CN105968355A - 一种聚酰亚胺的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚酰亚胺的合成方法,包括以下步骤:a)将二酐溶解或悬浮于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二胺;或者将二胺溶解于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二酐;然后加热混合发生成盐聚合反应生成聚酰亚胺尼龙盐悬浮物;b)将得到的聚酰亚胺尼龙盐悬浮物过滤,然后通过干燥聚酰亚胺尼龙盐分子内脱水得到聚酰亚胺粉末。所述弱水溶性溶剂为沸点为120‑220℃的酮类溶剂,在水中的溶解度≤15g/100g水。本发明滤液溶剂经过简单蒸馏后可以重复使用。不仅缩短了生产周期、降低了生产成本,而且有利于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚酰亚胺的合成方法,属于聚酰亚胺合成技术领域。
背景技术
聚酰亚胺是一种可以使用在极端高温条件下的一种耐热材料,具有高耐热、高强度、低热膨胀系数、自润滑等特点。广泛应用于航空航天、军事工业、民用耐高温材料和微电子等领域。近几十年,聚酰亚胺高端产品的主要核心技术均掌握在美国、日本、西欧、沙特、韩国等国家和地区。而我国的聚酰亚胺行业虽然起步时间与上述国家和地区相仿,但始终未能将其大规模产业化,研究工作主要仍停留在实验室阶段。仅能生产出一些低端的聚酰亚胺产品。
合成聚酰亚胺材料的主要单体是二酐和二胺两种原料。传统的聚酰亚胺合成方法是在非质子极性溶剂中(如N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等),将二酐和二胺等摩尔进行缩聚形成聚酰胺酸,聚酰胺酸再经过去除溶剂、脱水亚胺化形成聚酰亚胺粉末或薄膜。美国专利文献US3179631和文献Polym.Ady.TeCh,1998,9:202公开了二酐和二胺在N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中低温缩聚得到聚酰胺酸溶液,再加入乙酸酐和叔胺类催化剂得到聚酰亚胺的方法;美国专利文献US3249588和文献Polym.Ady.TeCh,1998,9:202也公开了由二酐和二胺在N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮中缩聚得到聚酰胺酸溶液,并将聚酰胺酸溶液加热或者加入叔胺催化剂加热亚胺化后得到聚酰亚胺的方法。
美国专利文献US5378420和文献Polym.Ady.TeCh,1993,9:202也公开了一种合成聚酰亚胺的方法。该方法由四酸或二酐与二胺在高温的高沸点极性溶剂(如甲酚)中直接合成聚酰亚胺的方法:二酐(或四酸)和二胺在酚类等溶剂中在加热的条件下缩聚制得聚酰亚胺尼龙盐溶液,将溶液在醇类溶剂中进行析出,经过洗涤过滤得到其尼龙盐粉末,再经过高温真空亚胺化后得到聚酰亚胺树脂。
上述非质子极性溶剂法合成的聚酰亚胺分子量大,材料成型好,但聚合反应时间过长,溶剂无法回收,必须直接烧掉。尤其是以脂肪族或脂环族二胺为原料、用传统的非质子极性溶剂法合成聚酰亚胺时,由于二胺或二酐在极性溶剂中溶解度较大,因此反应较快,迅速生成聚酰亚胺尼龙盐,由于溶液黏度大,尼龙盐溶解较慢,需要搅拌48小时以上才能将尼龙盐溶解并生成聚酰胺酸,反应时间过长。而高沸点极性溶剂法合成的材料力学性能好,容易成型,材料角质性好,但面临着溶剂回收率低、污水难以处理等问题。因此,需要开发一种聚酰亚胺合成的新方法,以解决非质子极性溶剂法和高沸点极性溶剂法合成聚酰亚胺工艺中的弊端。
发明内容
针对传统的聚酰亚胺合成方法的弊端,本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺的合成方法,在保持传统合成方法的优点的基础上,采用弱水溶性溶剂解决了传统聚酰亚胺合成过程的效率和环保问题。
为了实现上述发明目的,本发明的技术方案如下:
一种聚酰亚胺的合成方法,包括以下步骤:
a)将二酐溶解或悬浮于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二胺;或者将二胺溶解于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二酐;
然后加热混合发生成盐聚合反应生成聚酰亚胺尼龙盐悬浮物;
b)将得到的聚酰亚胺尼龙盐悬浮物过滤,然后通过干燥后聚酰亚胺尼龙盐分子内脱水得到聚酰亚胺。
所述弱水溶性溶剂在水中的溶解度≤15g/100g水、沸点为127.2-174℃的酮类溶剂。
所述弱水溶性溶剂包括但不限于2-己酮、环己酮、2-辛酮、环戊酮、2-庚酮、3-辛酮和2-戊酮等中的一种或多种,优选2-己酮、环己酮、环戊酮和2-辛酮等中的一种或多种
本发明中所述二酐与二胺的重量和与弱水溶性溶剂的重量的比为(8-30.1):100,优选(10-25):100。
