高纯度有机硅环氧双封头的合成及其应用

高纯度有机硅环氧双封头的合成及其应用

洪佳丽1，王浩仁1，闵玉勤1，姜 希1，2，张兴宏3

（1.杭州龙勤新材料科技有限公司，浙江 杭州 311121；2.常州广华化工新材料有限公司，江苏 常州 213022；3.浙江大学高分子科学与工程学系，浙江 杭州 310027）

由烯丙基缩水甘油醚与四甲基二氢二硅氧烷硅氢加成制得高纯度的1，3-双（3-缩水甘油醚氧基丙基）四甲基二硅氧烷（BGPTD）。采用1H NMR、FT-IR表征了其化学结构，GC测得产品中α-加成产物含量达98.5%以上。评价了该产品在环氧浇注树脂方面的应用特点。

有机硅；环氧双封头；浇注树脂；织物整理剂

环氧树脂因电气绝缘性能优异而被广泛应用于电子电器的绝缘材料，如电子封装料、浇注漆和层压板等。与其他类浇注树脂如不饱和聚酯等相比，环氧基浇注树脂不含苯乙烯类稀释剂[1]，因而挥发性较低，气味小，对人体及环境的污染小。但环氧树脂黏度较大，施工不方便，其固化后交联密度高，存在内应力大、质脆，耐冲击性、耐开裂性和耐疲劳性差等缺点，制约了其在一些高技术领域的应用。有机硅树脂具有优良的耐高低温特性、电气绝缘性、耐老化和低表面张力等独特性能，但存在粘接强度低、力学性能差和成本高等不足。将环氧官能团和有机硅树脂骨架连接起来的有机硅环氧树脂综合了2者的优势，兼具了有机硅树脂良好的热稳定性、耐候性、低表面能、介电性能、环氧树脂的优异力学性能和粘接强度等优点。因而可广泛应用于涂料、粘合剂、复合材料树脂基体和电子封装材料等[2～4]。

已报道的有机硅环氧树脂的合成方法主要有：硅树脂、环氧树脂共聚法[5]，水解缩合法[6]，硅氢加成法[7]。采用硅树脂和环氧树脂共聚法制备的树脂，由于含有Si-O-C键，耐水解性差，在高温、酸和碱环境下均易断裂生成硅醇[8]；水解缩合法是用含环氧基的硅烷偶联剂，在酸或碱催化下Si-OR基团经水解和缩合制备得到聚合物，通过调节反应程度来调控分子结构及分子质量[8]。硅氢加成法是用含Si-H键的含氢硅油或硅烷与含双键的环氧化合物在催化作用下加成，生成Si-C键相连的化合物。如烯丙基缩水甘油醚与四甲基二氢二硅氧烷加成反应制备1，3-双（3-缩水甘油醚氧基丙基）四甲基二硅氧烷（以下简称环氧双封头）。在上述加成反应中，因烯丙基缩水甘油醚为端环氧单体，在加成时存在α-和β-2种加成模式，因此可能生成3种同分异构体。目前已有含量约15%左右β-加成产品，导致后续反应控制不佳。同时，催化剂残留量较大，产物呈黄色或淡黄色，不适用于电子电器材料。本文报道了一种高纯环氧双封头的制备、结构表征及其应用评价。

1 实验部分

1.1 试剂及测试仪器

四甲基二氢二硅氧烷，97%，国药集团化学试剂有限公司；烯丙基缩水甘油醚，99%（GC），国药集团化学试剂有限公司；氯铂酸，工业品，兰州金川贵金属材料股份有限公司；双酚A型环氧树脂（DER 332），工业品，美国DOW化学公司；甲基六氢邻苯二甲酸酐（MHHPA），工业级，无锡市明日化工有限公司；乙酰丙酮铝，阿拉丁化学试剂。

气相色谱采用岛津2014气相色谱仪（岛津，日本）测试；红外光谱采用Vector 22型傅里叶红外光谱分析仪（BRUKER CO.，德国）测试，KBr压片涂膜法；核磁氢谱（1H NMR） ， Bruker Advance DMX， 400 MHz，TMS内标，氘代氯仿为溶剂。

1.2 环氧双封头的制备[9]

在装有温度计、冷凝器、恒压滴加漏斗和磁力搅拌的250 mL三口烧瓶中加入59.28 g（0.52 mol）烯丙基缩水甘油醚和50 mL甲苯，搅拌均匀后，加入3滴自制的10%氯铂酸异丙醇溶液，缓慢加热至90 ℃，在1 h内滴加33.55 g（0.25 mol）的四甲基二氢二硅氧烷，于100 ℃反应2 h。反应完毕后，减压（0.1 mmHg）除去溶剂和未反应物，得到86 g无色透明液体，产率为95%。

