发明概述
通过如下的制备封端聚亚芳基醚的方法减轻上述和其它的缺陷,所述方法包括:使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应从而形成包含封端聚亚芳基醚、溶剂、封端剂、封端催化剂和封端副产物的封端反应混合物;用包含至少5wt%碱的碱性水溶液洗涤所述封端反应混合物从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的纯化溶液;以及通过完全分离方法分离所述封端聚亚芳基醚。
另一实施方案是制备封端聚亚芳基醚的方法,所述方法包括:使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应从而形成包含封端聚亚芳基醚、溶剂、封端剂、封端催化剂和封端副产物的封端反应混合物;其中所述聚亚芳基醚为包含2,6-二甲苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷的单体氧化聚合的产物;其中所述封端剂为(甲基)丙烯酸酐;其中(甲基)丙烯酸酐与聚亚芳基醚上羟基的摩尔比为1-3;其中所述溶剂为甲苯;其中所述封端催化剂为4-(N,N-二甲基氨基)吡啶;以及其中所述封端副产物为(甲基)丙烯酸;在用碱性水溶液洗涤之前调节所述封端反应混合物中封端聚亚芳基醚的浓度至5-25wt%;用包含5-15wt%氢氧化钠的碱性水溶液洗涤所述封端反应混合物从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第一纯化溶液;其中用碱性水溶液洗涤封端反应混合物在60-95℃的温度下进行;用包含0.2-1摩尔/升乙酸的酸性水溶液洗涤所述第一纯化溶液从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第二纯化溶液;其中用酸性水溶液洗涤第一纯化溶液在60-95℃的温度下进行;用水洗涤所述第二纯化溶液从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第三纯化溶液;其中用水洗涤第二纯化溶液在60-95℃的温度下进行;以及通过脱挥发分挤出分离所述封端聚亚芳基醚。
另一实施方案是(甲基)丙烯酸酯封端的聚亚芳基醚,其由前述段落的方法制备并且包含小于或等于2,500重量ppm的作为(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酐的(甲基)丙烯酰基和小于或等于1,000重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶。
这些和其它的实施方案在下文得到详细描述。
发明详述
本发明人已经发现通过如下的制备封端聚亚芳基醚的方法,产生具有低水平的封端相关杂质的封端聚亚芳基醚的高收率,所述方法包括:使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应从而形成包含封端聚亚芳基醚、溶剂、封端剂、封端催化剂和封端副产物的封端反应混合物;用包含至少5wt%碱的碱性水溶液洗涤所述封端反应混合物从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的纯化溶液;以及通过完全分离方法分离所述封端聚亚芳基醚。这种方法的成功是特别令人惊讶的,因为用浓的含水碱溶液洗涤预期造成封端聚亚芳基醚的碱催化分解,然而没有观察到明显的分解。
所述方法的一步中,使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应从而形成包含封端聚亚芳基醚、溶剂、封端剂、封端催化剂和封端副产物的封端反应混合物。所述聚亚芳基醚包含至少一个能够与封端剂反应的酚羟基。合适的聚亚芳基醚包括含有具备下式的重复结构单元的那些
其中Z1的每次出现独立地是卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基、条件是该烃基不是叔烃基,C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,或C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开;以及Z2的每次出现独立地是氢,卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基、条件是该烃基不是叔烃基,C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,或C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开。本文使用的术语“烃基”无论是单独使用还是作为前缀、后缀或另一术语的片段使用,都是指仅含有碳和氢的残基。该残基可以是脂族或芳族的、直链、环状、双环、支化的、饱和的或不饱和的。它还可以含有脂族、芳族的、直链、环状、双环、支化的、饱和的和不饱和的烃结构部分的组合。然而,在将烃基残基描述成取代的时,它可以任选地除取代基残基的碳和氢成员之外还含有杂原子。因此,当明确描述成取代的时,烃基残基还可以含有一个或多个杂原子,例如卤素、氧、氮、硫、硅或磷。烃基残基在为取代的时可以包含侧挂于该烃基残基主链或者在主链内的杂原子。作为一个实例,Z1可以是二正丁基氨基甲基,其由末端1-羟基-2,6-二甲基亚苯基残基的甲基与氧化聚合催化剂的二正丁基胺组分的反应形成。
