CN102766255A - 聚芳醚腈树脂及其工业化合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种聚芳醚腈树脂及其工业化合成方法。聚芳醚腈树脂，其结构单元为：
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种聚芳醚腈树脂及其工业化合成方法。
背景技术
聚芳醚腈是一类侧链上具有腈基的热塑性聚合物，它是从二十世纪八十年代以来首先为国防军工和尖端技术的需求而发展起来的一类综合性能优异的结晶型高分子材料，具有很高的耐热性、阻燃性、机械强度、防紫外线和抗蠕变性好等优良特性。由于其综合性能优异，可广泛应用于航空航天、电子封装、机械制造、汽车零件等领域。
已有关于聚芳醚腈树脂的中国发明专利有：聚芳醚腈的工业化生产方法(ZL200610038381.8)、一种半晶型聚芳醚醚腈的工业化生产方法(ZL2008103057203)、一种聚芳醚腈树脂的制备方法(ZL201010185867.0)、一种聚芳醚腈粉末的制备方法(ZL201010283079.5)等报道。这些发明存在许多不足，首先，制备的聚芳醚腈树脂都是无定形或低结晶(结晶度低于10%以下)的树脂，其产品在合成时溶解度太大，导致该类产品不耐强极性溶剂腐蚀；其次，制备方法中合成结束后必须经过水沉淀等步骤，导致回收溶剂效率低、能耗大；最后，回收溶剂纯度低导致再利用效果差。针对上述缺陷，本发明发明人针对聚芳醚腈树脂的合成及其性能进行了大量的研究。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供了一种聚芳醚腈树脂，所得聚芳醚腈树脂结晶度在28～38%。
本发明的技术方案：
一种聚芳醚腈树脂，其结构单元为：
上述聚芳醚腈树脂以2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，以非质子强极性溶剂、催化剂和脱水剂为辅助原料制成；其中，原料的摩尔配比为：2,6-二卤苯甲腈︰芳香族二元酚︰催化剂︰非质子强极性溶剂︰脱水剂=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5；所述芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种。
本发明还提供了聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，包括以下步骤：
(1)聚合反应：
以2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，在非质子强极性溶剂、催化剂、脱水剂的作用下反应得聚芳醚腈溶液；然后将所得聚芳醚腈溶液通过闪蒸处理得到聚芳醚腈粉末；其中，所述芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种；
(2)后处理
将上述聚芳醚腈粉末研磨成粒径≤0.1mm的粉末，将所得粉末用有机溶剂浸泡后固液分离，液体回收利用，固体经沸水洗涤、过滤、干燥得本发明的聚芳醚腈树脂。
优选的，步骤(1)中所述闪蒸处理指将聚芳醚腈溶液于160-180℃减压蒸出非质子强极性溶剂。
更优选的，步骤(1)中所述闪蒸处理采用带粉碎刀片式搅拌的闪蒸器。
优选的，步骤(1)中原料摩尔配比为：2,6-二卤苯甲腈︰芳香族二元酚︰催化剂︰非质子强极性溶剂︰脱水剂=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5，其中芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种。
优选的，所述2，6-二卤苯甲腈为2，6-二氯苯甲腈。
优选的，所述催化剂为碱金属碳酸盐；优选为无水碳酸钠、无水碳酸钾或无水碳酸氢钠中的至少一种；更优选为无水碳酸钾。
优选的，所述非质子强极性溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、环丁砜、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的至少一种；更优选为N-甲基吡咯烷酮。
优选的，所述脱水剂为烷基苯或卤代苯；优选为甲苯、二甲苯或氯苯中的至少一种；更优选为甲苯。