1.3 试样制备

将潜伏性固化促进剂乙酰丙酮铝、DER 332和上述合成的环氧双封头依次加入到三口烧瓶中，在80 ℃加热搅拌溶解，同时抽真空脱气，冷却至40 ℃，加入酸酐MHHPA后搅拌10 min，脱气，再冷却至室温得到无色透明的环氧浇注树脂。将制备的环氧浇注树脂倒入预热好的不锈钢模具中，在135 ℃预固化3 h，然后在160 ℃固化14 h。冷却至室温后，将样条或样片取出进行性能表征、测试。

1.4 环氧浇注树脂固化物的性能评价方法

环氧酸酐树脂的黏度采用涂4杯法于25℃环境温度测定；树脂的贮存稳定性采用闭口法在（50±1）℃保持96 h后，采用涂4杯法测定黏度，计算黏度相对于原样品增长的倍数；冲击和拉伸强度参照GB/T 2567—2008进行测试，分别由摆锤式悬梁冲击试验机和万能材料试验机测试（深圳市瑞格尔仪器有限公司）；体积电阻根据GB/T1410—2006测试，样品为直径50 mm，厚度5 mm的圆片（K-D1410固体绝缘材料体积电阻测试仪，苏州凯特尔仪器设备有限公司）；介质损耗因数按ASTM D 150—2004，采用西林电桥（2821型，TETTEX AG Instrument，Switzerland）进行测试，测试频率为50 Hz，测试温度为室温-155 ℃，试样直径为100 mm，厚度1 mm；漏电起痕指数采用平板式耐漏电起痕指数测试仪测试（YDF-HU型，桂林市漓源电子仪器有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 环氧双封头的合成与结构表征

采用自制的氯铂酸络合催化剂催化四甲基二硅氧烷与烯丙基缩水甘油醚硅氢加成反应制备环氧双封头。因基团的立体位阻效应，该反应以α-加成为主（图1）。为跟踪反应过程中2种加成产物的含量，在反应后立即采用气相色谱（GC）分析粗产物中α-加成产物和β-加成产物的比例，结果如图1所示。在保留时间12.340 min和13.023 min处的产物分别为β-加成产物和α-加成产物，相应的归一化峰面积为1.4971%和97.0957%。可见α-加成产物含量达98.5%（图1A），而对比产品中的α-加成产物含量仅达84.5%（图1B）。可见本文制备方法显著提高了α-加成产物的收率。

图1 环氧双封头的气相色谱图Fig.1 Gas chro matography of BGPTD

将粗产物经过硅藻土过滤后，得到无色产物。采用FT-IR和1H NMR表征了产物的结构，如图2、图3所示。图2是环氧双封头的FIIR谱图，其中2 945 cm-1处为Si-CH键的甲基

3伸缩振动峰，2 870 cm-1处为Si-CH上的碳氢

3 6伸缩振动峰；1 412 cm-1、 1 336 cm-1处分别为Si-C3H6、 Si-CH3上 的 碳 氢 弯 曲 振 动 峰 ，1 252 cm-1、795 cm-1处为Si-C键的伸缩振动峰和弯曲振动峰，1 160～1 182 cm-1处为醚键C-OC的伸缩振动峰，1 059～1 109 cm-1区域较宽的吸收峰是Si-O-Si的伸缩振动峰，910 cm-1处为环氧环的不对称伸缩振动峰，845 cm-1处为环氧环的伸缩振动峰。可见产物中所有特征吸收峰符合目标产物结构。

图3是所制备的环氧双封头的1H NMR谱图。化学位移δ在0.05～0.08处对应的是与Si相连的甲基（g，6H）上的质子峰，δ在0.42～0.55处的质子对应的是与Si相连的亚甲基（f，2H）的质子峰，δ在1.42～1.70处对应的是亚甲基（e，2H）的质子峰，其他各个峰的化学位移及其归属见图中标示，且相应峰的积分面积比与产物中的质子数目比相符，尤其质子e和f的比例为2.03：2.09，证实产物基本为α-加成产物。核磁谱图表明采用自制的催化剂合成，得到了高纯度的α-加成产物。

图2 环氧双封头的红外谱图Fig.2 IR spectrum of BGPTD（KBr盐片涂膜法）

2.2 环氧双封头应用于单组分环氧浇注料

2.2.1 添加量对浇注树脂黏度和贮存稳定性的影响

将环氧双封头加入至由双酚A型环氧树脂（DER 332）和甲基六氢酸酐（MHHPA）构成的浇注料中作为活性稀释剂，再加入0.5 %乙酰丙酮铝作为固化促进剂，构成单组分环氧酸酐浇注树脂。由图4可见，环氧双封头能显著降低浇注树脂的黏度，其添加量为20%时，树脂的黏度由初始的87 s降至48 s（25 ℃）。低黏度浇注树脂有利于消除固化过程中产生的小气泡，提高制品的电气绝缘性能。