本发明所述二酐与二胺的摩尔比为1.02:1至1:1。
本发明所述二酐为固体粉末状,所述二酐为碳原子数为4-12的脂环族和碳原子数为10-31芳香族二元有机酸酐中一种或多种,所述二酐在本发明所述弱水溶性溶剂中的溶解度范围为≤30g/100g溶剂;所述二酐包括但不限于苯四甲酸二酐、二苯酮二酐、联苯二酐、二苯醚二酐、二苯硫醚二酐、三苯二醚二酐、双酚A二醚二酐、双酚S二醚二酐、二苯砜二酐、环丁烷二酐、环己烷二酐和降冰片烯二酸酐等中的一种或多种,优选为苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯酮二酐和二苯醚二酐等中的一种或多种。
本发明所述二酐在酮类溶剂中的溶解或悬浮过程可以在惰性气体保护下进行,也可以在非惰性气体保护下进行,优选在惰性气体保护下进行。所述惰性气体为氮气、氩气、氦气和氖气等在常温或加热反应条件下不与二酐、二胺反应,且可以隔绝空气和氧气的气体中的一种或多种。
所述二胺为碳原子数为6-13的脂肪族二胺和脂环族二胺中的一种或多种,所述二胺在本发明所述弱水溶性溶剂中的溶解度范围为≤50g/100g弱水溶性溶剂。所述二胺以固体粉末、液体或溶液的形式加入,包括但不限于异佛尔酮二胺、二氨基二环己基甲烷、金刚烷二胺和己二胺等中的一种或多种。
本发明所述成盐聚合反应的温度为80℃至120℃,优选90℃至110℃;反应时间为1-12h,优选1.5-3h,以保证二酐与二胺反应完全,使悬浮物的颗粒均匀。
本发明中,还可以根据待合成材料的不同用途,在成盐聚合反应过程还可以任选地添加填料,所述填料包括但不限于石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼、有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、高岭土和碳酸钙等中的一种或多种。
基于二酐与二胺的重量和,所述填料添加量为2-70wt%,优选3-67wt%。
本发明中,所述聚酰亚胺尼龙盐悬浮物的过滤方式是抽滤、压滤、离心和叶滤等普通过滤方式中的一种或多种。
所述的干燥方式包括真空干燥和/或惰性气体保护干燥;所述干燥优选采用两个阶段以上干燥的方式,第一阶段干燥温度为80℃至120℃,优选90℃110℃;最后阶段干燥温度为210℃至350℃,优选230℃至330℃。真空度为-0.08至-0.1MPa,优选-0.09MPa至-0.1MPa;所述惰性气体包括但不限于氮气、氩气、氦气和氖气等中的一种或多种,优选为氮气和/或氩气。
本发明中,通常情况下聚酰亚胺尼龙盐分子内脱水得到聚酰亚胺粉末。
本发明的有益效果在于:
本发明以二胺和有机酸酐为原料,在水溶性较弱的酮类溶剂中进行成盐聚合反应,不用长时间加热即可得到聚酰亚胺尼龙盐,大大缩短了反应时间,提高了反应效率,在生产过程中具有明显的时间优势。
本发明发明制备的产品收率在94%以上,要比传统的非质子极性溶剂合成法的收率高出7%至8%。
本发明成盐聚合反应后得到的反应混合物直接过滤,无需洗涤,经干燥后即可得到颗粒细小的聚酰亚胺粉末,不仅缩短了生产周期,降低了生产成本,而且有利于聚酰亚胺的规模化生产,同时也保留聚酰亚胺材料角质性。
本发明以酮类溶剂为反应介质,毒性较小,而且母液经过简单蒸馏即可回收利用,进一步节约了制备成本,也达到了无溶剂排放的环保要求。
另外,本发明还可以在聚合过程中添加其他填料得到改性聚酰亚胺,从而满足不同的使用要求。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明做进一步说明,但不用于限制本发明的保护范围。
实施例1
在450L环己酮中加入21.8千克的均苯四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取21千克的二环己基甲烷二胺溶于150L环己酮中,将该溶液滴加在均苯四甲酸二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至100℃,保持1小时后,停止加热。降至常温离心,并将滤饼在双锥干燥器中真空干燥。初期干燥要在110℃,在真空度-0.08MPa下干燥2小时后,逐级升温至350℃干燥3小时.经气流粉碎机粉碎后最终得到白色的聚均苯四甲酰二环己基甲烷亚胺粉末,产品收率为95%;用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试,该树脂特性黏数为1.80dL/g。
实施例2
在200ml 2-辛酮中加入0.1mol的3,3’,4.4’-联苯四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的1,4-二氨基环己烷溶于100ml2-辛酮中,将1,4-二氨基环己烷溶液滴加在3,3’,4.4’-联苯四甲酸二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至110℃,保持3小时后,停止加热。降至常温过滤并真空干燥。在真空度为-0.09MPa下,120℃干燥2小时后,逐级升温至300℃。最终得到白色的聚-3,3’,4.4’-联苯四甲酰-1,4-环己烷亚胺粉末,产品收率为95.5%。用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试,该树脂特性黏数为1.25dL/g。
