α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的阳离子聚合方法
技术领域
本发明涉及聚合物制备工艺领域,具体涉及一种α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的阳离子聚合方法。
背景技术
α-甲基苯乙烯和苯乙烯共聚树脂在涂料、胶黏剂、合成橡胶、密封胶、堵缝剂中广泛用作为增粘剂、软化剂、湿润剂、填充剂,具有良好的热稳定性、相容性和溶解性,同时还具有组分单一、无溶剂、低气味、色浅等优点,故在化工行业的各个领域应用前景非常广阔,具有很大的市场发展空间。
国内外对苯乙烯与α-甲基苯乙烯共聚合的研究报道较少。目前公开文献表明对a-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚的研究主要在于自由基共聚和阴离子共聚,但这些方法制得的a-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的分子量一般较大,反应效率偏低,很少作为橡胶添加剂使用。而要获得低分子量的苯乙烯与α-甲基苯乙烯的共聚物,则采用阳离子共聚,但是存在反应条件苛刻,工艺复杂,难控制等问题,如美国专利US4113801,Copolymersofalpha-methylstyreneandstyreneandusesthereof的合成方法,是以BF3气体作为引发剂,且单体在使用前还需精制,此外,按照该方法合成的苯乙烯与α-甲基苯乙烯共聚物的软化点虽能合格,但α-甲基苯乙烯含量、分子量等要求却不能达到。
现有技术中,作为轮胎功能助剂使用的α-甲基苯乙烯-苯乙烯共聚树脂的合成方法主要存在的问题包括:合成的α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物,分子量大小及分布、软化点、玻璃化温度等这些指标难以同时符合;α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的组成和序列分布难以控制;引发剂的活性与分子量以及反应效率难以达到平衡,例如,引发剂活性高,则反应效率高且分子量也高;反之,引发剂活性低,则反应效率低且分子量也低;原料单体在使用前需要精制,且聚合反应的重复性和稳定性不好。
发明内容
本发明克服现有技术的上述缺陷,提供了一种α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的阳离子聚合方法,该聚合方法制备得到的α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的分子量低,有较高软化点和玻璃化温度,反应产率和效率也较高,可用作橡胶助剂。
本发明提供了一种如式(I)所示的α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的阳离子聚合方法,式(I)
其中,n=1~9;m=1~9;
所述阳离子聚合方法包括如下步骤:
(1)在聚合容器中加入α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体,使两者混合均匀;其中,α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体的摩尔比为0.3~5;
(2)将引发剂加入有机溶剂中,配制成引发剂溶液;所述引发剂为Lewis酸、醇类化合物、质子酸、或醚类化合物之任意一种;
(3)将所述引发剂溶液加入至步骤(1)得到的混合液中发生聚合反应,得到所述α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物。
本发明聚合方法中,制备得到的所述α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物中,所述α-甲基苯乙烯的摩尔含量为30%-70%,数均分子量为200-800,软化点温度为80-100℃,Mw/Mn为1.5/1-3/1,玻璃化温度为30-50℃。所述α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物特别适用于作为轮胎助剂添加到胎面胶中,可提高胎面抓着力和耐磨性能,同时有具备增粘剂和软化剂的作用。
本发明聚合方法中,在所述步骤(1)中,在所述α-甲基苯乙烯单体和所述苯乙烯单体配合反应开始5~30min之后再连续补加α-甲基苯乙烯单体。即采用半连续加料法,先将α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体按一定比例配合,反应开始后2-5min左右再连续补加α-甲基苯乙烯单体。优选地,反应开始时先加的α-甲基苯乙烯单体和补加的α-甲基苯乙烯单体的摩尔比例为0.3~5∶1。
本发明中,聚合容器是反应瓶、聚合釜等反应容器。
本发明中所用的原料α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体,均为工业级产品,可直接使用,不需要预先精制,工艺简便;在原料中微量的水、酚类等极性物质的存在对本发明聚合反应影响非常小。
其中,所述有机溶剂为卤代烃、脂肪烃或芳香烃;其与所述α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体的总单体的摩尔比为0.3~5-1。优选地,所述有机溶剂为极性低、沸点高的芳香烃溶剂,例如,甲苯、二甲苯、环己烷、正己烷。
其中,所述Lewis酸是三氟化硼、三氟化硼乙醚络合物、三氯化铝、四氯化锡、或二氯化锌;其与所述总单体的摩尔比为0.5*10-3~4.0*10-2∶1。优选地,引发剂Lewis酸是三氟化硼乙醚络合物、三氯化铝、四氯化锡之任意一种。进一步优选地,引发剂Lewis酸为三氟化硼乙醚络合物。
其中,所述醇类化合物为C1-C8的一元醇;其与所述总单体的摩尔比为0.05*10-3~4.0*10-2∶1。优选地,引发剂醇类化合物是乙醇、甲醇之任意一种。