一些实施方案中,所述聚亚芳基醚包含2,6-二甲基-1,4-亚苯基醚单元、2,3,6-三甲基-1,4-亚苯基醚单元或其组合。一些实施方案中,所述聚亚芳基醚为聚(2,6-二甲基-1,4-亚苯基醚)。如上所述,聚亚芳基醚可以包含具有含氨基烷基的端基的分子,其典型地位于羟基的邻位。另外经常存在的是四甲基二苯醌(TMDQ)端基,其典型地由含2,6-二甲基苯酚的反应混合物获得,该混合物中存在四甲基二苯醌副产物。所述聚亚芳基醚可以是均聚物、无规共聚物、接枝共聚物、离聚物或嵌段共聚物形式,以及包含前述至少一种的组合。
所述聚亚芳基醚可以包含一个或多于一个的酚羟基。当聚亚芳基醚包含一个酚羟基时,它被称为单官能聚亚芳基醚。当聚亚芳基醚包含多于一个酚羟基时,它被称为多官能聚亚芳基醚。一些实施方案中,所述多官能聚亚芳基醚为具有以下结构的双官能聚亚芳基醚(即具有两个酚羟基的聚亚芳基醚)
其中Q1和Q2在每个亚苯基醚单元内是相同的而且选自卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基、条件是该烃基不是叔烃基,C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,和C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开;Q3和Q4的每次出现独立地选自氢,卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基、条件是该烃基不是叔烃基,C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,和C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开;x和y独立地是0-约30,特别是0-约20,更特别地是0-约15,再特别地是0-约10,更特别地是0-约8,条件是x与y之和为至少2,特别是至少3,更特别地至少4;和L具有以下结构
其中R1和R2和R3和R4的每次出现独立地选自氢,卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基、条件是该烃基不是叔烃基,C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,和C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开;z为0或1;和Y具有选自以下的结构
其中R5的每次出现独立地选自氢和C1-C12烃基,R6和R7的每次出现独立地选自氢、C1-C12烃基、和C1-C6亚烃基(其中R6和R7共同形成C4-C12亚烷基)。一些实施方案中,Q1和Q2的每次出现为甲基,Q3的每次出现为氢,Q4的每次出现为氢或甲基,x与y之和为2-约15,R1和R2和R3和R4的每次出现独立地是氢或甲基,和Y具有以下结构
其中R6和R7的每次出现独立地选自氢、C1-C12烃基、和C1-C6亚烃基(其中R6和R7共同形成C4-C12亚烷基)。
在上述双官能聚亚芳基醚结构中,对变量x和y有限制,它们对应该双官能聚亚芳基醚分子中两个不同位置上的亚苯基醚重复单元的数目。所述结构中,x和y独立地是0-约30,特别地0-约20,更特别地0-约15,甚至更特别地0-约10,再特别地0-约8。x与y之和至少为2,特别地至少为3,更特别地至少为4。具体的多官能聚亚芳基醚可以通过质子核磁共振谱法(1H NMR)进行分析,以确定对于整个树脂而言平均下来是否满足这些限制。特别地,1H NMR能够区别与内部和末端亚苯基醚基团、多元酚的内部和末端残基、以及其它末端残基相关的质子的共振。因此可以确定每分子亚苯基醚重复单元的平均数,以及来源于二元酚的内部和末端残基的相对丰度。
一些实施方案中,所述多官能聚亚芳基醚为具有以下结构的双官能聚亚芳基醚
其中Q5和Q6的每次出现独立地是甲基或二正丁基氨基甲基;以及a和b的每次出现独立地是0-约20,条件是a与b之和至少为2、特别地至少为3、更特别地至少为4。具有这种结构的双官能聚亚芳基醚可以通过2,6-二甲苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷在包括二正丁基胺的催化剂存在下的氧化共聚合成。
可以通过包括一元酚例如2,6-二甲基苯酚、2,3,6-三甲基苯酚或其混合物的单体的氧化聚合制备聚亚芳基醚。许多其它合适的一元酚在本领域中是已知的。可以通过一元酚和多元酚的氧化共聚制备多官能聚亚芳基醚(即,具有两个或更多酚羟基的聚亚芳基醚)。