- 改性有机硅选择性合成方法的开发
- 实现同时具有高伸长性能和模量性能的橡胶材料的生产
- 有助于提高弹性粘合剂和密封剂的功能性和耐用性
通过甲硅烷基化催化剂的开发，为高性能粘合剂的开发做出贡献
米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）催化剂化学跨学科研究中心 Yoshihiro Shimoyama 研究员、Tomoki Nagakawa 高级研究员、Yumiko Nakajima 特定研究员与 AGC Corporation（以下简称“AGC”）合作，功能强大弹性粘合剂的原材料。用这种材料制成的粘合剂可以通过膨胀和收缩来吸收强外力引起的振动能量。
弹性粘合剂具有抗振动性，因此可用于粘合建筑和车辆部件。这个原料改性有机硅聚合物位于聚合物结构的末端甲硅烷基与水反应形成交联产物，产生弹性橡胶状固化产物。然而，目前使用的改性有机硅聚合物中，末端结构的甲硅烷基化率低于85%。这是固化物的交联结构产生很多缺陷的原因，也是导致固化物被拉扯时返回的力。模数导致性能下降。
现在，我们开发了一种使用新开发的铂催化剂生产末端结构甲硅烷基化率超过95%的改性有机硅聚合物的方法。使用该方法合成的固化产物的交联结构缺陷较少，并且与使用常规催化剂合成的固化产物相比，在拉伸50%时模量性能提高了30%。该结果证明，使用所开发的铂催化剂合成的固化产物即使在受到强烈振动时也能保持其形状而不破裂，并且表现出高膨胀和收缩耐久性。
所开展的反应可以将催化剂的用量减少至原料的5 ppm。此外，我们能够在实验室规模上制造改性有机硅聚合物，并发现了大规模生产用于实际应用的可能性。采用新技术生产的改性有机硅聚合物可作为高性能弹性粘合剂的原材料，具有优异的弹性和耐久性。通过使用开发的粘合剂来粘合受到地震振动等强大外力的建筑材料和车辆材料，我们将为它们的高耐用性和长寿命做出贡献。
具有优异拉伸性的弹性粘合剂可用于建筑和车辆应用，因为它们可以承受振动和材料变形。弹性粘合剂是现代社会不可或缺的材料，对安全性和保障的要求很高，因为它们能够抵抗地震和其他震动，并且具有出色的耐用性。工业上，需要开发能够抵抗更强的外力和振动引起的膨胀和收缩的超高性能弹性粘合剂，预计未来全球市场将继续扩大。
改性有机硅聚合物广泛用作弹性粘合剂的主要原料，因为位于聚合物结构末端的甲硅烷基与水反应可合成具有优异伸长性能的固化产物。但目前使用的改性有机硅聚合物的末端结构甲硅烷基化率低于85%，导致交联位点缺陷较多，模量性能较差。解决这一问题的根本方法是采用末端结构高度甲硅烷基化的改性有机硅，而合成这种有机硅的催化反应以前从未见过。
AIST 是受国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 委托的项目。有机硅功能化学品制造工艺技术开发''（项目负责人：佐藤和彦），我们开发了催化剂技术，能够高效合成各种高附加值有机硅原料。2021 年 5 月 11 日 AIST 新闻稿）。这次，我们应用在合成有机硅组分的催化技术方面积累的知识，通过新的催化反应合成具有高比例硅烷化末端的改性有机硅聚合物，旨在开发高性能粘合剂。
该技术于2023年11月2日作为专利公开，名称为“含活性硅基团的有机聚合物的制备方法”（WO2023/210582、WO2023/210586）。
改性有机硅聚合物是建筑和工业应用中使用的粘合剂和密封剂的主要原材料。这是最后芳基带基团的聚氧化烯聚合物氢硅烷的硅烷化反应合成的。 （图1）。该反应在聚合物结构的末端引入了活性硅基，该基团与水反应形成交联产物，从而产生可拉伸的橡胶状固化产物。然而，目前使用工业铂催化剂的方法，反应过程中会产生副产物，且末端结构中甲硅烷基的引入率低于85%，导致固化物存在结构缺陷和许多未固化成分。众所周知，这会导致模量性能下降。
在这项研究中，我们发现通过使用传统工业铂催化剂与具有碳-碳不饱和键的羧酸化合物的混合物作为新型催化剂，可以在聚氧化烯聚合物末端引入反应性硅基，且甲硅烷基化率超过95%。从过去的研究中得知，工业铂催化剂会发生团聚，导致副反应进行，催化活性下降。这项研究表明，具有碳-碳不饱和键的羧酸化合物可以抑制催化剂聚集并有助于延长寿命。上述催化剂在实际使用中具有足够的耐久性，因为其仅使用适合大规模生产的量的5ppm的原材料就发挥作用。此外，在拉伸试验中对合成的改性有机硅聚合物进行评估时发现，与使用传统催化剂合成的产品相比，由于形成了结构缺陷较少的未交联体和交联体，拉伸50%时的模量性能提高了30%（图2）。这意味着使用新开发的技术合成的固化产物在保持伸长性能的同时具有高模量性能，并且对外力表现出很强的应力。使用这种材料，预计将有可能制造出前所未有的高性能弹性粘合剂，不仅可以通过膨胀和收缩吸收大量振动能量，而且可以承受膨胀和收缩疲劳。
图1聚氧化烯聚合物和粘合剂的硅烷化反应
图2 通过固化产物拉伸试验评价模量性能
从现在开始，我们将在AGC开始样品工作，建立量产技术，并力争在几年内将其商业化。主要用途是用于建筑和车辆应用的粘合剂和密封剂，但这种材料在保持伸长性能的同时具有高模量性能，提高了粘合剂的强度和耐久性，因此我们的目标是将其开发到需要可靠性的新应用中。