CN102863620A

CN102863620A - 一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法

Info

Publication number: CN102863620A
Application number: CN2011101869330A
Authority: CN
Inventors: 滕鑫; 顾晓军
Original assignee: SHANGHAI DIAIBI CHEMICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI DIAIBI CHEMICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法，包括步骤：第一步：在氮气保护下，将等摩尔比的芳香族四胺和二酸单体加入到强酸性溶液中，进行缩聚反应，反应温度为100-250℃，反应时间为0.5-30h；第二步：将第一步所得产物倒入水中沉淀出聚合物，再将该聚合物用水反复洗涤后，在碱性溶液中浸泡以去除残留的酸，再浸泡在含有保险粉的沸水中0.5-6h；第三步：将第二步所得产物在温度为50-150℃的真空环境下干燥，即得到所述的芳香族聚苯并咪唑。本发明制备工艺简单，产物具有分子量高，热稳定性好，溶解性及成膜性优等特点。

Description

一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法

技术领域

本发明属聚合物树脂的制备技术领域，特别涉及到一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法。

背景技术

聚苯并咪唑，英文名Polybenzimidazoles，简称PBI，属于无定型的特殊工程塑料。PBI是由美国国家航空航天局与美国空军材料实验室共同开发出的高性能树脂，具有非常优异的耐高温性、耐低温性、力学性能以及阻燃性能，同时具有耐磨、耐辐射、耐酸碱性，是一种极具应用前景的高性能树脂材料，应用领域涉及到航空航天、光学、微电子等诸多高科技领域。随着技术发展的需要，PBI的应用领域也逐渐向民用转移。然而，由于普通的PBI树脂只能溶解于硫酸等强酸，因此加工非常困难，PBI铸件的成型技术及纤维拉丝技术仅掌握在美国等极少数发达国家手中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法，通过改变PBI的分子结构，在聚合物主链中引入醚键并增加一定组分的烷烃链段，调整了PBI主链的刚性，同时提高了其在有机溶剂中的溶解性，使PBI树脂的易于加工。

本发明的技术解决方案如下：

一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特点是该方法包括如下步骤：

第一步：在氮气保护下，将等摩尔比的芳香族四胺和二酸单体加入到强酸性溶液中，进行缩聚反应，反应温度为100-25^0℃，反应时间为0.5-30h；

第二步：将第一步所得产物倒入水中沉淀出聚合物，再将该聚合物用水反复洗涤后，在碱性溶液中浸泡以去除残留的酸，再浸泡在含有保险粉的沸水中0.5-6h；

第三步：将第二步所得产物在温度为50-150℃的真空环境下干燥，即得到芳香族聚苯并咪唑。

所述的芳香族四胺是1，2，4，5-四氨基苯、1，2，5，6-四氨基萘、3，3’，4，4’-四氨基二苯砜、3，3’，4，4’-四氨基二苯硫醚、3，3’，4，4’-四氨基联苯或3，3’，4，4’-四氨基联苯盐酸盐、3，3’，4，4’-四氨基二苯甲酮、3，3’，4，4’-四氨基二苯甲烷或2，2-双[4-(3，4-二氨基苯氧基)苯基]丙烷中的一种或者几种的混合物。

当所述的芳香族四胺含有3，3’，4，4’-四氨基联苯盐酸盐时，首先需将该芳香族四胺在氮气保护下加入强酸性溶液中加热搅拌脱除盐酸后再加入二酸单体。

所述的二酸单体是4，4’-二羧基二苯醚和含4～10个碳的直链烷烃二酸(例如丁二酸、癸二酸、己二酸等)或它们的混合物。

所述的4，4’-二羧基二苯醚与直链烷烃二酸的混合物中4，4’-二羧基二苯醚占总的二酸的摩尔比例为5～95％。

所述的强酸性溶液是多聚磷酸、多聚磷酸加五氧化二磷溶液或甲烷磺酸加五氧化二磷溶液。

所述的多聚磷酸加五氧化二磷溶液或甲烷磺酸加五氧化二磷溶液中该五氧化二磷占溶液的质量比为5-30％。

所述的碱性溶液是氢氧化钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸钠溶液或碳酸钾溶液。

所述的保险粉是硫代硫酸钠、连二亚硫酸钠或硫代硫酸铵。

所述的保险粉在水溶液中的浓度为0.1-5％。

所述的芳香族聚苯并咪唑的具体反映方程式如下，其中0＜m＜200，0＜n＜200，4＜x＜10。

与现有技术相比，采用本发明的制备方法得到芳香族聚苯并咪唑具有分子量高，热稳定性好，溶解性及成膜性优等特点，并且制备工艺简单，对设备要求低，便于操作，有利于工业化的实现。