合适的多元酚例如包括3,3’,5,5’-四甲基-4,4’-联苯酚、2,2-双(3-甲基-4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷、1,1-双(4-羟基苯基)甲烷、1,1-双(4-羟基苯基)乙烷、2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、2,2-双(4-羟基苯基)丁烷、2,2-双(4-羟基苯基)辛烷、1,1-双(4-羟基苯基)丙烷、1,1-双(4-羟基苯基)-正丁烷、双(4-羟基苯基)苯基甲烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环己烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环戊烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环己烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环庚烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环庚烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环辛烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环辛烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环壬烷、11,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环壬烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环癸烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环癸烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环十一烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环十一烷、1,1-双(4-羟基-3-甲基苯基)环十二烷、1,1-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基)环十二烷、1,1-双(4-羟基-3-叔丁基苯基)丙烷、2,2-双(4-羟基-2,6-二甲基苯基)、丙烷、2,2-双(4-羟基-3-溴苯基)丙烷、1,1-双(4-羟基苯基)环戊烷、1,1-双(4-羟基苯基)环己烷、1,1,1-三(3,5-二甲基-4-羟基苯基)乙烷、1,1,1-三(3-甲基-4-羟基苯基)乙烷、1,3,5-三(3,5-二甲基-4-羟基苯基-1-酮)苯、1,3,5-三(3,5-二甲基-4-羟基苯基-1-亚异丙基)苯、2,2,4,4-四(3-甲基-4-羟基苯基)戊烷、2,2,4,4-四(3,5-二甲基-4-羟基苯基)戊烷、1,1,4,4-四(3-甲基-4-羟基苯基)环己烷、1,1,4,4-四(3,5-二甲基-4-羟基苯基)环己烷、1,3,5-三(3,5-二甲基-4-羟基苯基)苯、1,3,5-三(3-甲基-4-羟基苯基)苯、2,6-双(2-羟基-5-甲基苄基)-4-甲基苯酚、4,6-二甲基-2,4,6-三(4-羟基-3-甲基苯基)-2-庚烯、4,6-二甲基-2,4,6-三(4-羟基-3,5-二甲基苯基)-2-庚烯、4,6-二甲基-2,4,6-三(4-羟基-3-甲基苯基)庚烷、4,6-二甲基-2,4,6-三(4-羟基-3-甲基苯基)庚烷、2,4-双(4-羟基-3-甲基苯基异丙基)苯酚、2,4-双(4-羟基-3,5-二甲基苯基异丙基苯酚)、四(4-羟基-3-甲基苯基)甲烷、四(4-羟基-3,5-二甲基苯基)甲烷、四(4-[4-羟基-3-甲基苯基异丙基]苯氧基)甲烷、(4-[4-羟基-3,5-二甲基苯基异丙基]-苯氧基)甲烷以及它们的混合物。一些实施方案中,所述多元酚每分子包含3-8个酚羟基。一些实施方案中,所述多官能聚亚芳基醚是由2,6-二甲基苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷的氧化共聚制备的双官能聚亚芳基醚。
一些实施方案中,所述多元酚为具有以下结构的二元酚
其中z为0或1;R6和R7的每次出现独立地是氢,卤素,未取代的或取代的C1-C12烃基(条件是该烃基不是叔烃基),C1-C12烃硫基,C1-C12烃氧基,或C2-C12卤代烃氧基、其中至少两个碳原子将卤原子与氧原子分隔开;和Y具有选自以下结构
其中R8、R9和R10的每次出现独立地选自氢和C1-C12烃基。
也可以通过包括如下步骤的工艺制备多官能聚亚芳基醚:使一元酚在适合形成相应聚亚芳基醚和相应二苯酚合苯醌的条件下在催化剂存在下氧化聚合;将聚亚芳基醚和二苯酚合苯醌与催化剂分离;以及使该聚亚芳基醚和二苯酚合苯醌平衡以形成具有两个末端羟基的聚亚芳基醚。相应聚亚芳基醚的说明性实例是由2,6-二甲基苯酚的氧化聚合制备的聚(2,6-二甲基-1,4-亚苯醚)。相应二苯酚合苯醌的说明性实例是由2,6-二甲基苯酚的氧化形成的3,3’,5,5’-四甲基-4,4’-二苯酚合苯醌。当使用这种制备方法时,可能必要的是纯化该双官能聚亚芳基醚以达到小于2.2的多分散指数。说明性的用于氧化共聚2,6-二甲基苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷的初始反应混合物组成如下:50192重量份2,6-二甲基苯酚,109581重量份甲苯,503重量份二正丁基胺,1175重量份二甲基正丁基胺,264重量份包含N,N’-二丁基乙二胺和二癸基二甲基氯化铵的二胺混合物,以及353重量份在溴化氢水溶液中包含6.5wt%Cu2O的催化剂混合物。通过控制反应容器中的温度和氧浓度进行聚合反应。聚合反应混合物中的铜浓度基于该反应混合物的总重量约为125重量ppm,或者基于聚亚芳基醚产物的重量约为420重量ppm。聚合反应混合物中的聚亚芳基醚产物浓度基于该反应混合物的总重量为29.8wt%。产物双官能聚亚芳基醚具有25℃下在氯仿中测定的0.06分升/克的特性粘度。