其中,所述质子酸为磷酸、高氯酸、三氯代乙酸、浓硫酸、盐酸、草酸、对甲苯磺酸、或十二烷基磺酸;其与所述总单体的摩尔比为0.05*10-3~4.0*10-2∶1。优选地,引发剂质子酸为磷酸、三氯代乙酸之任意一种。进一步优选地,引发剂质子酸为磷酸。
其中,所述醚类化合物为R1-X-R2;其中:R1为C1-C8的烷基、芳基烷基、芳基、烷基芳基、卤素取代的烷基、卤素取代的芳烷基、取代的芳基或卤素取代的烷基芳基;X为-O-;R2为C1-C8的烷基、芳基烷基、芳基、烷基芳基、卤素取代的烷基、卤素取代的芳烷基、取代的芳基或卤素取代的烷基芳基。优选地,醚类化合物为苯乙醚、苯甲醚之任意一种。进一步优选地,引发剂醚类化合物为苯乙醚。
优选地,在步骤(3)中采用滴加的方式将所述引发剂溶液加入至步骤(1)得到的混合液中。优选地,滴加时间约15min~90min。在滴加引发剂的过程中,控制聚合反应温度的波动不超过2℃。
其中,所述聚合反应温度为15~50℃。优选地,反应温度为30~50℃。
本发明聚合方法进一步包括,在所述步骤(3)之后进行减压蒸馏。
在步骤(3)之后,聚合反应当聚合反应体系放热完全时,开始加热升温,当温度升到溶剂回流温度时,保持回流1~2h。接着,进行后处理,将反应生成的聚合物溶液进行减压蒸馏,真空度控制在0.85~0.09mpa,温度控制视所选择的反应溶剂而定,时间一般控制在20~70min。
本发明聚合反应的优点包括:可以控制α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的组成和序列分布,α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的单体含量摩尔比与α-甲基苯乙烯、苯乙烯初始投料比大体一致,详见实施例中表1、2;可以得到低分子量产物,同时保证一个较高的反应产率和单体利用率;参加反应的原料单体在使用前均不需预先精制,后处理简单,不需中和引发剂,简化工艺流程,从而显著提高了反应的重复性和稳定性,用本发明方法合成的α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物结构性能指标均在α-甲基苯乙烯摩尔含量30%~70%范围内,数均分子量在200~800范围内,Mw/Mn在1.5/1~3/1范围内,软化点温度80~100℃范围内,玻璃化温度在30~50℃范围内,详见实施例中表1、2。
具体实施方式
结合以下具体实施例,对本发明作进一步的详细说明,本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下,本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中,并且以所附的权利要求书为保护范围。实施本发明的过程、条件、试剂、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。以下通过实施例及比较例中的分子量大小和分布、软化点、玻璃化温度、共聚物中α-甲基苯乙烯的摩尔含量、反应收率等变化来说明本发明显著的实质性进步。
一、α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物(树脂)产品的性能指标
1、分子量,Mw表示重均分子量,Mn表示数均分子量,分布指数(Mw/Mn)表示分子量分布,采用凝胶色谱法(GPC)测定。
2、软化点,采用梅特勒法测定(设定测定条件与环球法测得软化点值一致)。
3、玻璃化温度,采用示差扫描量热法(DSC)测定。
4、α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物中的α-甲基苯乙烯单体的摩尔含量,采用核磁共振法(HNMR)测定芳香族H和脂肪族H的比率可计算出α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体的摩尔比。α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物的结构式用下式(I)表示:
其中,m=1~9;n=1~9。
对产物α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物,假设通过核磁测定的芳香族H和脂肪族H的比率为x,则通过公式5n+5m/5n+3m=x来计算m与n的比值。
5、反应收率:
反应收率=(产物α-甲基苯乙烯/苯乙烯共聚物重量)/原料总重量(α-甲基苯乙烯单体和苯乙烯单体的总重量)*100%。
二、聚合反应的前处理
1、原料苯乙烯单体(化学纯)用10%的氢氧化钠溶液洗涤两次,用去离子水洗涤至中性,再用无水硫酸钠干燥。去离子水洗涤次数不限,例如,洗涤4次。
2、原料α-甲基苯乙烯单体(化学纯)用无水硫酸钠干燥。
3、甲苯(化学纯)用无水硫酸钠干燥。
三、聚合反应
1、α-甲基苯乙烯和苯乙烯按一定比例加入聚合容器中。
2、配制引发剂溶液,采用滴加的方式加入引发剂溶液,滴加时间约15min~90min。滴加引发剂溶液时,反应温度控制在15~50℃为宜。
3、,滴加引发剂溶液5-30min后再连续加入部分α-甲基苯乙烯,控制在引发剂溶液滴加完成之前结束。
4、当反应体系放热完全时(一般从滴加引发剂开始到放热结束需要1~2小时左右),开始加热升温,当温度升到反应溶剂回流温度时,保持回流1~2小时。
四、后处理
将聚合反应生成的聚合物溶液减压蒸馏进行后处理,真空度控制在0.85~0.09mpa,温度控制在150~170℃,时间一般控制在30~50分钟。
比较例1
称取106.362g已精制的α-甲基苯乙烯与218.694g已精制的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为3∶7,单体的总摩尔数为3),将两种单体置于500ml三口烧瓶;
称取150克甲苯置于滴液漏斗,取0.91ml(密度1.125g/ml,三氟化硼含量47%,三氟化硼∶单体的摩尔比=0.23%)三氟化硼乙醚的络合物滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。
开启搅拌器,滴加引发剂与甲苯的混合液体,滴加时先快后慢,控制在45min内完成。在引发剂加到一定量时(一般当引发剂的剩余量为0.25%左右时)会出现明显发热现象,反应温度开始上升,用自来水(或冰水)控制反应体系的温度在50℃左右。