实施例3
在300ml环己酮中加入0.1mol的2,3’,3,4’-二苯醚四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的异佛尔酮二胺滴加在均苯四甲酸二酐的悬浮液中,生成聚酰胺酸尼龙盐的悬浮共聚物。混合液在搅拌下逐渐升温至80℃,保持2小时后,停止加热。降至常温过滤并真空干燥。初期干燥要在80℃,在真空度为-0.095MPa下干燥2小时后,逐级升温至240℃。最终得到白色的聚-2,3’,3,4’-二苯醚四甲酰异佛尔酮亚胺白色粉末,产品收率为95%;用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试,该树脂特性黏数为0.56dL/g。
实施例4
在370ml2-己酮中加入0.102mol的均苯四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的1,3-金刚烷二胺溶于100ml2-己酮中,将1,3-金刚烷二胺溶液滴加在均苯四甲酸二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至105℃,保持9小时后,停止加热。降至常温后,向反应瓶内加入相当于二酐和二胺总质量7%的碳纤维粉末,搅拌均匀后,过滤并在氮气保护下干燥,80℃干燥2小时后,逐级升温至230℃。最终得到灰白色的聚均苯四甲酰-1,3-金刚烷二胺碳纤维复合粉末,产品收率为96%。将树脂溶于间甲酚后,将碳纤维过滤,得到澄清溶液,对溶液进行测试,该树脂特性黏数为0.54dL/g。
实施例5
在172ml环戊酮中加入0.102mol的3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol己二胺滴加在3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐的悬浮液中,生成聚酰胺酸尼龙盐的悬浮共聚物。混合液在搅拌下逐渐升温至100℃,保持1.5小时后,停止加热。降至常温后,添加相当于二酐和二胺总质量25%的聚四氟乙烯粉末,搅拌均匀后过滤并真空干燥。初期干燥要在90℃,在真空度为-0.095MPa下干燥2小时后,逐级升温至210℃。最终得到白色的聚-3,3’,4,4’-联苯四甲酰正己烷亚胺聚四氟乙烯复合粉末,产品收率为95%;用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试:将树脂溶于间甲酚后,将聚四氟乙烯过滤,得到澄清溶液,对溶液进行测试,该树脂特性黏数为0.50dL/g。
实施例6
在200m环己酮中加入0.102mol的3,3’,4.4’-双酚A二醚二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的4,4’-二氨基二环己基甲烷溶于56ml环己酮中,将4,4’-二氨基二环己基甲烷溶液滴加在3,3’,4.4’-双酚A二醚二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至120℃,保持12小时后,停止加热。降至常温后,向反应瓶内加入相当于二酐和二胺总质量70%的胶体石墨,搅拌均匀后,过滤并在氩气保护下干燥,105℃干燥3小时后,逐级升温至220℃。最终得到黑色的聚-3,3’-4.4’-双酚A二醚四甲酰-二环己基甲烷亚胺石墨复合粉末,产品收率为95.2%。用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试:将树脂溶于间甲酚后,将胶体石墨过滤,得到澄清溶液,对溶液进行测试,该树脂特性黏数为1.55dL/g。
实施例7
在500ml2-辛酮中加入0.102mol的3,3’,4.4’-双酚A二醚二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的异佛尔酮二胺溶于滴加在均苯四甲酸二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至105℃,保持4小时后,停止加热。降至常温后,向反应瓶内加入相当于二酐和二胺总质量3%的玻璃纤维粉末,搅拌均匀后,过滤并在氮气保护下干燥,110℃干燥5小时后,逐级升温至230℃。最终得到白色的聚-3,3’,4.4’-双酚A二醚四甲酰异佛尔酮亚胺玻璃纤维复合粉末,产品收率为95.4%;用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试:将树脂溶于间甲酚后,将玻璃纤维过滤,得到澄清溶液,对溶液进行测试,该树脂特性黏数为0.53dL/g。
实施例8