也可以通过所谓的再分配反应制备多官能聚亚芳基醚,其中任选地在氧化剂的存在下使单官能聚亚芳基醚与多元酚平衡。再分配反应在本领域中是已知的,例如在Cooper等人的美国专利3,496,236和Liska等人的美国专利5,880,221中得到描述。当使用这种制备方法时,可能必要的是纯化该多官能聚亚芳基醚以达到小于2.2的多分散指数。
所述制备封端聚亚芳基醚的方法可适用于具有宽范围特性粘度的聚亚芳基醚。例如,所述聚亚芳基醚可以具有0.04-1.0分升/克(dL/g)、特别地0.06-0.6dL/g、更特别地0.09-0.4dL/g、再特别地0.09-0.3dL/g、甚至更特别地0.09-0.2dL/g、再特别地0.09-0.15dL/g、更特别地0.09-0.12dL/g的特性粘度,全都如25℃下在氯仿中测定的。将会理解相同的特性粘度范围可以适用于所述封端聚亚芳基醚。
能够与聚亚芳基醚反应以形成封端聚亚芳基醚的封端剂在本领域中是已知的。例如参见Percec的美国专利4,562,243和4,634,742和4,665,137,Percec等人的4,663,402,Braat等人的6,306,978B1和6,384,176,Yeager等人的6,627,704B2,以及Yeager的6,962,965;以及Fan的美国法定发明登记H521。可以使用的封端剂种类之中,例如包括卤代烃类(例如氯甲基苯乙烯和烯丙基氯),羧酸酰卤类(例如乙酰氯、丙烯酰氯和甲基丙烯酰氯),羧酸酯类(例如水杨酸苯酯),羧酸酐类(例如乙酸酐、丙烯酸酐和甲基丙烯酸酐),碳酸酯类(例如碳酸二苯酯和碳酸双(4-乙烯基苯基)酯),异氰酸酯类(包括二异氰酸酯),以及表氯醇。
选择封端剂与聚亚芳基醚上酚羟基的摩尔比,以平衡迅速和完全封端的需要(其偏向于高的比率)与避免引入在洗涤步骤中增加杂质负担的过量试剂的需要(其偏向于低的比率)。已经观察到选择1-3、特别地1.05-2、更特别地1.1-1.5的封端剂与聚亚芳基醚上羟基的摩尔比达到这些竞争性需求之间的良好平衡。
聚亚芳基醚与封端剂在溶剂存在下反应。合适的溶剂包括卤代脂肪烃溶剂、芳烃溶剂、卤代芳烃溶剂、和它们的组合。一些实施方案中,所述溶剂为包含至少一个脂族碳-碳双键和/或至少一个脂族碳-碳三键的芳烃。上述包含至少一个脂族碳-碳双键和/或至少一个脂族碳-碳三键的芳烃溶剂的实例包括苯乙烯、乙烯基C1-C6烷基苯(例如乙烯基甲苯)、二乙烯基苯、烯丙基苯、1-乙炔基苯等、以及它们的混合物。一些实施方案中,所述溶剂为甲苯。
聚亚芳基醚与封端剂的反应还在封端催化剂的存在下进行。所用封端催化剂的种类将取决于所用封端剂的种类。例如,当封端剂为卤代烃、羧酸酰卤、羧酸酯或羧酸酐时,封端催化剂典型地是Bronsted-Lowry碱(也就是,能够接受来自聚亚芳基醚末端羟基的质子的碱)。Bronsted-Lowry碱例如包括碱金属氢氧化物(例如氢氧化锂、氢氧化钠、和氢氧化钾)、未取代的和取代的氢氧化铵(例如氢氧化铵和四甲基氢氧化铵)、以及胺类(包括伯胺、仲胺和特别地叔胺例如4-(N,N-二甲基氨基)吡啶)。
所用封端副产物的种类也将取决于所用封端剂的种类。当封端剂为卤代烃或羧酸酰卤时,封端副产物将典型地是卤离子(例如氯离子)。当封端剂为羧酸酯或碳酸酯时,封端副产物将典型地是醇(例如甲醇或苯酚)。当封端剂为羧酸酐时,封端副产物将典型地是羧酸(例如乙酸、或丙烯酸、或甲基丙烯酸)。
聚亚芳基醚封端过程的一种实例是未封端的聚亚芳基醚与作为封端剂的甲基丙烯酸酐在作为封端催化剂的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶的存在下反应。该反应中,主要的封端副产物为甲基丙烯酸。
在通过使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应形成封端反应混合物之后,用包含至少5wt%碱的碱性水溶液洗涤该封端反应混合物从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的纯化溶液。所述碱性水溶液中的碱浓度基于该碱性水溶液的总重量可以特别地是5-15wt%,更特别地10-15wt%。注意Freshour等人的美国专利6,897,282中公开的水性洗涤方法使用约1当量的最大浓度的氢氧化钠溶液,对应于约4wt%氢氧化钠-比本发明方法中所用的碱浓度显著更低。如上所述,非常惊人的是封端聚亚芳基醚能够容忍暴露于上述浓碱溶液而没有遭受显著的分解。
所述Freshour专利还教导了洗涤期间在溶液中较高的聚亚芳基醚浓度是理想的,因为它与分离出的聚亚芳基醚中降低的残余杂质浓度相关。特别地,较21wt%聚亚芳基醚的溶液浓度而言,偏爱50wt%聚亚芳基醚的溶液浓度。然而,本发明人已经观察到在溶液中使用高的聚亚芳基醚浓度会造成水相和有机相的乳化,使这些相的分离变得非常困难。本发明人已经发现,通过与Freshour专利的明确教导相反地经由在溶液中使用相对较低的聚亚芳基醚浓度来进行,达到更好的结果。特别地,本发明人已经发现当用所述碱性水溶液洗涤过程中所述封端反应混合物包含5-25wt%、特别地8-20wt%、更特别地12-18wt%封端聚亚芳基醚时,实现良好的杂质分离并且避免乳化。在许多情况下,希望在封端步骤过程中使用较高的聚亚芳基醚浓度,因此所述方法可以任选地包括在用所述碱性水溶液洗涤之前,将所述封端反应混合物中的封端聚亚芳基醚的浓度调节(例如稀释)至5-25wt%。