待反应体系停止自升温时,开始加热,升温到甲苯开始回流的温度,保持回流1小时。这时反应瓶内的聚合物是一种具有一定粘度的透明浅黄色溶液。
将反应好的溶液减压蒸馏,回收甲苯及未反应的单体。温度为165℃,真空度为0.085mpa。当减压蒸馏系统无液体流出时,恢复常压,停止加热,取料。当温度降到室温时,得到的固体,即苯乙烯与α-甲基苯乙烯反应得到的固体聚合物,实验结果见表2。
比较例2
所用的单体α-甲基苯乙烯与苯乙烯规格为化学纯,未经处理,称取141.816g的α-甲基苯乙烯与187.452g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为4∶6,单体的总摩尔数为3),将两种单体置于500ml三口烧瓶;其中引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、乙醇、磷酸、苯乙醚组成,BF3∶乙醇∶磷酸∶苯乙醚的摩尔比为1∶1∶0.3∶0.2,BF3与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.27g乙醇,0.1724磷酸,0.1428g苯乙醚。其他组分和工艺条件与比较例1一样,实验结果见表2。
比较例3
所用的单体α-甲基苯乙烯与苯乙烯规格为化学纯,未经处理,称取141.816g的α-甲基苯乙烯与187.452g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为4∶6,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的3/4与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;
其中引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物和磷酸组成,BF3∶磷酸的摩尔比为100∶17.5,BF3与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,和0.1014g磷酸,先将80.416gα-甲基苯乙烯和187.452g苯乙烯按一定比例配合,滴加引发剂5min左右再连续补加剩余的α-甲基苯乙烯,。其他组分和工艺条件与比较例1一样,实验结果见表2。
比较例4
引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物和乙醇组成,BF3∶乙醇的摩尔比为1∶1,BF3与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,和0.27g乙醇。其他组分和工艺条件与比较例3一样,实验结果见表2。
比较例5
引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、苯乙醚组成,BF3∶苯乙醚的摩尔比为10∶1.2,BF3与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.085g苯乙醚。其他组分和工艺条件与比较例3一样,实验结果见表2。
实施例1
称取177.27g的α-甲基苯乙烯(分子量118.18)与156.21g的苯乙烯(分子量104.14),(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为5∶5,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的3/4与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;
称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、乙醇、无水磷酸和苯乙醚组成,BF3∶乙醇∶磷酸∶苯乙醚的摩尔比为100∶100∶17.5∶11.5,BF3与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.27g乙醇,0.1014g磷酸,0.084g苯乙醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。
开启搅拌器,滴加引发剂与甲苯的混合液体,滴加时先快后慢,控制在40min内完成,引发剂滴加10min后同时滴加剩余α-甲基苯乙烯总量的1/4。在引发剂加到一定量时会出现明显发热现象,反应温度开始上升,用水控制反应体系的温度在50℃以下。
待反应体系停止自升温时,开始加热,升温到甲苯开始回流的温度,保持回流1小时。这时反应瓶内的聚合物是一种具有一定粘度的透明浅黄色溶液。
将反应好的溶液减压蒸馏,回收甲苯及未反应的单体。温度为165℃,真空度为0.085mpa。当减压蒸馏系统无液体流出时,恢复常压,停止加热,取料。当温度降到室温时,得到的固体,即苯乙烯与α-甲基苯乙烯反应得到的固体聚合物,实验结果见表2。
实施例2
称取248.18g的α-甲基苯乙烯与93.73g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为7∶3,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的2/3与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氯化铝、乙醇、无水磷酸和苯甲醚组成,三氯化铝∶乙醇∶磷酸∶苯甲醚的摩尔比为100∶50∶15∶10,三氯化铝与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.8g三氯化铝,0.138g乙醇,0.0882g磷酸,0.0649g苯甲醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例3
