发明内容
本发明的一个目的是提供一种主链含哌嗪结构的大分子三嗪成炭剂。
本发明的大分子三嗪成炭剂的结构式为:
其中,R为-(CF2)m-、-(CF2)mOCF2CF2-或-N(CH3)(CH2)m-,m为1~10的整数;X为氢、钠、钾或镍。
本发明的另一目的是提供一种制备该大分子三嗪成炭剂的方法。
该方法是由无水哌嗪和三聚氯氰缩聚后再取代后得到,具体步骤如下:
步骤(1).将无水哌嗪与缚酸剂按摩尔比(0.5~1): 1混合,在惰性气体氛围中,25~45℃下搅拌0.5~1小时;
所述的无水哌嗪的分子式为C
4H
10N
2,化学结构式为
;
所述的惰性气体为氮气或氩气;
所述的缚酸剂为三乙胺、吡啶、4-二甲氨基吡啶、N-N二异丙基乙胺、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种;
步骤(2).加入三聚氯氰的非质子性有机溶剂,25~45℃下反应4~8小时;
三聚氯氰的非质子性有机溶剂中三聚氯氰的浓度为0.1~1mol/L,加入的三聚氯氰与无水哌嗪的摩尔比为(0.5~1.5):1;
所述的非质子性有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N-N二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺、四氢呋喃、二氧六环、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一种;
步骤(3).向反应溶液中加入含有磺酸基团活性单体的非质子性有机溶剂,再加入催化剂或缚酸剂,升高温度至80~150℃,反应8~12小时;所述的非质子性有机溶剂与步骤(2)采用同种非质子性有机溶剂;
含有磺酸基团活性单体的非质子性有机溶剂中含有磺酸基团活性单体的浓度为0.1~1mol/L,加入的含有磺酸基团活性单体与三聚氯氰的摩尔比为(0.5~1.5):1;
所述的含有磺酸基团活性单体的分子式为MRSO3X,其中M为I、Br或H,X为氢、钠、钾或镍,R为-(CF2)m-、-(CF2)mOCF2CF2-或-N(CH3)(CH2)m-,m为1~10的整数,且R为-(CF2)m-或-(CF2)mOCF2CF2-时M为I或Br、R为-N(CH3)(CH2)m-时M为H;M为I或Br时加入催化剂,M为H时加入缚酸剂;
所述的催化剂为金属铜、镍、锌或钯,加入的催化剂与磺酸基团活性单体的摩尔比为(2~5):1;所述的缚酸剂为三乙胺、吡啶、4-二甲氨基吡啶、N-N二异丙基乙胺、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾中的一种,加入的缚酸剂与磺酸基团活性单体的摩尔比为(1~2):1;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到主链含哌嗪结构的大分子三嗪成炭剂。
本发明中的无水哌嗪、缚酸剂、三聚氯氰和含有磺酸基团活性单体为成熟产品,可以通过市场购买取得。
本发明将具有催化作用的基团引入三嗪大分子聚合物中,一方面使具有催化作用的基团和成炭剂成为一体,可以就近产生催化作用,另一方面可以把具有催化作用的基团固定到聚合物的分子链上,防止迁移和分散不均,可以大大提高催化有效性。该催化-成炭剂合成过程连续、反应时间短、合成工艺简单的优点,并且产物的热稳定性好、成炭率高、加工性能好,可广泛用于各种高分子阻燃体系,提高其阻燃效率,也可用于离子交换或其他催化领域。
相对于现有的生产技术反应时间在29小时以上而且合成工艺复杂,本发明具有反应过程连续,反应时间短的优点,通常只需要反应14~18小时,缩短了反应时间,提高了反应效率,降低了生产成本,且产物热稳定性好,成炭率高,加工性能好,而且原材料多为工业上易得的低成本材料,具有广阔的应用前景。
具体实施方式
以下方法制备的大分子三嗪成炭剂的聚合度n为100~400。
实施例1.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与101克三乙胺(1mol)混合,在氩气氛围中,25℃下搅拌1小时;
步骤(2).加入1L浓度为1mol/L的三聚氯氰的N-甲基吡咯烷酮溶液,25℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为1mol/L的HN(CH3)(CH2)10SO3H的N-甲基吡咯烷酮溶液,再加入101克三乙胺(1mol),升高温度至80℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为29400。
实施例2.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与112克氢氧化钾(2mol)混合,在氮气氛围中,30℃下搅拌50分钟;
步骤(2).加入1L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的N-N二甲基甲酰胺溶液,30℃下反应7小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为0.3mol/L的HN(CH3)(CH2)5SO3H的N-N二甲基甲酰胺溶液,再加入28克氢氧化钾(0.5mol),升高温度至90℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为68400。
实施例3.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与60克氢氧化钠(1.5mol)混合,在氩气氛围中,35℃下搅拌45分钟;