附图说明

图1是实施例1氮气气氛失重曲线(TGA)

图2是实施例2氮气气氛失重曲线(TGA)

图3是实施例3氮气气氛失重曲线(TGA)

图4是实施例4氮气气氛失重曲线(TGA)

图5是实施例5氮气气氛失重曲线(TGA)

图6是实施例6氮气气氛失重曲线(TGA)

图7是实施例7氮气气氛失重曲线(TGA)

图8是实施例8氮气气氛失重曲线(TGA)

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

680g五氧化二磷加入到5000ml甲烷磺酸中，加热升温至140℃，通氮气并开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解。加入214g3，3’，4，4’-四氨基联苯，202g癸二酸搅拌反应1h得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，再将此聚合物经反复水洗三次以上；接著，使用10％的碳酸氢钠浸泡48h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉为一种硫代硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用10％的碳酸氢钠浸泡48h后取出，再浸泡于含有0.5％硫代硫酸钠的沸水溶液中5h，取出聚合物；接着置于60-80℃的真空环境下干燥24h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为96％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝54200，PDI＝1.8。氮气气氛失重曲线(TGA)如图1所示，测定树脂5％失重温度为562℃，800℃树脂质量保留率为61％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例2

680g五氧化二磷加入到5000ml甲烷磺酸中，加热升温至100℃，通氮气并开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解，加入278g3，3’，4，4’-四氨基联苯砜，258g 4，4’-二羧基二苯醚搅拌反应20min得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用15％的碳酸钠浸泡36h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉为一种连二亚硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用15％的碳酸钠浸泡36h后取出，再浸泡于含有2％连二亚硫酸钠的沸水溶液中1h，取出聚合物置于90-120℃的真空环境下干燥12h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为98％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝58400，PDI＝1.6。氮气气氛失重曲线(TGA)如图2所示，测定树脂5％失重温度为587℃，800℃树脂质量保留率为67％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例3

1360g五氧化二磷加入到10000ml甲烷磺酸中，加热升温至130-150℃，通氮气并开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解，加入428g3，3’，4，4’-四氨基联苯，202g癸二酸，258g 4，4’-二羧基二苯醚搅拌反应30min得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用10％的碳酸氢钠浸泡58h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉为一种连二亚硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用10％的碳酸氢钠浸泡58h后取出，再浸泡于含有3％连二亚硫酸钠的沸水溶液中1h，取出聚合物置于100-110℃的真空环境下干燥48h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为95％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝56300，PDI＝1.8。氮气气氛失重曲线(TGA)如图3所示，测定树脂5％失重温度为564℃，800℃树脂质质量保留率为65％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例4

6800g多聚磷酸加热升温至120℃，通氮气并开启搅拌，加入278g3，3’，4，4’-四氨基联苯砜，129g 4，4’-二羧基二苯醚，153g 4，4’-二羧基二苯砜搅拌反应6h，升温至160-170℃继续搅拌反应6h，最后升温至190-200℃搅拌反应5h得粘稠液体。将该粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用12％的碳酸钾浸泡72h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉爲一种硫代硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用12％的碳酸钾浸泡72h后取出，再浸泡于含有1％硫代硫酸钠的沸水溶液中1h，取出聚合物置于100℃的真空环境下干燥24h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为94％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝61200，PDI＝1.9。氮气气氛失重曲线(TGA)如图4所示，测定树脂5％失重温度为594℃，800℃树脂质量保留率为69％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例5

680g五氧化二磷加入到6800g多聚磷酸中，通氮气并加热升温至100-120℃，开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解，加入246g3，3’，4，4’-四氨基二苯硫醚，101g癸二酸和153g 4，4’-二羧基二苯砜搅拌反应6h，升温至160℃继续搅拌反应6h，最后升温至195℃搅拌反应5h得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用10％的氢氧化钠浸泡48h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉爲一种连二亚硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用10％的氢氧化钠浸泡48h后取出，再浸泡于含有3.5％连二亚硫酸钠的沸水溶液中1h，取出聚合物置于50-90℃的真空环境下干燥12h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为96％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝57200，PDI＝1.8。氮气气氛失重曲线(TGA)如图5所示，测定树脂5％失重温度为566℃，800℃树脂质量保留率为64％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例6