称取212.724g的α-甲基苯乙烯与124.968g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为6∶4,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的1/2与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由四氯化锡、乙醇、无水磷酸和苯乙醚组成,四氯化锡∶乙醇∶磷酸∶苯乙醚的摩尔比为100∶30∶15∶10,四氯化锡与单体的摩尔比为0.15%,即加入1.172g四氯化锡,0.0621g乙醇,0.0662g磷酸,0.055g苯乙醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。反应温度控制在40℃左右,滴加引发剂的时间控制在30min左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例4
称取248.18g的α-甲基苯乙烯与93.73g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为7∶3,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的2/3与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、甲醇、无水磷酸和苯乙醚组成,三氟化硼乙醚络合物∶甲醇∶磷酸∶苯乙醚的摩尔比为100∶100∶10∶5,三氟化硼乙醚络合物与单体的摩尔比为0.1%,即加入0.387ml三氟化硼乙醚络合物,0.096g甲醇,0.0294g磷酸,0.0183g苯乙醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。滴加引发剂的时间控制在20min左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例5
称取248.18g的α-甲基苯乙烯与93.73g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为7∶3,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的2/3与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、甲醇、无水磷酸和苯乙醚组成,三氟化硼乙醚络合物∶甲醇∶磷酸∶苯甲醚的摩尔比为100∶50∶10∶10,三氟化硼乙醚络合物与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.096g甲醇,0.0588g磷酸,0.0183g苯乙醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。反应温度控制在30℃左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例6
称取283.632g的α-甲基苯乙烯与56.238g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为8∶2,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的3/4与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、甲醇、三氯代乙酸和苯乙醚组成,三氟化硼乙醚络合物∶乙醇∶三氯代乙酸∶苯乙醚的摩尔比为100∶100∶10∶5,三氟化硼乙醚络合物与单体的摩尔比为0.1%,即加入0.387ml三氟化硼乙醚络合物,0.138g乙醇,0.049g三氯代乙酸,0.0183g苯乙醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。反应温度控制在50℃左右,滴加引发剂的时间控制在20min左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例7
称取141.816g的α-甲基苯乙烯与187.452g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为4∶6,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的3/4与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、乙醇、三氯代乙酸和苯甲醚组成,三氟化硼乙醚络合物∶乙醇∶三氯代乙酸∶苯甲醚的摩尔比为100∶100∶50∶20,三氟化硼乙醚络合物与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.276g乙醇,0.49g三氯代乙酸,0.129g苯甲醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。反应温度控制在40℃左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例8
称取141.816g的α-甲基苯乙烯与187.452g的苯乙烯,(α-甲基苯乙烯∶苯乙烯摩尔比为4∶6,单体的总摩尔数为3),先将α-甲基苯乙烯量的3/4与全部的苯乙烯置于500ml三口烧瓶;称取150克甲苯置于滴液漏斗,引发剂体系由三氟化硼乙醚络合物、甲醇、三氯代乙酸和苯甲醚组成,三氟化硼乙醚络合物∶甲醇∶三氯代乙酸∶苯甲醚的摩尔比为100∶100∶50∶20,三氟化硼乙醚络合物与单体的摩尔比为0.2%,即加入0.774ml三氟化硼乙醚络合物,0.192g乙醇,0.49g三氯代乙酸,0.129g苯甲醚。将它们滴加到甲苯溶液中,摇动滴液漏斗,使引发剂与甲苯混合均匀。反应温度控制在40℃左右,其他组分和工艺条件与实施例1一样,实验结果见表2。
实施例1-8和比较例1-5的聚合反应中的各参数,如下表1所示。实施例1-8和比较例1-5的聚合反应生成的产物特征及反应收率,如下表2所示。
表1实施例1-8和比较例1-5的聚合反应中的各参数
表2实施例1-8和比较例1-5的聚合反应生成的产物特征及反应收率