优选的，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种。
优选的，上述方法的步骤(1)中，2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，在非质子强极性溶剂、催化剂、脱水剂的作用下于140～170℃常压反应2～4小时，去除脱水剂后升温至180-200℃常压反应2～4小时获得聚芳醚腈溶液。
优选的，上述方法步骤(1)中去除脱水剂后升温至180-200℃反应2～4小时的过程中，反应至出现涨釜现象时加入非质子强极性溶剂稀释溶液。
优选的，上述方法步骤(1)中聚芳醚腈溶液通过闪蒸处理得到粒径小于1mm聚芳醚腈粉末。
优选的，步骤(2)中聚芳醚腈粉末采用胶体磨研磨。
优选的，步骤(2)中聚芳醚腈粉末的粒径研磨至0.005～0.1mm。
优选的，步骤(2)中聚芳醚腈粉末于有机溶剂中浸泡0.2～1小时。
优选的，步骤(2)中的干燥条件为145～155℃下干燥20～30小时；更优选为150℃下干燥24小时。
本发明的有益效果：
1、本发明得到的聚芳醚腈树脂的结晶度高，具有较好的热稳定性、力学性能和自阻燃性；且所用单体原料来源广泛，产品价格低，有高的性能价格比；易于推广应用，具有显著的经济效益和社会效益。
2、本发明开发的聚芳醚腈树脂的工业制备方法通过优化原料配比，解决了合成过程中反应物的溶解问题，实现了常压条件下一步加料反应，生产条件易于实现，生产过程易于控制。
3、本发明采用闪蒸技术和胶体磨研磨制备聚芳醚腈树脂精细粉末这种加工技术有效地解决了产品难纯化、溶剂无污染回收的问题，使得产品纯度高，使钾(K+)离子浓度低，性能稳定，有利于该树脂在电子电器产品中的应用；既使得聚芳醚腈树脂的生产成本降低，又解决了环保污染和溶剂回收问题。
总之，本发明所得聚芳醚腈树脂，纯度高，钾(K+)离子浓度低，其玻璃化转变温度在150～180℃，熔点310～355℃，结晶度在28～38%，初始分解温度为450℃以上；且树脂具有较高的力学强度，其拉伸强度在100～120Mpa，拉伸模量在2.4～3.6GPa，弯曲强度在100～140MPa。采用本发明制备方法所制备的聚芳醚腈树脂纯度高、性能稳定，因此可应用于航空航天、电子、机械、医疗、化工等领域。
具体实施方式
本发明提供了一种聚芳醚腈树脂，其结构单元为：
本发明以对苯二酚或者间苯二酚为二元酚的主成分，这保障了聚芳醚腈树脂的结构规整性而有利于聚芳醚腈树脂的结晶性。本发明使用少量的间苯二酚或者对苯二酚是对聚芳醚腈的合成结构进行适当修饰，其作用之一是在保障较高结晶度的前提下改变聚芳醚腈在合成时的生产过程中的溶解性，降低在合成中的结晶能力，使其形成的聚芳醚腈的分子量分布较均匀；其作用之二在于可以获得具有不同结晶度的聚芳醚腈树脂；其作用之三在于可以有效地对聚芳醚腈树脂的熔体流动性进行调整，从而可以获得一系列具有不同熔体流动性的聚芳醚腈树脂。
本发明还提供了聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，包括以下步骤：
(1)聚合反应：
以2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，在非质子强极性溶剂、催化剂、脱水剂的作用下反应得聚芳醚腈溶液；然后将所得聚芳醚腈溶液通过闪蒸处理得到聚芳醚腈粉末；其中，所述芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种；
(2)后处理
将上述聚芳醚腈粉末研磨成粒径≤0.1mm的粉末，将粉末用有机溶剂浸泡后固液分离，液体回收利用，固体经沸水洗涤、过滤、干燥得本发明的聚芳醚腈树脂。
步骤(1)中所述闪蒸处理指将聚芳醚腈溶液于160-180℃减压蒸出非质子强极性溶剂。
步骤(1)中所述闪蒸处理采用带粉碎刀片式搅拌的闪蒸器。
目前合成聚芳醚腈树脂的方法中，一般将聚芳醚腈溶液先在水中沉淀析出，然后经过粉碎机粉碎成小颗粒，再进行纯化处理。本发明中，将所得聚芳醚腈溶液直接在带粉碎刀片式搅拌的闪蒸器中进行闪蒸处理，目的之一在于使高分子固体与溶剂实现快速分离，这一技术突破了高分子粘性液体的固液分离，其关键在于突破了传统闪蒸器的搅拌叶片方式变为粉碎式刀片，从而保证了溶剂在无其他液体物质或水污染的情况下实现分离，使得回收的溶剂纯度高，且溶剂回收率高；目的之二在于使聚芳醚腈树脂直接从溶液状态逐渐形成粒径在1mm以下的粉末(因为胶体磨的投料入口限制了投料物粒径不能太大)，因此减少了后续机械粉碎工艺，从而防止其他粉碎设备等带来的新的杂质污染，同时也给后续的进一步碾磨和纯化的操作带来方便。
