CN112979940A - 一种全联苯型聚芳醚酮前驱体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全联苯型聚芳醚酮前驱体及其制备方法和应用,属于高分子材料技术领域。全联苯型聚芳醚酮前驱体是通过采用不同于传统的双氟单体和联苯二酚在170‑210℃较低的温度下进行聚合反应获得的,再将全联苯型聚芳醚酮前驱体经过酸化水解或一步反应或两步反应过程获得全联苯型聚芳醚酮。本发明的优点在于在较低反应温度下进行均相聚合,获得的聚合物均为全联苯结构,因此聚合物分子链的刚性和分子链的规整性和分子量显著提高,制备的聚合物具有较高的Tm,达到416℃以上,特性粘度达到2.09dL/g以上。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种全联苯型聚芳醚酮前驱体及其制备方法和应用。
背景技术
树脂基复合材料由于质轻、机械性能优异和可设计性等被广泛应用于各个领域。随着航空领域的发展,下一代战斗机的飞行速度进一步提升,对复合材料的耐热性提出了更高的要求。传统的树脂基体已经难以满足350℃长期使用、400℃短期使用或高温腐蚀环境下的使用要求,即使作为特种工程塑料的聚醚醚酮(PEEK)也逐渐难以满足国家战略需求。与此同时,国外已经开始着手开发基于聚醚酮酮(PEKK)树脂的复合材料,但由于其合成路线为亲电取代反应,国内相关研究和生产工艺并不成熟,因此急需开发具有自主知识产权的耐高温热塑性树脂基体。
由于国内具有通过亲核取代生产聚芳醚酮的雄厚基础,故通过亲核取代反应生产具有更高耐热性的聚芳醚酮树脂基体是可以实现弯道超车的捷径。全联苯型聚醚醚酮(PEDEK)、全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK)和全联苯型聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK)是三种耐热性远高于PEEK的树脂,其结晶熔融温度(Tm)分别为416.8℃、430.5℃和475.3℃。但是PEDEK和PEDEKK过高的Tm也带来了难以采用双酚单体和双氟二苯酮类单体直接进行聚合而制备高分子量聚合物的难题:由于单体分子链刚性大且能规整的排入晶格,聚合过程中齐聚物会结晶析出导致聚合反应无法均相继续进行,所以只有在接近聚合物Tm的温度聚合才可能获得分子量较高的产品。以聚醚醚酮(PEEK)为代表的传统结晶性聚芳醚酮聚合的溶剂为二苯砜,其沸点为360℃,远低于PEDEK、PEDEKK以及PEDEKDK的Tm,因此使用二苯砜做为溶剂时不能获得具有高分子量的树脂(在既往的科研论文和专利中表现为聚合物特性粘度较低),故在过往的研究中联苯型结构单元只能作为共聚组分,用于提升树脂的机械性能和耐热性。因此,耐热性和机械性能优异的全联苯型PEDEK、PEDEKK及PEDEKDK无法得到工业化生产和商业化应用。
EP0327984(AZ),EP0266132(AZ),US4687833(A),JP62172020(A)等专利均使用二苯砜作为溶剂,联苯二酚与4,4’-二氟二苯甲酮或4,4’-二氟三苯二酮进行直接聚合,但专利CN1161975的研究表明,上述技术路线所得到的聚合物特性粘度较低。此外专利EP0327984(A2)与EP0266132的实施例也表明,根据其所公布的方法,无法得到特性粘度较高(即分子量较高)的聚合物。
专利CN1884330使用环丁砜作为溶剂,使用4,4’-二氟二苯酮、对苯二酚和联苯二酚组成的混合体系进行聚合,联苯二酚的含量最高仅为40%(权利要求4、第4-5行,原文为:联苯二酚的摩尔分数占对苯二酚、联苯二酚摩尔数和的1%-40%),未能实现全联苯型聚醚醚酮(PEDEK)的制备;专利US4687833使用两步法生产与专利CN1884330结构相似的聚合物,其方法为先使用对苯二酚生产齐聚物,再使用联苯二酚进行偶联得到最终产物,但该方法所得聚合物中联苯结构含量的理论上限仅为50%(齐聚物均为二聚体),也未能实现全联苯型PEDEK的制备。此外,目前尚未有关于合成全联苯型聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK)的文献报道。
如何在相对低的聚合温度下制备便于工业化的、分子量高、熔点高的全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK树脂,并避免了齐聚物结晶析出的问题是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
为解决以上技术难题,本发明提供了一种“非结晶性聚合再进行结晶性转化”方法,解决了齐聚物结晶析出的问题,并在相对较低的聚合温度下成功制备了分子量高、熔点高的全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK树脂。
本发明提供了一种全联苯型聚芳醚酮前驱体的制备方法,它包括:在氮气气氛下,依次加入溶剂、带水剂、成盐剂、双氟单体及联苯二酚单体,再升温至130-200℃将带水剂与水共沸回流,然后分馏除去反应过程中产生的水后再共沸回流2-6h,通过蒸馏除去反应体系中带水剂后,再升温至170-210℃反应5-10h,再经过粉碎、洗涤并烘干后,获得全联苯型聚芳醚酮前驱体;
进一步,所述的双氟单体及联苯二酚单体的摩尔比为1-1.5:1-1.5;
进一步,所述的溶剂为环丁砜或二苯砜;所述的带水剂为甲苯或二甲苯;所述的成盐剂为K2CO3或Na2CO3或摩尔比为19:1的K2CO3与Cs2CO3的混合物或摩尔比为19:1的Na2CO3与Cs2CO3的混合物;所述成盐剂与联苯二酚摩尔比为1.5:1;
进一步,双氟单体为下述结构式中的任一一种:
本发明还提供了一种全联苯型聚芳醚酮前驱体,其结构式为:
本发明还提供了一种全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于有机溶剂后,加入pH=0.1-1的酸溶液,再回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;所述的有机溶剂为四氢呋喃或N-甲基吡咯烷酮或N,N’-二甲基甲酰胺或N,N’-二甲基乙酰胺中的一种,所述的酸溶液为盐酸或硫酸或甲磺酸或苯磺酸或三氟乙酸或三氟苯磺酸的水溶液中的一种;所述的有机溶剂与酸溶液的体积比为1:2-8;
本发明提供的全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于三氯甲烷后,再加入二甲基亚砜和2-碘-2-甲基丙烷在70-100℃反应48-70h后,再经水、甲醇洗涤后获得全联苯型聚芳醚酮;
本发明提供的全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于二氯甲烷后,再加入1,2-乙二醇和N-溴代琥珀酰亚胺,反应5-30min后,再加入pH=0.1-1的酸溶液,回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;所述的酸溶液为盐酸或硫酸或甲磺酸或苯磺酸或三氟乙酸或三氟苯磺酸的水溶液中的一种;
进一步,所述的全联苯型聚芳醚酮的结构式如下:
与现有技术相比,本发明技术方案的特点在于:
1、通过采用不同于传统的双氟单体,经聚合反应得到一系列不具有结晶性、但具有良好溶解性且能够转化为结晶性全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK前驱体。
2、本发明在未采用共聚单体对苯二酚的情况下获得了全联苯结构的聚合物,由于对苯二酚结构单元的存在会降低聚合物分子链的刚性且破坏分子链的规整性,所以相比其他现有技术,本发明制备的聚合物具有较高的Tm;
3、本发明由于先期聚合制备的前驱体不具备结晶性,因此在聚合过程中不会产生齐聚物结晶析出的现象,这使得聚合温度从320℃以上显著降低至190-210℃,解决了二苯砜无法实现更高温度聚合以保持均相聚合的问题。聚合温度的降低不但使得聚合能耗降低,还使得可以在均相下聚合和显著提高聚合物分子量以及减少高温下的副反应和凝胶含量。所制备的PEDEK的特性粘度为2.09dL/g,Tm为416.8℃;PEDEKK特性粘度为2.13dL/g,Tm为430.5℃;PEDEKDK特性粘度为2.32dL/g,Tm为475.3℃,上述性能指标均超过现有技术所制备的相应聚合物性能,是目前能够实现工业化生产的同类产品的性能指标最高值。
4、本发明解决了PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK聚合过程中齐聚物结晶析出的问题,不但成功实现了低温均相聚合,还使得聚合物特性粘度进一步提高,以此提高了产物的分子量。
附图说明
图1是实施例1最终获得的PEDEK的DSC测试曲线;
图2是实施例4最终获得的PEDEKK的DSC测试曲线;
图3是实施例7最终获得的PEDEKDK的DSC测试曲线;
图4是双氟单体3的核磁共振氢谱图;
图5是双氟单体6的核磁共振氢谱图。
具体实施方式
实施例1-9采用的双氟单体1-9的结构如下所示:
实施例1:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入4248g环丁砜(固含量10wt%)、1010mL甲苯、207g碳酸钾、286g双氟单体1及186g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应6h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于4320mL THF中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入540mL pH=0.1的盐酸溶液,回流24h后,再用乙醇、水洗涤并烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮(PEDEK),PEDEK的特性粘度为2.09dL/g,Tm为416.8℃。
实施例2:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入976g二苯砜(固含量30wt%)、419mL二甲苯、158.8g碳酸钠、294g双氟单体2及204.6g联苯二酚,升温至180℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的二甲苯,升温至180-210℃反应2h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于4586ml三氯甲烷中,待前驱体溶解后依次加入179g二甲基亚砜和211g 2-碘-2-甲基丙烷,于70℃反应48h后,将反应产物倾倒入无水甲醇中,再用无水甲醇洗涤并烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮(PEDEK),PEDEK的特性粘度为2.09dL/g,Tm为416.8℃。
实施例3:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入4575g环丁砜(固含量10wt%)、1088mL甲苯、196.7g碳酸钾、24.4g碳酸铯、322.3g双氟单体3及186g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190℃-210℃反应6h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于4683mL DMF中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入585mL pH=0.1的甲磺酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮(PEDEK),PEDEK的特性粘度为2.09dL/g,Tm为416.8℃。