在所述碱性水溶液中使用的碱可以是任何有效改善从所述封端反应混合物中萃取封端相关杂质的碱。合适的碱例如包括碱金属氢氧化物、水溶性有机伯胺、水溶性有机仲胺、水溶性有机叔胺、以及它们的组合。一些实施方案中,所述碱为碱金属氢氧化物,特别是氢氧化钠。
本发明人还观察到在升高的温度下进行时洗涤步骤的效率得到提高。例如,用碱性水溶液洗涤封端反应混合物可以在60-95℃、特别地70-90℃、更特别地75-85℃的温度下进行。
本发明人还观察到如果在进行洗涤的温度下所述碱性水溶液的粘度与封端反应混合物的粘度的比率为0.5∶1-3∶1,洗涤步骤的效率得到提高。
本发明方法可以与Freshour专利的洗涤方法不同的另一方面在于聚亚芳基醚溶液与水性洗涤的体积比。Freshour等人使用1∶1-2∶1的水/溶液比率并且表示优选较高的比率,因为它与分离出的聚亚芳基醚中较低的杂质浓度相关。然而,本发明人已经发现当所述封端溶液混合物与所述碱性水溶液的重量比为2∶1-25∶1、特别地3∶1-20∶1、更特别地4∶1-20∶1时,可以实现有效的萃取。
在所述碱性水溶液包含至少1.2摩尔/升的碱的约束下,也可以依据与封端剂的摩尔比规定碱浓度。例如,本发明人已经观察到当封端剂为酸酐时,所述碱性水溶液可以包含每摩尔的当量游离酸0.5-2摩尔的碱,其中当量游离酸是作为封端反应副产物产生的酸的摩尔数和两倍的过量封端剂的摩尔数之和。特别地,所述碱性水溶液可以包含每摩尔的当量游离酸0.6-1.5摩尔的碱、更特别地每摩尔的当量游离酸0.7-1摩尔的碱。另外的实施方案中,所述碱性水溶液可以包含每摩尔的当量游离酸0.6-0.9摩尔的碱、特别地每摩尔的当量游离酸0.7-0.8摩尔的碱。
一些实施方案中,对包含氧化聚合催化剂金属、例如铜或锰的聚合反应混合物进行封端步骤。换句话说,所述方法可以包括使一元酚在溶剂和催化剂金属的存在下氧化聚合从而形成包含聚亚芳基醚、溶剂和催化剂金属的聚合反应混合物。一些实施方案中,在封端步骤之前从所述聚合反应混合物中除去溶剂。可以在封端反应之前从所述聚合反应混合物中除去催化剂金属。或者,可以在封端反应之后以及在碱性水洗步骤之前通过螯合除去催化剂金属。或者,可以与碱性水洗步骤同时地通过螯合除去催化剂金属。因此,一些实施方案中,所述碱性水溶液进一步包含螯合剂。螯合剂的实例包括多亚烷基多胺多羧酸、氨基多羧酸、氨基羧酸、多羧酸、前述酸的碱金属盐、前述酸的碱土金属盐、前述酸的混合碱金属-碱土金属盐、等等、以及它们的组合。一些实施方案中,螯合剂为次氮基三乙酸的碱金属盐。一些实施方案中,螯合剂的用量为每摩尔催化剂金属约1-约15摩尔。另一可供选择的实施方案中,可以在碱性水洗步骤之后除去催化剂金属。
独立于进行催化剂金属螯合的时机,可以通过包括液-液分离技术例如滗析或离心的工艺从封端反应混合物中分离螯合剂水溶液。当采用离心时,离心所产生的力可以是1,000-15,000g力,特别是2,000-10,000g力。
当在包含铜的聚合催化剂存在下合成聚亚芳基醚时,分离出的封端聚亚芳基醚基于该分离出的封端聚亚芳基醚的重量,可以包含小于或等于15重量ppm的催化剂金属,特别地0.1-8重量ppm的催化剂金属,更特别地0.1-5重量ppm的催化剂金属。
所述方法可以包括多于一个的水性洗涤步骤。例如,一些实施方案中,所述方法进一步包括用水洗涤所述封端反应混合物。将会理解术语“水”包括自来水、去离子水、各种其它的净化水、以及其中加入了少量(<1wt%)的盐和/或其它改性剂的水。一些实施方案中,所述水在25℃具有0.05-1微西门子的电导率。作为另一实例,在一些实施方案中,所述方法包括用酸性水溶液洗涤所述封端反应混合物。酸洗的使用对于萃取胺类杂质是特别有效的,例如与作为封端剂的(甲基)丙烯酸酐一起使用的4-(N,N-二甲基胺)吡啶催化剂。合适的酸例如包括盐酸、硫酸、甲酸、乙酸、丙酸、草酸、柠檬酸等、以及它们的混合物。本文使用的前缀(甲基)丙烯-包括丙烯-和甲基丙烯-。例如,术语“(甲基)丙烯酸酐”包括“丙烯酸酐”和“甲基丙烯酸酐”。一些实施方案中,所述酸为乙酸。所述酸性水洗中的酸浓度可以是0.2-1摩尔/升,特别地0.25-0.8摩尔/升,更特别地0.3-0.6摩尔/升。
用于每一个水性洗涤步骤的时间将取决于包括以下的因素:封端反应混合物中的聚亚芳基醚浓度、封端剂种类和浓度、封端催化剂种类和浓度、水溶液组成、洗涤温度和所用设备的种类。典型的洗涤时间为1-240分钟,特别地2-180分钟,更特别地5-60分钟。通常在缓和的搅拌条件下进行洗涤从而防止形成乳液。通常的搅拌输入功率为每千克溶液0.5-25千焦。
一些实施方案中,用包含碱金属氢氧化物的水溶液、包含乙酸的水溶液以及水萃取所述封端反应混合物。用包含碱金属氢氧化物的水溶液洗涤可以在用包含乙酸的水溶液洗涤之前进行,用包含乙酸的水溶液洗涤又可以在用水洗涤之前进行。
一些实施方案中,用包含碱金属氢氧化物的第一水溶液、包含碱金属氢氧化物的第二水溶液、包含乙酸的水溶液以及水萃取所述封端反应混合物。用包含碱金属氢氧化物的第一和第二水溶液洗涤可以在用包含乙酸的水溶液洗涤之前进行,用包含乙酸的水溶液洗涤又可以在用水洗涤之前进行。
一种实施方案包括用包含碱金属氢氧化物的第一水溶液、包含碱金属氢氧化物的第二水溶液以及水洗涤所述封端反应混合物。另一实施方案包括用包含碱金属氢氧化物的第一水溶液、包含碱金属氢氧化物的第二水溶液、包含乙酸的水溶液以及水洗涤所述封端反应混合物。另一实施方案包括用第一水洗、包含碱金属氢氧化物的水溶液、包含乙酸的水溶液以及第二水洗来洗涤所述封端反应混合物。另一实施方案包括用包含碱金属氢氧化物的第一水溶液、包含碱金属氢氧化物的第二水溶液、第一水洗以及第二水洗来洗涤所述封端反应混合物。