本发明中合成方法的步骤(1)中去除脱水剂后升温至180-200℃反应2～4小时的过程中，反应至出现涨釜现象时加入非质子强极性溶剂稀释溶液，以便于使聚芳醚腈溶液快速放出。
本发明中将闪蒸处理后的聚芳醚腈粉末研磨为粒径≤0.1mm的粉末，目的就是在后续纯化过程中更容易去除被树脂所包附的未反应的单体，低聚物，钾盐或者碳酸钾等杂质，使得所得聚芳醚腈纯度高；其中单体和低聚物是有机物，不溶于水，因此需将细粉末浸泡于有机溶剂中，这样上述未反应的单体和低聚物就快速的溶解于有机溶剂中，经离心机离心分离后单体和低聚物就被有机溶剂带走；剩下的钾盐等可溶于水，因此后续可用水去除钾盐等杂质。
本发明步骤(2)中沉淀物研磨至粒径为0.005～0.1mm的粉末；若粉末过细所需要的研磨时间增加，降低了生产效率，同时在研磨剪切过程中容易使高分子链断裂；若粉末粒径过大，虽然减少了研磨时间，但是颗粒中包含的未反应的单体，小分子以及金属盐不易被去除，或者需要更长的时间。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1高结晶度聚芳醚腈的制备及其性能
在带有分水器、冷凝器、搅拌器和加热器的10m3反应釜中按照下列摩尔配比称取原料：2,6-二氯苯甲腈︰间苯二酚/对苯二酚︰碳酸钾︰N-甲基吡咯烷酮︰甲苯=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5，其中间苯二酚和对苯二酚摩尔比为1：9；开动搅拌，升温至150℃脱水反应2小时，通过分水器蒸出甲苯，升高温度到180-200℃，反应3小时后向反应釜内注入400kg的N-甲基吡咯烷酮溶剂便于反应物能快速的放入18m3带粉碎刀片搅拌器的闪蒸釜中，在强力搅拌下于160-180℃减压蒸出N-甲基吡咯烷酮。将上述固体物微粉经胶体磨研磨为0.005～0.1mm大小的精细粉末。待精细粉末于有机溶剂中浸泡0.2～1小时，使未反应的单体以及低聚物充分溶解后经离心机固液分离，液体进入精馏塔精馏回收溶剂，固体经沸水中洗涤、过滤，然后在150℃下干燥24小时，获得本发明的高结晶聚芳醚腈树脂精细粉末。所得树脂的性能见表1。
本发明中，聚芳醚腈树脂的密度和熔点根据ISO1183标准测试，玻璃化转变温度采用DSC方法测试，拉伸强度和拉伸延伸率根据GB/T1040.2标准测试，弯曲强度和弯曲模量根据GB/T9341标准测试，缺口冲击强度根据GB/T1043标准测试，熔融指数和结晶度根据GB/T3682-2000标准测试(在360℃,10Kg条件下)。
实施例2-6高结晶度聚芳醚腈的制备及其性能
将实施例1中的间苯二酚和对苯二酚摩尔比分别改为0.5：9.5(实施例2)，0：10(实施例3)，9：1(实施例4)，9.5：0.5(实施例5)，10：0(实施例6)，其他均同实施例1；所得树脂的性能见表1。
表1高结晶聚醚腈树脂性能
对比例1聚芳醚腈的制备及其性能
在带有分水器、冷凝器、搅拌器和加热器的10m3反应釜中按照下列摩尔配比称取原料：2,6-二氯苯甲腈︰间苯二酚/对苯二酚︰2,6-二氯苯甲腈︰间苯二酚/对苯二酚︰碳酸钾︰N-甲基吡咯烷酮︰甲苯=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5，其中间苯二酚和对苯二酚摩尔比为1：9；开动搅拌，升温至150℃脱水反应2小时，通过分水器蒸出甲苯，升高温度到180-200℃，反应3小时后向反应釜内注入400kg的N-甲基吡咯烷酮溶剂便于反应物能快速的放入30m3的水沉淀釜中（水的用量为反应物的3-5倍），溶剂和水的混合物进入精馏塔回收分离；将上述固体物在粉碎机中初粉碎成微粉(粒径小于1mm)再经经胶体磨研磨为0.005～0.1mm大小的精细粉末。待精细粉末于有机溶剂中浸泡0.2～1小时，使未反应的单体以及低聚物充分溶解后经离心机固液分离，液体进入精馏塔精馏回收溶剂，固体经沸水中洗涤、过滤，然后在150℃下干燥24小时，获得聚芳醚腈树脂精细粉末。所得树脂的性能见表2。
对比例2-6聚芳醚腈的制备及其性能