实施例4:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入5495g环丁砜(固含量10wt%)、1649mL甲苯、150.8g碳酸钾、24.4g碳酸铯、406g双氟单体4及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应10h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于5706mL DMAC中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入713mL的pH=0.1的硫酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK),PEDEKK的特性粘度为2.13dL/g,Tm为430.5℃。
实施例5:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入6107g环丁砜(固含量10wt%)、1452mL甲苯、227.7g碳酸钾、474g双氟单体5及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应10h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后,获得前驱体,再将前驱体溶于9579mL二氯甲烷中,待前驱体溶解后依次加入40g 1,2-乙二醇和40g NBS反应5min后,再向溶液中加入1197mL pH=0.1的盐酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK),PEDEKK的特性粘度为2.13dL/g,Tm为430.5℃。
实施例6:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入6089g环丁砜(固含量10wt%)、1448mL甲苯、227.7g碳酸钾、472g双氟单体6及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应10h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于6386mL DMAC中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入798mL pH=0.1的苯磺酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK),PEDEKK的特性粘度为2.13dL/g,Tm为430.5℃。
实施例7:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入6179g环丁砜(固含量10wt%)、1470mL甲苯、227.7g碳酸钾、482g双氟单体7及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应10h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于6466mL DMAC中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入808mL pH=0.1的三氟乙酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得全联苯型聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK),PEDEKDK的特性粘度为2.32dL/g,Tm为475.3℃。
实施例8:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入6791.4g环丁砜(固含量10wt%)、1615mL二甲苯、227.7g碳酸钾、550g双氟单体8以及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至180-210℃反应6h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于7146g三氯甲烷中,待前驱体溶解后依次加入279g二甲基亚砜和329g 2-碘-2-甲基丙烷,于70℃反应48h后,再用甲醇和水洗涤、烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK),PEDEKDK的特性粘度为2.32dL/g,Tm为475.3℃。
实施例9:
在氮气气氛保护下,向聚合反应体系中依次加入6782g环丁砜(固含量10wt%)、1613mL甲苯、227.7g碳酸钾、549g双氟单体9以及204.6g联苯二酚,升温至140℃,共沸除水、回流2h,通过蒸馏除去反应体系中的甲苯,升温至190-210℃反应10h,将反应产物倾倒入无水甲醇中洗涤、粉碎并烘干后获得前驱体,再将前驱体溶于7136mL DMAC中,待前驱体全部溶解后向溶液中加入3568mL pH=0.1的三氟苯磺酸溶液,回流24h后,再用乙醇和水洗涤、烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK),PEDEKDK的特性粘度为2.32dL/g,Tm为475.3℃。
综上:
全联苯型聚醚醚酮(PEDEK)、全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK)和全联苯性聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK)制备方法的反应通式为:
nA为联苯二酚反应的摩尔数,nB为双氟单体的反应摩尔数,nA和nB的摩尔比为1-1.5:1-1.5;上述反应1的方法为将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于有机溶剂后,加入pH=0.1-1的酸溶液,再回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;反应2方法为将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于三氯甲烷后,再加入二甲基亚砜和2-碘-2-甲基丙烷在70-100℃反应48-70h后,再经水、甲醇洗涤后获得全联苯型聚芳醚酮;反应3的方法为将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于二氯甲烷后再加入1,2-乙二醇和N-溴代琥珀酰亚胺,反应5-30min后,再加入pH=0.1-1的酸性溶液,回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;其中n为大于等于21的正整数,并且小于等于178的正整数;最终获得的全联苯型聚芳醚酮为重复单元单一、分子量高、特性粘度高的均聚物,不存在除联苯醚之外的醚键结构;聚合物特性粘度2.0dL/g以上;PEDEK的Tm为416.8℃,PEDEKK的Tm为430.5℃,PEDEKDK的Tm为475.3℃。
全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK的结构式依次分别为:
当双氟单体为单体1、单体3、单体4、单体6,单体7或单体9时,通过水解反应将前驱体转化为结晶性全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK;当双氟单体为单体2、单体5或单体8时,采用两种反应路线将前驱体聚合物转化为结晶性全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK,其中一种方法为2-碘-2甲基丙烷活化二甲基亚砜(DMSO)的氧化反应,该反应的优点为通过一步化学反应获得结晶性全联苯型PEDEK、PEDEKK和PEDEKDK,具体反应方法为:将前驱体溶于三氯甲烷中,待前驱体溶解后依次加入二甲基亚砜和2-碘-2-甲基丙烷在70℃反应48h后,再经粉碎、洗涤和烘干后获得结晶性全联苯型聚醚醚酮(PEDEK)、全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK)或全联苯性聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK),另一种方法为两步反应,将前驱体溶于二氯甲烷后,再加先通过N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)催化,然后加入乙二醇,再通过酸性水解过程获得结晶性全联苯型聚醚醚酮(PEDEK)、全联苯型聚醚醚酮酮(PEDEKK)或全联苯性聚醚醚酮联苯酮(PEDEKDK),本反应的优点为反应时间较短。
Claims (10)
1.一种全联苯型聚芳醚酮前驱体的制备方法,其特征在于:它包括:在氮气气氛下,依次加入溶剂、带水剂、成盐剂、双氟单体及联苯二酚单体,再升温至130-200℃将带水剂与水共沸回流,然后分馏除去反应过程中产生的水后再共沸回流2-6h,通过蒸馏除去反应体系中带水剂后,再升温至170-210℃反应5-10h,再经过粉碎、洗涤并烘干后,获得全联苯型聚芳醚酮前驱体。
2.根据权利要求1所述的一种全联苯型聚芳醚酮前驱体的制备方法,其特征在于:所述的双氟单体及联苯二酚单体的摩尔比为1-1.5:1-1.5。
3.根据权利要求1所述的一种全联苯型聚芳醚酮前驱体的制备方法,其特征在于:所述的溶剂为环丁砜或二苯砜;所述的带水剂为甲苯或二甲苯;所述的成盐剂为K2CO3或Na2CO3或摩尔比为19:1的K2CO3与Cs2CO3的混合物或摩尔比为19:1的Na2CO3与Cs2CO3的混合物;所述成盐剂与联苯二酚摩尔比为1.5:1。
6.利用权利要求5所述的全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用,其特征在于:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于有机溶剂后,加入pH=0.1-1的酸溶液,再回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;所述的有机溶剂为四氢呋喃或N-甲基吡咯烷酮或N,N’-二甲基甲酰胺或N,N’-二甲基乙酰胺中的一种,所述的酸溶液为盐酸或硫酸或甲磺酸或苯磺酸或三氟乙酸或三氟苯磺酸的水溶液中的一种;所述的有机溶剂与酸溶液的体积比为1:2-8。
7.利用权利要求5所述的全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用,其特征在于:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于三氯甲烷后,再加入二甲基亚砜和2-碘-2-甲基丙烷在70-100℃反应48-70h后,再经水、甲醇洗涤后获得全联苯型聚芳醚酮。
8.利用权利要求5所述的全联苯型聚芳醚酮前驱体在制备全联苯型聚芳醚酮的应用,其特征在于:它包括如下步骤:将全联苯型聚芳醚酮前驱体溶于二氯甲烷后,再加入1,2-乙二醇和N-溴代琥珀酰亚胺,反应5-30min后,再加入pH=0.1-1的酸溶液,回流24-48h后,再用乙醇和水洗涤并烘干后获得全联苯型聚芳醚酮;所述的酸溶液为盐酸或硫酸或甲磺酸或苯磺酸或三氟乙酸或三氟苯磺酸的水溶液中的一种。
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