可以用于所述水性洗涤步骤的设备例如包括液-液离心机、滗析器、逆流萃取设备、以及前述设备的组合。
可以将同一设备用于多重洗涤步骤。例如,当以分批模式进行所述工艺时,用于以碱性水溶液洗涤所述封端反应混合物的设备可以用于后继的洗涤步骤。所述后继洗涤步骤可以例如包括用第二碱性水溶液、酸性水溶液、或水洗涤。或者,当以连续模式进行所述工艺时,将不同的设备用于每一个洗涤步骤。
所述方法包括通过完全分离方法分离所述封端聚亚芳基醚。术语“完全分离方法”是指除去挥发性组分的方法。合适的完全分离方法包括脱挥发分挤出、喷雾干燥、刮膜蒸发、薄片蒸发(flake evaporation)、闪蒸脱挥发分(flash devolatilization)(例如,使用具有熔体泵的闪蒸器)、以及前述方法的组合。一些实施方案中,所述完全分离方法包括脱挥发分挤出。
一种具体实施方案是制备封端聚亚芳基醚的方法,所述方法包括:使聚亚芳基醚与封端剂在溶剂和封端催化剂的存在下反应从而形成包含封端聚亚芳基醚、溶剂、封端剂、封端催化剂和封端副产物的封端反应混合物;其中所述聚亚芳基醚为包含2,6-二甲苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷的单体氧化聚合的产物;其中所述封端剂为(甲基)丙烯酸酐;其中(甲基)丙烯酸酐与聚亚芳基醚上羟基的摩尔比为1-3;其中所述溶剂为甲苯;其中所述封端催化剂为4-(N,N-二甲基氨基)吡啶;以及其中所述封端副产物为(甲基)丙烯酸;用碱性水溶液洗涤之前调节所述封端反应混合物中封端聚亚芳基醚的浓度至5-25wt%;用包含5-15wt%氢氧化钠的碱性水溶液洗涤所述封端反应混合物从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第一纯化溶液;其中用碱性水溶液洗涤封端反应混合物在60-95℃的温度下进行;用包含0.2-1摩尔/升乙酸的酸性水溶液洗涤所述第一纯化溶液从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第二纯化溶液;其中用酸性水溶液洗涤第一纯化溶液在60-95℃的温度下进行;用水洗涤所述第二纯化溶液从而产生包含封端聚亚芳基醚和溶剂的第三纯化溶液;其中用水洗涤第二纯化溶液在60-95℃的温度下进行;以及通过脱挥发分挤出分离所述封端聚亚芳基醚。
另一实施方案是(甲基)丙烯酸酯封端的聚亚芳基醚,其由前述段落的方法制备并且包含小于或等于2,500重量ppm的作为(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酐的(甲基)丙烯酰基和小于或等于1,000重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶。
本发明延伸到由上述方法制备的(甲基)丙烯酸酯封端的聚亚芳基醚,其包含小于或等于2,500重量ppm的作为(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸酐的(甲基)丙烯酰基;和小于或等于1,000重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶,特别地小于或等于500重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶,更特别地小于或等于200重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶,再特别地小于或等于100重量ppm的4-(N,N-二甲基氨基)吡啶。低的杂质水平使这种(甲基)丙烯酸酯封端的聚亚芳基醚区别于现有技术的(甲基)丙烯酸酯封端的聚亚芳基醚。
由下列非限定实施例进一步说明本发明。
制备实施例1
本实施例描述用于制备双官能聚亚芳基醚溶液的一般过程。通过在甲苯中在铜胺催化剂的存在下氧化聚合制备2,6-二甲基苯酚(2,6-二甲苯酚;2,6-X)和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷(四甲基双酚A;TMBPA)的双官能共聚物。单体混合物由83wt%2,6-二甲基苯酚和17wt%2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷组成。催化剂铜和其它水溶性组分容许留在反应混合物中或者用次氮基三乙酸三钠(NTA)水溶液萃取。所得的双官能聚亚芳基醚(PPE)树脂具有25℃下在氯仿中测定的约0.09分升/克(dL/g)的特性粘度(IV)。该双官能PPE的末端羟基通过与甲基丙烯酸酐(MAA;每摩尔游离-OH基团1.1摩尔)在作为封端催化剂的N,N-二甲基氨基吡啶(DMAP;每摩尔游离-OH基团0.2摩尔)的存在下反应以甲基丙烯酸酯封端,从而产生甲基丙烯酸酯封端双官能聚亚芳基醚在甲苯中的53wt%溶液。该双官能聚亚芳基醚具有25℃下在氯仿中测定的0.09dL/g的特性粘度。
比较例1和2
这些实施例说明在分离出的双官能聚亚芳基醚中降低残余甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酐和封端催化剂的水平的重要性。