将对比例1中的间苯二酚和对苯二酚摩尔比分别改为0.5：9.5(对比例2)，0：10(对比例3)，9：1(对比例4)，9.5：0.5(对比例5)，10：0(对比例6)，其他均同实施例1；所得树脂的性能见表2。
表2对比例高结晶聚醚腈树脂性能
比较上述实施例和对比例，本发明的优点主要体现为，首先，本发明所得聚芳醚腈树脂产品中K离子浓度低，纯度高，且结晶度较高；另外，本发明由于将所得聚芳醚腈溶液直接在带粉碎刀片式搅拌的闪蒸器中进行闪蒸处理，使得溶剂在无水污染下回收，在提高溶剂回收纯度的同时减少了溶剂回收所用时间。
Claims (10)
1.聚芳醚腈树脂，其结构单元为：
2.根据权利要求1所述的聚芳醚腈树脂，其特征在于，所述聚芳醚腈树脂以2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，以非质子强极性溶剂、催化剂和脱水剂为辅助原料制成；其中，原料的摩尔配比为：2,6-二卤苯甲腈︰芳香族二元酚︰催化剂︰非质子强极性溶剂︰脱水剂=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5；所述芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种。
3.聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，包括以下步骤：
(1)聚合反应：
以2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，在非质子强极性溶剂、催化剂、脱水剂的作用下反应得聚芳醚腈溶液；然后将所得聚芳醚腈溶液通过闪蒸处理得到聚芳醚腈粉末；其中，所述芳香族二元酚为对苯二酚或间苯二酚中的至少一种；
(2)后处理
将上述聚芳醚腈粉末研磨成粒径≤0.1mm的粉末，再将所得粉末用有机溶剂浸泡后固液分离，液体回收利用，固体经沸水洗涤、过滤、干燥得本发明的聚芳醚腈树脂。
4.根据权利要求3所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(1)中所述闪蒸处理指将聚芳醚腈溶液于160-180℃减压蒸出非质子强极性溶剂。
5.根据权利要求3或4所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(1)中所述闪蒸处理采用带粉碎刀片式搅拌的闪蒸器。
6.根据权利要求3-5任一项所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(1)中原料摩尔配比为：2,6-二卤苯甲腈︰芳香族二元酚︰催化剂︰非质子强极性溶剂︰脱水剂=1︰1︰1.1～1.5︰6～8︰1.2～1.5。
7.根据权利要求3-5任一项所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，
所述2，6-二卤苯甲腈为2，6-二氯苯甲腈；
所述催化剂为碱金属碳酸盐；
所述非质子强极性溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、环丁砜、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的至少一种；
所述脱水剂为烷基苯或卤代苯；
所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的至少一种。
8.根据权利要求3-5任一项所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(1)中，2,6-二卤苯甲腈、芳香族二元酚为反应原料，在非质子强极性溶剂、催化剂、脱水剂的作用下于140～170℃常压反应2～4小时，去除脱水剂后升温至180-200℃常压反应2～4小时获得聚芳醚腈溶液。
9.根据权利要求3-5任一项所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(2)中聚芳醚腈粉末采用胶体磨研磨。
10.根据权利要求9所述的聚芳醚腈树脂的工业化合成方法，其特征在于，步骤(2)中聚芳醚腈粉末的粒径研磨至0.005～0.1mm。
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