. 1061374 СССР, МКИ С 08 G 77/18. Способ получения ПОЛИ-фенилэтоксисилоксанов / O.A.Музовская, С.А.Деглина, М.А.Карюгин и др.- 4 с.

4.А.с. 1160722 СССР, МКИ С 08 L 23/16. Резиновая смесь на основе непредельного каучука / А.Г.Григорьян, в.Э.Михлин, М.А.Карюгин и др.- 3 с.

5. A.C. 1208788 СССР, МКИ С 08 G 77/20. СПОСОб получения ВИНИЛ-фенилэтоксисилоксанов / О.А.Музовская, С.А.Деглина, м.А.Карюгин и др.- 4 с.

6. A.c. 1549039 TCP, МКИ С 08 G 77/18. Способ получения поли-органоалкоксисилоксанов / В.в северный, А.И.Демченко, М.а.Карюгин и др.- 5 с.

7. A.c. 1549975 СССР, МКИ с 08 L 23/16. Резиновая смесь /в. Э.Михлин, в.А.Байков, М.А.карюгин к др.- 4 с.

8. A.c. 1592316 СССР, МКИ С 08 С 63/9!. Способ получения алкид-ных смол / Л.А.добровинский,В.В.Северный, М.А.Карюгин и др.- 5с.

9. A.c. 1641838 СССР, МКИ С 08 L 23/16. Полимерная композиция / Н.Д.Хеладзе, М.С.Баташвили, М.А.Карюгин.- 3 с.

10. Музовская O.A., Карюгин М.А., Головина И.В. Применение по-лиорганоэтоксисилоксанов для модификации органических смол ;i vi Всесоюз. конф. по химии и применению кремнийорганических соеди-

нений: Тез. докл.-Рига, 1986.

И. Музовская O.A., Михлин В.Э., Карюгин М.Л. , Банков В.А. Исследование свойств винилфенилэтоксисилоксанов и их применение в композициях на основе эластомеров / / У1Всесоюз. конф. по химии и применению кремнийорганических соединений: Тез. докл.-Рига, 1986.

12. Скороходов И.И., Волкова Р. В., Карюгин М.А. и др. Исследование свойств полифенилэтоксисилоксанов методом эксклюзивной хроматографии // Республ. научн.-техн. конф. по хромотографии: Тез. докл.-Устинов, 1986.

13. Северный В.В., Демченко А.И., Карюгин М.А. Применение функциональных органосилоксанов для получения атмосферостойких эмалей / / Всесоюз. конф. по производству кремнийорганических продуктов и применение их для повышения долговечности и качества материалов и изделий народного хозяйства: Тез. докл.-Новочебок-сарск, 1988.

14. Северный В.В. Михлин В.Э., Карюгин М.А. Применение олиго-органоэтоксисилоксанов в качестве модификаторов вулканизатов на основе этиленпропиленового сополимера // Всесоюз. конф. по производству кремнийорганических продуктов и применение их для повышения долговечности и качества материалов и изделий отраслей и.'I род. хоз-ва: тез. докл. -Новочебоксарск, 1988.

15. Карюгин М.А. определение структурного состава фенилэтокси-•шлоксанов с помощью физико-химических методов // Всесоюз. конф. молодых специалистов по современным проблемам органического синтеза: Тез. докл.-Иркутск, 1988.

16. Северный В.В., Брискина O.M., Карюгин М.А. и др. Зависи-

мость физико-механических свойств эмалей на основе алкидносилок-сановых смол от реакционной способности силоксанового компонента // IV Всесоюз. конф. по строению и реакционной способности крем-нийорганических соединений: Тез. докл.-Иркутск, 1989.- С. 258.

17. Демченко А.И., Михлин В.Э., Карюгин М.А. Влияние строения олигоорганоэтоксисилоксанов на свойства модифицированных ими полимеров // vii всесоюз. конф. по химии, технологии, производства и практическому применению кремнийорганических соединений: Тез. докл.-Тбилиси,1990.

18. Цургозен A.A., Добровинский A.A., Карюгин М.А. модификация алкидных пленкообразователей олигоорганосилоксанами // vn Всесоюз. конф. по химии, технологии, производства и практическому применению кремнийорганических соединений: Тез. докл.-Тбилиси,1990.

19. Северный В.В., Демченко А.И., Карюгин М.А. и др. Взаимосвязь строения и реакционной способности олигоорганоэтоксисилоксанов /./4 Всесоюз. конф. по химии и физике олигомеров: Тез. докл.-Черноголовка,1990.- с. 263.