标为比较例1(“对比例1”)的试样由制备实施例1中所述的甲基丙烯酸酯封端双官能聚亚芳基醚在甲苯中的53wt%溶液制备。通过用甲醇(每1重量份溶液3重量份甲醇)沉淀从该53wt%溶液中分离该甲基丙烯酸酯封端双官能聚亚芳基醚。沉淀之后,过滤浆料并且在使滤饼于烘箱中干燥之前用甲醇冲洗一次。
比较例1由类似的2,6-二甲基苯酚和2,2-双(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烷的双官能共聚物起始,但是封端和沉淀过程不同。该批料的甲基丙烯酸酯封端使用每摩尔聚亚芳基醚-OH基团1.7摩尔的甲基丙烯酸酐和每摩尔-OH基团0.2摩尔的DMAP进行。通过用异丙醇反溶剂沉淀分离封端的双官能聚合物。异丙醇与溶液的重量比为3∶1。沉淀之后,过滤浆料并且使滤饼在异丙醇中再形成浆料。过滤该第二浆料并且将所得的滤饼在烘箱中干燥。
通过用树脂的甲苯溶液浸渍玻璃布(17.78厘米(7英寸)×19.05厘米(7.5英寸))制备层压体。在混合树脂溶液30分钟之后,将树脂溶液加热到65℃达15-30秒。在浸渍玻璃布两个循环之后,使玻璃布通过蒸发干燥过夜从而得到约50wt%浸渍的可固化组合物(即“预浸料坯”)。通过层叠若干预浸料坯,在150-180℃的温度和13.34千牛顿(3000磅)的压力下压缩模塑4分钟,然后在热压机中冷却3分钟,制备层压体。用千分尺测定每一层压体的平均厚度。
按照IPC-TM-650-2.4.13进行浮焊试验。简单地说,使试样(50mm×50mm)漂浮在熔融焊料表面上10秒钟然后取出并且测量。目测检查层压体的起泡、收缩、变形或熔化。对于没有可见的起泡、收缩、变形或熔化迹象的层压体而言将会是“合格”等级。
结果在下表1中。它们表明用残余甲基丙烯酸浓度为3,116ppm、残余甲基丙烯酸酐浓度为269ppm和二甲基氨基吡啶浓度为10,827ppm的聚亚芳基醚制备的比较例1层压体的浮焊试验不合格,而用残余甲基丙烯酸浓度为1,810ppm、残余甲基丙烯酸酐浓度为231ppm和二甲基氨基吡啶浓度为2,102ppm的聚亚芳基醚制备的比较例2层压体的浮焊试验合格。
表1
|
对比例1 |
对比例2 |
异氰脲酸三烯丙基酯(pbw) |
100 |
100 |
MA-PPE(pbw) |
100 |
100 |
2,5-双(叔丁基过氧)-2,5-二甲基-3-己炔(pbw) |
2.02 |
2.02 |
叔丁基儿茶酚(pbw) |
0.205 |
0.205 |
层压体中的树脂(wt%) |
49.6 |
50.2 |
层压体厚度(mm) |
1.5 |
1.47 |
MA-PPE中的MAOH(ppm) |
3,116 |
1,810 |
MA-PPE中的MAA(ppm) |
269 |
231 |
MA-PPE中的DMAP(ppm) |
10,827 |
2,102 |
浮焊试验 |
|
|
在260℃ |
失败 |
通过 |
在288℃ |
失败 |
通过 |
实施例1-5
实施例1-5说明有机相中的固体浓度和碱水溶液浓度对萃取过程中有机相中的水保留的影响。
将双官能聚亚芳基醚封端之后,如下纯化所得的甲苯溶液(44.4%固体):通过添加甲苯将溶液的10克等分试样稀释至所需的固体重量百分比并且将稀释溶液放入80℃油浴中30分钟。加入所需的去离子水量和50wt%NaOH溶液从而在水相中获得期望的NaOH重量百分比;典型的添加为每7份甲苯溶液大约1重量份的水溶液。刚好在添加水相之后,用手摇动混合物1分钟,然后将混合物放回80℃油浴中30分钟。该时间之后,从油浴中取出混合物并且以3,000转/分(rpm)在实验室离心机中处理30分钟。从离心机中取出试样并且通过用移液管吸出上层相分离两相。有机相如同指示的那样按照上述相同过程进行第二次或第三次洗涤。
通过气相色谱法分析所得有机相的含水量。结果示于表2。
可以从表2中看出,有机相中的水保留随着提高水相浓度(在这种情况下是NaOH浓度)和提高甲苯混合物中的固体浓度而增大。在实施例1中,其中有机相中的固体浓度为15wt%、碱水溶液的浓度为4.1-4.7wt%,第一次洗涤之后有机相中存在375ppm水,第二次洗涤后存在451ppm水。当如同实施例5所示,有机相中固体浓度为40wt%、碱水溶液的浓度为10.3-10.7wt%时,该值增加到第一次洗涤后为1564ppm以及第二次洗涤后为7048ppm。
表2
实施例6,比较例3
这些实施例说明有机和NaOH水相的比率改变的影响。对于每一次萃取,有机相为含42wt%固体的甲苯中的封端反应混合物。对于比较例3,NaOH水相包含3wt%NaOH。对于实施例6,NaOH水相包含9wt%NaOH。在比较例3中,用1重量份NaOH水溶液萃取2.5重量份有机相,而实施例6中,用1份NaOH水溶液萃取9份有机混合物。使用实施例1-5的萃取过程。结果在表3中提供。
可以从表3中看出,将1份NaOH水溶液萃取的有机部分的量从2.5份增加到9份不利地影响甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸和水的残余量。可以注意到实施例8中洗涤1和洗涤2之后的残余MAOH和MAA量显著大于实施例7中的量。另外,有机相内的水保留量在实施例8中显著大于实施例7中。
表3
实施例7-10
这些实施例说明水相组成(水对NaOH水溶液)和有机相固体浓度对残余的水和封端剂和副产物、以及相分离质量的影响。使用实施例1-5的萃取过程。有机相和水相的分离质量用目测确定并且报道为“良好地滗析”或者当形成乳液时报道为“有机相乳化”。MAOH+MAA的浓度和DMAP浓度基于干燥聚合物确定(标记*)。结果列于下表4中。
