CN102352004A - 一种氯甲基化聚醚醚酮及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
一种新的氯甲基化聚醚醚酮及其合成方法。该氯甲基化聚醚醚酮化学结构式为:式中:n=50-1000,其分子量为10,000-200,000,氯甲基化程度x=0.1-3.0。其合成方法是采用浓度为80-100%的硫酸代替传统的含氯烷烃作为溶剂和催化剂,氯甲基烷基醚为氯甲基化试剂,合成氯甲基化聚醚醚酮。并通过反应温度、反应时间以及硫酸浓度调节氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度。所制备的氯甲基化聚醚醚酮材料的分子量为10,000-200,000,常压空气中玻璃化温度为100-160℃,氯甲基化程度为0.1-3.0。本发明解决了聚醚醚酮溶解性差及其导致的难以氯甲基化改性的难题,成功合成了氯甲基化聚醚醚酮,反应条件温和、操作方便、环境污染小。
Description
技术领域
本发明涉及一种新的氯甲基化聚醚醚酮及其合成方法。
背景技术
氯甲基化聚合物可以方便地制备其它功能聚合物,例如含有氨基、羟基、季铵基、季鏻基、咪唑基、吡啶基等功能基团的聚合物,这些功能聚合物广泛应用于纺织、造纸、石油化工、化妆品、水处理、膜分离、电池隔膜等领域。目前,常用的是聚苯乙烯系的氯甲基化聚合物。由于聚苯乙烯主链的热稳定性、化学稳定性和机械性能较差,导致进一步合成的功能材料的应用受到很大的限制。因此,开发具有良好热稳定性、化学稳定性和机械性能的氯甲基化聚合物成为国内外研究的热点问题。
聚醚醚酮是一种高性能商业化聚合物材料,它具有高的热稳定性、化学稳定性和机械性能。对聚醚醚酮进行氯甲基化改性,合成氯甲基化聚醚醚酮,进而可制成具有良好热稳定性、化学稳定性和机械性能的功能化聚合物。氯甲基化的常规方法是:在氯代有机溶剂的聚合物溶液中,聚合物与氯甲基化试剂在路易斯酸催化下反应来合成氯甲基化聚合物。但是,聚醚醚酮不溶于氯代有机溶剂,无法通过常规的氯甲基化方法对其进行氯甲基化改性,这严重阻碍了这种高性能聚合物的功能化应用。国内外尚未见有关聚醚醚酮氯甲基化的报道。
如何实现高性能聚合物聚醚醚酮的氯甲基化,向聚醚醚酮分子链上引入氯甲基,改善聚醚醚酮的溶解性,制备一种可溶于常规有机溶剂的氯甲基化聚醚醚酮材料,成为本发明要解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种本发明涉及一种新的氯甲基化聚醚醚酮及其合成方法,是用高分子聚合物聚醚醚酮为原料,经氯甲基化改性反应合成了一种新的氯甲基化聚醚醚酮材料。
本发明的技术方案是:
新的氯甲基化聚醚醚酮的化学结构为:
式中:n=50-1000,其分子量为10,000-200,000,x=0.1-3.0,常压下空气中玻璃化温度为100-160℃。
氯甲基化程度代表氯甲基化聚醚醚酮材料分子链中每个结构单元上所含氯甲基基团的摩尔分数,其数值等于x。
上述氯甲基化聚醚醚酮的合成方法为聚醚醚酮经氯甲基化改性得到。合成方法如下:
每1g的聚醚醚酮加到40-100ml、浓度80-100%的硫酸中,溶解后向聚醚醚酮溶液中加入10-30ml氯甲基烷基醚,在-20℃-30℃反应5分钟-5小时;氯甲基化反应结束后,将反应液倒入沉淀剂中析出沉淀物,过滤,洗涤,干燥,得到氯甲基化聚醚醚酮产品。然后将沉淀物溶于5-20ml有机溶剂中,再倒入沉淀剂中,再次析出沉淀物,过滤,产物用沉淀剂洗涤,干燥,精制完成后得到氯甲基化聚醚醚酮。
在氯甲基化聚醚醚酮的合成方法中,所述溶剂选自浓度为80-100%的硫酸;氯甲基烷基醚,烷基可以为甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基或辛基等;沉淀剂可以为水、甲醇、乙醇或丙酮等;精制用的有机溶剂可以为氯仿、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮等。
本发明氯甲基化聚醚醚酮的合成方法,可以通过控制反应时间、反应温度或浓硫酸浓度来调节氯甲基化程度。
本发明的有益效果是反应条件温和、操作方便,环境污染小。
附图说明
图1为氯甲基化聚醚醚酮的1HNMR谱图。
图中:横坐标为化学位移值ppm。
图2为反应温度对氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度的影响示意图。
图中:横坐标是温度℃,纵坐标是氯甲基化程度。
图3为浓硫酸浓度对氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度的影响示意图。
图中:横坐标为浓硫酸浓度%,纵坐标是氯甲基化程度。
图4为反应时间对氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度的影响示意图。
图中:横坐标是氯甲基化反应时间h,纵坐标是氯甲基化程度。
具体实施方式
实施例1
在反应器中加入60ml 90%的浓硫酸,搅拌下把1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)加入反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在0℃下向聚醚醚酮溶液中加入15ml/g氯甲基乙醚,在0℃下反应半小时。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入600ml乙醇中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在60℃真空下干燥。然后将沉淀物溶于8ml N-甲基吡咯烷酮中,再在搅拌下将该溶液倒入100ml乙醇中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,在60℃真空下干燥至恒重。产物的HNMR谱图(图1)中~4.7ppm处出现了氯甲基中H的特征峰,证明了氯甲基化聚醚醚酮的成功合成,并通过峰面积比计算得到氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度为1.0。
实施例2