680g五氧化二磷加入到5000ml甲烷磺酸中，加热升温至140℃，通氮气并开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解。加入230g3，3’，4，4’-四氨基二苯醚，202g癸二酸搅拌反应1h得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用10％的碳酸钾浸泡48h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉爲一种硫代硫酸铵；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用10％的碳酸钾浸泡48h后取出，再浸泡于含有1％硫代硫酸铵的沸水溶液中5h，取出聚合物置于90-130℃的真空环境下干燥12h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为97％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝56400，PDI＝1.7。氮气气氛失重曲线(TGA)如图6所示，测定树脂5％失重温度为558℃，800℃树脂质量保留率为62％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例7

6800g多聚磷酸通氮气加热搅拌升温至120℃，加入378g3，3’，4，4’-四氨基联苯盐酸盐，搅拌脱气1h后，加入202g癸二酸搅拌反应6h，升温至160℃继续搅拌反应6h，最后升温至195℃搅拌反应5h得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用5％的碳酸氢钠浸泡48h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉爲一种连二亚硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用5％的碳酸氢钠浸泡48h后取出，再浸泡于含有5％连二亚硫酸钠的沸水溶液中30min，取出聚合物置于100-150℃的真空环境下干燥24h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为98％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝59400，PDI＝1.8。氮气气氛失重曲线(TGA)如图7所示，测定树脂5％失重温度为568℃，800℃树脂质量保留率为66％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

实施例8

680g五氧化二磷加入到5000ml甲烷磺酸中，加热升温至140℃，通氮气并开启搅拌直至五氧化二磷完全溶解，加入214g3，3’，4，4’-四氨基联苯，258g 4，4’-二羧基二苯醚搅拌反应60min得粘稠液体。将上述粘稠液体倒入水中沉淀出聚合物，聚合物经反复水洗后用5％的碳酸氢钠浸泡36h后取出；之后，再浸泡于含有保险粉的沸水中；在本实施例中，其保险粉为一种硫代硫酸钠；例如：将沉淀之聚合物经反复水洗后，用5％的碳酸氢钠浸泡36h后取出，再浸泡于含有2％硫代硫酸钠的沸水溶液中1h，取出聚合物置于90-120℃的真空环境下干燥12h，以取得聚苯并咪唑树脂。共聚物产率为97％，GPC(溶剂为DMF)测定聚合物数均分子量Mn＝56600，PDI＝1.8。氮气气氛失重曲线(TGA)如图2所示，测定树脂5％失重温度为582℃，800℃树脂质量保留率为68％。树脂可溶解于N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、甲烷磺酸、浓硫酸、多聚磷酸。

Claims

1.一种芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步：在氮气保护下，将等摩尔比的芳香族四胺和二酸单体加入到强酸性溶液中，进行缩聚反应，反应温度为100-250℃，反应时间为0.5-30h；

第三步：将第二步所得产物在温度为50-150℃的真空环境下干燥，即得到所述的芳香族聚苯并咪唑。

2.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的芳香族四胺是1，2，4，5-四氨基苯、1，2，5，6-四氨基萘、3，3’，4，4’-四氨基二苯砜、3，3’，4，4’-四氨基二苯硫醚、3，3’，4，4’-四氨基联苯或3，3’，4，4’-四氨基联苯盐酸盐、3，3’，4，4’-四氨基二苯甲酮、3，3’，4，4’-四氨基二苯甲烷或2，2-双[4-(3，4-二氨基苯氧基)苯基]丙烷中的一种或者几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于当所述的芳香族四胺含有3，3’，4，4’-四氨基联苯盐酸盐时，首先需将该芳香族四胺在氮气保护下加入强酸性溶液中加热搅拌脱除盐酸后再加入二酸单体。

4.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的二酸单体是4，4’-二羧基二苯醚和含4～10个碳的直链烷烃二酸或它们的混合物。

5.根据权利要求4所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的4，4’-二羧基二苯醚与直链烷烃二酸的混合物中4，4’-二羧基二苯醚占总的二酸的摩尔比例为5～95％。

6.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的强酸性溶液是多聚磷酸、多聚磷酸加五氧化二磷溶液或甲烷磺酸加五氧化二磷溶液。

7.根据权利要求6所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的多聚磷酸加五氧化二磷溶液或甲烷磺酸加五氧化二磷溶液中该五氧化二磷占溶液的质量比为5-30％。

8.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的碱性溶液是氢氧化钠溶液、碳酸氢钠溶液、碳酸钠溶液或碳酸钾溶液。

9.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的保险粉是硫代硫酸钠、连二亚硫酸钠或硫代硫酸铵，该保险粉在水溶液中的浓度为0.1-5％。

10.根据权利要求1所述的芳香族聚苯并咪唑的制备方法，其特征在于所述的芳香族聚苯并咪唑具有如下结构，其中0＜m＜200，0＜n＜200，4＜x＜10。