步骤(2).加入10L浓度为0.1mol/L的三聚氯氰的N-N二甲基乙酰胺溶液,35℃下反应6小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.1mol/L的HN(CH3)(CH2)8SO3K的N-N二甲基乙酰胺溶液,再加入32克氢氧化钠(0.8mol),升高温度至100℃,反应11小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为126600。
实施例4.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与79克吡啶(1mol)混合,在氮气氛围中,40℃下搅拌40分钟;
步骤(2).加入3L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的四氢呋喃溶液,40℃下反应5小时;
步骤(3).向反应溶液中加入2L浓度为0.5mol/L的HN(CH3)(CH2)7SO3Ni的四氢呋喃溶液,再加入158克吡啶(2mol),升高温度至110℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为171200。
实施例5.
步骤(1).将68.8克无水哌嗪C4H10N2 (0.8mol)与84克碳酸氢钠(1mol)混合,在氩气氛围中,45℃下搅拌30分钟;
步骤(2).加入5L浓度为0.2mol/L的三聚氯氰的丙酮溶液,45℃下反应4小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.3mol/L的HN(CH3)CH2SO3H的丙酮溶液,再加入252克碳酸氢钠(3mol),升高温度至120℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为86400。
实施例6.
步骤(1).将43克无水哌嗪C4H10N2 (0.5mol)与129克N-N二异丙基乙胺 (1mol)混合,在氮气氛围中,25℃下搅拌30分钟;
步骤(2).加入1L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的乙酸乙酯溶液,25℃下反应4小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1.5L浓度为0.5mol/L的HN(CH3)(CH2)3SO3K的乙酸乙酯溶液,再加入129克N-N二异丙基乙胺 (1mol),升高温度至130℃,反应9小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为70400。
实施例7.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与106克碳酸钠(1mol)混合,在氩气氛围中,45℃下搅拌1小时;
步骤(2).加入3L浓度为0.4mol/L的三聚氯氰的二氧六环溶液,45℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为1mol/L的HN(CH3)(CH2)6SO3Na的二氧六环溶液,再加入53克碳酸钠(0.5mol),升高温度至140℃,反应8小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为137400。
实施例8.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与120克碳酸氢钾(1.2mol)混合,在氮气氛围中,25℃下搅拌45分钟;
步骤(2).加入2L浓度为0.4mol/L的三聚氯氰的丁酮溶液,25℃下反应6小时;
步骤(3).向反应溶液中加入2L浓度为0.6mol/L的HN(CH3)(CH2)4SO3Ni的丁酮溶液,再加入150克碳酸氢钾(1.5mol),升高温度至150℃,反应8小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为77200。
实施例9.
步骤(1).将43克无水哌嗪C4H10N2 (0.5mol)与138克碳酸钾(1mol)混合,在氩气氛围中,35℃下搅拌45分钟;
步骤(2).加入1L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的N-N二甲基甲酰胺溶液,30℃下反应5小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1.5L浓度为0.5mol/L的HN(CH3)(CH2)9SO3Na的N-N二甲基甲酰胺溶液,再加入138克碳酸钾(1mol),升高温度至100℃,反应8小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为12600。
实施例10.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与122克4-二甲氨基吡啶(1mol)混合,在氮气氛围中,40℃下搅拌30分钟;
步骤(2).加入3L浓度为0.4mol/L的三聚氯氰的二氧六环溶液,45℃下反应5小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为1mol/L的HN(CH3)(CH2)2SO3H的二氧六环溶液,再加入61克4-二甲氨基吡啶(0.5mol),升高温度至120℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为30000。
实施例11.