在反应器中加入80ml 95%的浓硫酸,搅拌下把1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)加入反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在0℃下向聚醚醚酮溶液中加入20ml/g氯甲基丙基醚,在10℃下反应1小时。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入1000ml丙酮中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在80℃真空下干燥。然后将沉淀物溶于10ml N,N-二甲基乙酰胺中,再在搅拌下将该溶液倒入200ml丙酮中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,在80℃真空下干燥至恒重,获得氯甲基化聚醚醚酮,氯甲基化程度为1.5。
实施例3
在反应器中加入100ml 100%的浓硫酸,搅拌下把1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)加入反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在30℃下向聚醚醚酮溶液中加入50ml/g氯甲基辛基醚,在20℃下反应2小时。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入5,000ml去离子水中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在120℃真空下干燥。然后将沉淀物溶于15ml氯仿中,再在搅拌下将该溶液倒入500ml乙醇中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,在100℃下真空干燥至恒重,获得氯甲基化聚醚醚酮,氯甲基化程度为2.0。
实施例4:通过反应温度调节氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度
在6个反应器中分别加入40ml 90%的浓硫酸,搅拌下把6份1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)分别加入6个反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在0℃下分别向6个聚醚醚酮溶液中加入10ml/g氯甲基甲醚,然后分别在-20,-10,0,10,20,30℃下反应15min。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入300ml甲醇中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在40℃真空下干燥,得到氯甲基聚醚醚酮产品。然后将产品溶于10ml N,N-二甲基甲酰胺中,再在搅拌下将该溶液倒入甲醇中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,干燥至恒重,获得精制的氯甲基化聚醚醚酮,氯甲基化程度为0.1,0.3,0.6,0.8,1.0,11(如图2所示)。随温度的升高,氯甲基聚醚醚酮的氯甲基化程度不断增大,这是因为随着反应温度的增加,反应速度增加、催化活性增加。
实施例5:通过浓硫酸浓度调节氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度
在5个反应器中分别加入40ml 80%,85%,90%,95%,100%的浓硫酸,搅拌下把5份1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)分别加入5个反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在0℃下向5个聚醚醚酮溶液中分别加入10ml/g氯甲基甲醚,在0℃下反应15min。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入300ml甲醇中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在40℃真空下干燥。然后将沉淀物溶于10ml N,N-二甲基甲酰胺中,再在搅拌下将该溶液倒入甲醇中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,干燥至恒重,获得氯甲基化聚醚醚酮,氯甲基化程度为0.3,0.6,0.9,1.3,1.7(如图3所示)。硫酸浓度对CMPEEK取代度有较大的影响,随着硫酸浓度的增加,氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度逐渐增大,这可能是因为在反应中起催化作用的是三氧化硫,而随着硫酸浓度的增加,硫酸中游离三氧化硫的含量增加,使得反应速率加快。
实施例6:通过反应时间调节氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度
在反应器中分别加入40ml 90%的浓硫酸,搅拌下把1g聚醚醚酮(120℃真空干燥12小时)加入反应器中,继续搅拌使其完全溶解。在0℃下向聚醚醚酮溶液中加入10ml/g氯甲基甲醚,在0℃下反应0.25-8h。氯甲基化反应结束后,将反应液倒入300ml甲醇中析出沉淀物,过滤,洗涤至中性,在40℃真空下干燥。然后将沉淀物溶于10ml N,N-二甲基甲酰胺中,再在搅拌下将该溶液倒入甲醇中,再次析出沉淀物,过滤,用乙醇洗涤,干燥至恒重,获得氯甲基化聚醚醚酮,氯甲基化程度为0.1-3.0(如图4所示)。随着时间的增长,氯甲基化聚醚醚酮的氯甲基化程度逐渐增大。但反应4小时后反应速率有所降低,这是因为随着反应时间的增加,活性位点逐渐减少,反应速率也就相应降低。
Claims (6)
3.根据权利要求2所述的合成方法,其特征在于,所述氯甲基烷基醚的烷基包括甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基或辛基。
4.根据权利要求2或3所述的合成方法,其特征在于,所述的沉淀剂选自水、甲醇、乙醇或丙酮。
5.根据权利要求2或3所述的合成方法,其特征在于,所述的有机溶剂选自氯仿、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
6.根据权利要求4所述的合成方法,其特征在于,所述的有机溶剂选自氯仿、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮。
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