图5是环氧双封头添加量与单组分浇注树脂贮存稳定性的快速评价结果。快速评价的方法是将单组分浇注树脂置于闭口容器中，于（60±2）℃贮存96 h后的黏度增加情况。黏度增加很小，表明体系有较长的贮存期。随环氧双封头添加量的增加，浇注树脂的黏度增长倍数呈减小的趋势。环氧双封头的添加量为20%时，体系黏度的增长倍数从初始的0.42倍降至0.34倍，表明本文制备的环氧双封头中杂质含量低，对环氧浇注树脂的贮存稳定性影响很小。

图4 环氧双封头添加量对环氧酸酐漆黏度的影响Fig.4 Effect of BGPTD loading on viscosity of epoxy/anhydride system（涂4杯，25 ℃）

图5 环氧双封头添加量对环氧体系储存稳定性的影响Fig.5 Effect of BGPTD loading on storage stability of epoxy/anhydride system（60±2 ℃闭口容器储存96 h）

2.2.2 添加量对环氧浇注树脂力学性能的影响

表1列出了不同环氧双封头用量固化物的冲击强度、拉伸强度和拉伸模量。随着环氧双封头用量的增加，固化物的耐冲击强度增大，拉伸强度略有增大，在15%添加量时性能最佳。这是因为环氧双封头含有柔韧性的-Si-O-Si-链节，在冲击时可吸收能量，起到增韧效果。同理当双封头用量较多时，固化物的拉伸模量略有降低。因此引入10%～15%的环氧双封头可获得力学性能佳的环氧浇注树脂。

表1 环氧/酸酐固化物的力学性能Tab.1 Mechanical properties of cured epoxy/anhydride system

2.2.3 添加量对浇注漆电性能的影响

不同环氧双封头添加量的环氧固化物电学性能列于表2。可见引入环氧双封头的浇注树脂有利于提高制品的电绝缘性。当环氧双封头添加量达20%时，常态介电强度从初始的25 MV提高至30 MV，常态体积电阻从初始的2.3×1013Ω ·m提高 至9.5×1013Ω·m，常态下的介质损耗因素从初始的0.9%下降至0.4%，耐漏电起痕指数CTI从初始的550 V提高至600 V以上。这是因为环氧双封头作为双环氧官能团的活性稀释剂，通过环氧基的固化反应将-Si-O-Si-结构引入至固化网络中，有效发挥了有机硅结构的电绝缘性能。

3 结论

表2 环氧/酸酐固化物的主要电学性能Tab.2 Electric properties of cured epoxy/anhydride system

本文改进了四甲基二氢二硅氧烷与烯丙基缩水甘油醚的硅氢加成催化反应工艺，得到了α-加成产物含量达98%以上高纯环氧双封头1，3-双（3-缩水甘油醚氧基丙基）四甲基二硅氧烷。环氧双封头作为活性稀释剂在环氧浇注材料中的应用，取得了优异的效果。

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Synthesis and application of 1,3-Bis(3-glycidoxy propyl)-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane with high-purity

HONG Jia-li1, WANG Hao-ren1, MIN Yu-qin1, JIANG Xi1,2, ZHANG Xing-hong3

(1.Hangzhou LongQin Advanced Material Technology Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 311121, China; 2.Changzhou Guanghua Advanced Chemical Materials Co., Ltd., Changzhou, Jiangsu 213022, China; 3.Department of Polymer Science and Engineering,Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027, China)

The 1,3-bis(3-glycidoxypropyl)-1,1,3,3-tetramethyl disiloxanel(BGPTD) with high purity was synthesized through the hydrosilylation reaction by using a coordinated catalyst. The chemical structure and the purity of the resulting BGPTD were characterized by1H NMR spectroscopy (1H NMR), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and gas chromatography (GC). The resulting BGPTD contained α-addition product content of more than 98.5%. We also evaluated the application of highly pure BGPTD in the epoxy casting resins.

silicone; bis(glycidoxy-terminal); casting resin; textile finishing agent

TQ433.4+3

A

1001-5922（2016）01-0031-05

2015-11-09

洪佳丽（1989-），女，硕士。主要从事3D打印耗材研究。E-mail：21129024@zju.edu.cn。

张兴宏（1977-），男，博士，副教授。E-mail：xhzhang@zju.edu.cn。