在500ml2-辛酮中加入0.102mol的均苯四甲酸二酐,搅拌均匀。精确称取0.1mol的异佛尔酮二胺滴加在均苯四甲酸二酐的悬浮液中。将混合液在搅拌下逐渐升温至110℃,保持4小时后,停止加热。降至常温后,向反应瓶内加入相当于二酐和二胺总质量67%的胶体石墨,搅拌均匀后,过滤并在氮气保护下干燥,110℃干燥4小时后,逐级升温至240℃。最终得到白色的聚-2,3’,3,4’-二苯醚四甲酰异佛尔酮亚胺粉末,产品收率为95.1%。用间甲酚为溶剂、以浓度为0.5g纯树脂/100ml的溶液进行特性黏数测试,该树脂特性黏数为0.56dL/g。
对比例1-8
使用传统的非质子极性溶剂法(参照文献《Takekoshi T.J.Polym.Sci,1967,11:609》)分别合成实施例1-8对应的聚酰亚胺所得产品的特性黏数见表1。
表1实施例和对比例产品特性黏数和收率
以上可以看出,采用本发明方法制备的聚酰亚胺产品收率均达到95%,产品的特性黏数均高于采用传统方法制备的同类产品。
Claims (10)
1.一种聚酰亚胺的合成方法,包括以下步骤:
a)将二酐溶解或悬浮于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二胺;或者将二胺溶解于弱水溶性溶剂中,逐渐加入二酐;
然后加热混合发生成盐聚合反应生成聚酰亚胺尼龙盐悬浮物;
b)将得到的聚酰亚胺尼龙盐悬浮物过滤,然后通过干燥聚酰亚胺尼龙盐分子内脱水得到聚酰亚胺。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述弱水溶性溶剂为沸点为120-220℃的酮类溶剂,在水中的溶解度≤15g/100g水。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述弱水溶性溶剂选自2-己酮、环己酮、2-辛酮、环辛酮、2-庚酮、3-辛酮、2-壬酮和2-戊酮中的一种或多种,优选2-己酮、环己酮和2-辛酮中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所述二酐为碳原子数为4-12的脂环族和碳原子数为10-31芳香族二元有机酸酐中一种或多种,优选苯四甲酸二酐、二苯酮二酐、联苯二酐、二苯醚二酐、二苯硫醚二酐、三苯二醚二酐、双酚A二醚二酐、双酚S二醚二酐、二苯砜二酐、环丁烷二酐、环己烷二酐和降冰片烯二酸酐中的一种或多种,更优选为苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯酮二酐和二苯醚二酐中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法,其特征在于,所述二胺为碳原子数为6-13的脂肪族和脂环族二胺中的一种或多种,所述二胺在所述弱水溶性溶剂中的溶解度范围为≤15g/100g弱水溶性溶剂;优选异佛尔酮二胺、二氨基二环己基甲烷、金刚烷二胺和己二胺中的一种或多种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法,其特征在于,所述二酐与二胺的摩尔比为1.02:1至1:1;所述二酐与二胺的重量和与弱水溶性溶剂的重量的比为(8-30.1):100,优选(10-25):100。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法,其特征在于,所述成盐聚合反应的温度为80-120℃,优选100-110℃;反应时间为1-12h,优选1.5-3h。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法,其特征在于,所述干燥为两个阶段以上的干燥,第一阶段干燥温度为80-120℃,优选90-110℃;最后阶段干燥温度为210-350℃,优选230-330℃。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法,其特征在于,所述成盐聚合反应过程任选地添加填料,所述填料选自石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼、有机纤维、玻璃纤维、碳纤维、高岭土和碳酸钙中的一种或多种;基于二酐与二胺的重量和,所述填料添加量为3-70wt%,优选7-67wt%。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法,其特征在于,所述干燥方式包括真空干燥和/或惰性气体保护干燥;所述真空干燥的真空度为-0.08至-0.1MPa,优选-0.09MPa至-0.1MPa;所述惰性气体选自氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或多种,优选为氮气和/或氩气。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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