步骤(1).将68.8克无水哌嗪C4H10N2 (0.8mol)与84克碳酸氢钠(1mol)混合,在氩气氛围中,25℃下搅拌1小时;
步骤(2).加入5L浓度为0.2mol/L的三聚氯氰的丙酮溶液,25℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.3mol/L的ICF2SO3H的丙酮溶液,再加入177克金属镍(3mol),升高温度至80℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为82200。
实施例12.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与101克三乙胺(1mol)混合,在氮气氛围中,40℃下搅拌40分钟;
步骤(2).加入1L浓度为1mol/L的三聚氯氰的N-甲基吡咯烷酮溶液,40℃下反应5小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为1mol/L的I(CF2)10OCF2CF2SO3K的N-甲基吡咯烷酮溶液,再加入195克金属锌(3mol),升高温度至100℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为89700。
实施例13.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与79克吡啶(1mol)混合,在氩气氛围中,35℃下搅拌30分钟;
步骤(2).加入3L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的四氢呋喃溶液,45℃下反应6小时;
步骤(3).向反应溶液中加入2L浓度为0.5mol/L的Br(CF2)10SO3Ni的四氢呋喃溶液,再加入127克金属铜(2mol),升高温度至90℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为80100。
实施例14.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与60克氢氧化钠(1.5mol)混合,在氮气氛围中,35℃下搅拌50分钟;
步骤(2).加入10L浓度为0.1mol/L的三聚氯氰的N-N二甲基乙酰胺溶液,30℃下反应7小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.1mol/L的ICF2OCF2CF2SO3H的N-N二甲基乙酰胺溶液,再加入212克金属钯(2mol),升高温度至80℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为81800。
实施例15.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与106克碳酸钠(1mol)混合,在氩气氛围中,25℃下搅拌45分钟;
步骤(2).加入3L浓度为0.4mol/L的三聚氯氰的二氧六环溶液,25℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入1L浓度为1mol/L的Br(CF2)2OCF2CF2SO3Na的二氧六环溶液,再加入325克金属锌(5mol),升高温度至100℃,反应8小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为96200。
实施例16.
步骤(1).将68.8克无水哌嗪C4H10N2 (0.8mol)与84克碳酸氢钠(1mol)混合,在氮气氛围中,45℃下搅拌半小时;
步骤(2).加入5L浓度为0.2mol/L的三聚氯氰的丙酮溶液,45℃下反应5小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.3mol/L的Br(CF2)4OCF2CF2SO3Ni的丙酮溶液,再加入177克镍(3mol),升高温度至120℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为61700。
实施例17.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与79克吡啶(1mol)混合,在氩气氛围中,30℃下搅拌1小时;
步骤(2).加入3L浓度为0.5mol/L的三聚氯氰的二氧六环溶液,30℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入2L浓度为0.5mol/L的Br(CF2)4SO3Na的二氧六环溶液,再加入127克金属铜(2mol),升高温度至100℃,反应12小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为139500。
实施例18.
步骤(1).将86克无水哌嗪C4H10N2 (1mol)与60克氢氧化钠(1.5mol)混合,在氮气氛围中,25℃下搅拌50分钟;
步骤(2).加入10L浓度为0.1mol/L的三聚氯氰的乙酸乙酯溶液,25℃下反应8小时;
步骤(3).向反应溶液中加入5L浓度为0.1mol/L的I(CF2)6SO3K的乙酸乙酯溶液,再加入212克金属钯(2mol),升高温度至110℃,反应10小时;
步骤(4).反应结束后,经过抽滤、水洗、干燥,得到如下结构的大分子三嗪成炭剂,该大分子三嗪成炭剂的平均分子量为119400。