可以从表4中看出,用水萃取除去基本上所有的DMAP,有机相中的水保留相对较低,以及分离的相容易滗析。然而,残余MAA+MAOH的浓度相对较高。另一方面,用氢氧化钠水溶液萃取在除去MAA和MAOH方面更有效,但是DMAP的残余浓度相对较高,有机相中的水保留也是如此。另外,有机相与水相一起形成乳液。还可以从实施例8和10中看出,将有机相中的固体浓度从15wt%提高到30wt%不利地影响萃取过程,如同残余MAOH和MAA的增加以及水保留的增加所指示的那样。
表4
|
实施例7 |
实施例8 |
实施例9 |
实施例10 |
有机相中的固体(wt%) |
15 |
15 |
30 |
30 |
洗涤号 |
1 |
1 |
1 |
1 |
添加的NaOH与MAOH的化学计量之比(%) |
0 |
100 |
0 |
100 |
MAOH+MAA(ppm)* |
268,313 |
8,313 |
263,570 |
10,760 |
DMAP(ppm)* |
0 |
2,167 |
0 |
2,027 |
最终有机相中的水(ppm) |
1,225 |
4,564 |
1,629 |
17,121 |
分离质量 |
良好地滗析 |
有机相乳化 |
良好地滗析 |
有机相乳化 |
实施例11-14,比较例4
这些实施例说明对包含25wt%聚亚芳基醚、28,032ppm MAOH+MAA、2,259ppm DMAP和5ppm Na+的甲苯混合物进行的萃取的结果。在萃取之前通过螯合除去氧化偶联催化剂。比较例4代表使用异丙醇作为反溶剂沉淀的试样;它在沉淀之前没有经受萃取。表5显示每一试样的萃取顺序和基于干燥聚合物的萃取之后有机相中的MAOH+MAA、DMAP和Na+的残余浓度。“化学计量”是指NaOH与甲基丙烯酸总当量之间的化学计量关系,其中甲基丙烯酸的总当量是作为封端反应中的副产物产生的甲基丙烯酸的摩尔数与两倍的封端反应中所用的过量甲基丙烯酸酐摩尔数之和。在表5中,“乙酸”是指由0.2摩尔/升乙酸和水组成的水溶液。在表5中,“水”是指去离子水。对于每一个洗涤步骤,将1重量单位的水相用于7单位的封端反应混合物。洗涤步骤按照实施例1-5的过程进行。
结果表明,实施例11中所用的顺序最有效地萃取MAOH+MAA,然而,显著量的DMAP和钠离子留在有机相中。实施例12和14都产生DMAP和钠的有效萃取,其中实施例12在萃取MAOH+MAA方面更有效。
表5
*基于干燥聚合物重量
实施例15-18
这些实施例说明对包含25wt%聚亚芳基醚、27,989ppm MAOH+MAA、2,554ppm DMAP和4ppm Na+的甲苯混合物进行的萃取的结果。在萃取之前没有除去氧化偶联催化剂,将螯合步骤与水萃取步骤中的一步组合。洗涤步骤按照实施例1-5的过程进行。表6概括了每一试样的萃取顺序和萃取之后有机相中残余的甲基丙烯酸+甲基丙烯酸酐(MAOH+MAA)、4-(N,N-二甲基氨基)吡啶(DMAP)和Na+。在表6中,“NTA”是指螯合剂次氮基三乙酸,它当存在时用量为每摩尔聚合催化剂中的铜离子1.2摩尔。
可以从表6的结果中看出,观察到与实施例11-14类似的倾向,意味着氧化聚合催化剂的存在不会对萃取过程有大的影响。因此,可以有利地避免在PPE官能化之前或者在萃取之前除去氧化偶联催化剂和副产物。
表6
*基于干燥聚合物重量
实施例19和20,比较例5和6
这些实施例说明液-液萃取对不饱和封端基团的影响,特别是用氢氧化钠水溶液萃取使聚亚芳基醚上的甲基丙烯酸酯封端基团水解的程度。所有实施例由使用甲基丙烯酸酐封端的特性粘度为0.09dL/g的双官能PPE的甲苯溶液起始,其中在封端之前已经除去氧化偶联催化剂和催化副产物。该甲苯溶液包含25wt%聚亚芳基醚。对于比较例5和实施例19,已经在封端之前通过螯合除去氧化偶联催化剂和催化副产物。对于比较例6和实施例20,没有进行螯合。对于比较例5和6,没有进行洗涤。对于实施例19和20,按照实施例1-5的过程进行洗涤步骤。特别地,实施例19用75%化学计量量的NaOH、75%化学计量量的NaOH(再一次)以及水顺序洗涤。实施例20用75%化学计量量的NaOH和次氮基三乙酸、75%化学计量量的NaOH以及水顺序洗涤。
对于所有实施例,通过在真空烘箱中蒸发挥发物分离聚亚芳基醚。用1H NMR测定甲基丙烯酰基封端基团(-C(=O)CH(CH3)=CH2)基于聚亚芳基醚总重量的重量百分比。示于下表7的结果令人惊讶地表明,用浓氢氧化钠溶液萃取没有不利影响甲基丙烯酸酯封端基团。(实施例19对比较例5以及实施例20对比较例6的封端基团浓度的表观增大不是统计上有意义的(significant)。)
表7
|
MA-Cap(wt%) |
对比例5 |
7.68 |
实施例19 |
8.19 |
对比例6 |
7.05 |
实施例20 |
7.24 |
本说明书将实例用来公开包括最佳方式在内的本发明,而且还用来使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明可取得专利的范围由权利要求限定,而且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求的文字术语没有不同的构成要素的话,或者如果它们包括与权利要求的文字术语没有实质区别的等价构成要素的话,它们意欲处于所述权利要求的范围内。
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