CN109487355B - 一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,采用游离的4,6‑二氨基间苯二酚与对苯二甲酸在多聚磷酸和五氧化二磷中,在惰性气体保护下,在100~200℃下聚合得到高强度的对苯撑苯并二噁唑纤维。本发明不但节省了脱氯化氢气体的时间,而且大大降低了对设备的要求,因为高温下的氯化氢气体对设备的要求非常高,普通的金属根本耐不住高温下的氯化氢,而选用4,6‑二氨基间苯二酚就不存在这个问题了;另外,本发明采用预处理过的对苯二甲酸,可以使聚合时间大幅度下降。
Description
技术领域
本发明属于材料科学技术领域,具体地说是涉及一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法。
背景技术
聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO),是由美国空军空气动力学开发研究人员发明的,首先由美国斯坦福(Stanford)大学研究所(SRI)拥有聚苯并唑的基本专利,以后美国陶氏(DOW)化学公司得到授权,并对PBO进行了工业性开发,同时改进了原来单体合成的方法,新工艺几乎没有同分异构体副产物生成,提高了合成单体的收率,打下了产业化的基础。
PBO纤维具有耐热性好、强度和模量高等优点,被誉为21世纪超级纤维。1998年起唯一由日本Toyobo公司按式(1)混缩聚和纺丝垄断生产(商品名Zylon)、目前东洋纺年产量能达到400吨,并对中国实行技术封锁和产品禁销。主要是作为军需品对欧美和日本销售,价格高达3000元/kg。
由于单体4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐(DARH)来源困难,式(1)过程脱HCl时间>30h、半连续化聚合操作复杂,产业化过程极为艰难。虽然Toyobo公司也采用先制成复合盐TDH再自缩聚制备出PBO纤维,不需脱HCl且等当比聚合获得更高分子量的专利技术式(2),但由于复合盐TDH的氧化比DARH更
快而使产业化操作更为困难,导致产业化改造中自缩聚路线自行被Toyobo舍弃。
虽然目前有很多公司在研究PBO的制备方法,但是具备工业化生产的公司还是较少,主要原因是目前PBO所用的主要单体是4,6-二氨基间苯二酚(DAR)盐酸盐,该单体在聚合前期首先需要在高温下把氯化氢气体脱干净,脱氯化氢气体过程中存在两个问题:(1)4,6-二氨基间苯二酚(DAR)极不稳定,其遇见氧气迅速变色被氧化,不利于聚合反应的进行;(2)产生的氯化氢气体在高温下对设备腐蚀很严重,这是限制工业化生产的主要原因之一。
发明内容
本发明提供了一种新的高强度的聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)的制备方法,该方法可以解决设备腐蚀情况,具有环保、绿色经济等优点,适用于工业化生产。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,4,6-二氨基间苯二酚(DAR)与对苯二甲酸(TPA)在多聚磷酸(PPA)和五氧化二磷(P2O5)中,在惰性气体保护下,在100~200℃下聚合得到高强度的对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)。
这种方法大大缩短了聚合时间(主要是节省了脱氯化氢气体的时间)及避免了设备被腐蚀的情况,更有利于工业化生产。
作为优选,所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法为:在氮气保护下,向反应瓶中加入一定量的多聚磷酸和五氧化二磷,搅拌、升温,加入4,6-二氨基间苯二酚和经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温1~4h,在120~150℃下保温1~4h,在150~170℃保温0.2~2h,最后在170~185℃下保温10~20h,得到对苯撑苯并二噁唑纤维预聚液,最后拔丝,得到的丝先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到对苯撑苯并二噁唑纤维。
作为优选,所述多聚磷酸中五氧化二磷含量为80~90%。多聚磷酸(PPA)既是溶剂又是环化剂,补加的五氧化二磷(P2O5)越多,聚合能力越强,得到的聚合物分子量越高,但是P2O5越多体系粘度过大,会导致搅拌困难,因此需要控制P2O5的含量,P2O5含量在反应起始阶段控制在87~89%,聚合结束P2O5含量控制在82~84%。
作为优选,所述多聚磷酸的用量是4,6-二氨基间苯二酚质量的4~8倍。
作为优选,所述多聚磷酸与五氧化二磷预热温度为100~120℃,搅拌0.2~2h。
作为优选,所述对苯二甲酸与4,6-二氨基间苯二酚的摩尔比为0.95~1.02:1。
作为优选,所述对苯二甲酸预处理方法为:使用不锈钢球磨机,在600r/min的条件下磨3~4h。得到的对苯二甲酸(TPA)颗粒会比较细,有利于聚合的进行。
为了得到高纯度的4,6-二氨基间苯二酚,本发明采用的技术方案为:
所述4,6-二氨基间苯二酚通过下述方法制备得到:向高压釜内加入一定量的4,6-二硝基间苯二酚、一定量的溶剂及催化剂,在40~60℃温度及0.2~1.0MPa压力下反应,反应毕,在氮气保护下,过滤回收催化剂,经过后处理得到类白色固体,真空干燥,粉碎,充氮保存,备用。
作为优选,所述溶剂为甲醇、乙醇、甲醇/DMF、氢氧化钠水溶液中的任一种,溶剂用量为4,6-二硝基间苯二酚质量的6~12倍;所述催化剂为雷尼镍或1~10%钯碳,催化剂用量为4,6-二硝基间苯二酚质量的1~10%。
作为优选,所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,包括下述步骤:
(1)向500ml的高压釜内加入20g 4,6二硝基间苯二酚,200ml甲醇及1.0g5%钯碳,密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至45℃,通氢气至0.3MPa,在该条件下保温1.5h,升温至55℃和0.8MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液中加入0.3g氯化亚锡,滤液降温析晶,得到类白色的固体,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚;
(2)向反应管子加入14g 84.5%的多聚磷酸及7.5g五氧化二磷,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温0.5h,保温毕,加入2.65g(18.9mmol)4,6-二氨基间苯二酚及3.10g对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到η=32.3的聚对苯撑苯并二噁唑纤维。
本发明具有以下优点:
本发明采用游离的4,6-二氨基间苯二酚(DAR)与对苯二甲酸(TPA)聚合,不但节省了脱氯化氢气体的时间,而且大大降低了对设备的要求,因为高温下的氯化氢气体对设备的要求非常高,普通的金属根本耐不住高温下的氯化氢,而选用4,6-二氨基间苯二酚(DAR)就不存在这个问题了;本发明加氢还原毕可方便取出游离的4,6-二氨基间苯二酚,不仅使制备DAR过程简化了操作,并大大降低了制备DAR盐酸盐的废酸污染,制备单体的经济与实用价值提升;另外,本发明采用预处理过的对苯二甲酸(TPA),可以使聚合时间大幅度下降。
附图说明
图1是本发明制备得到的4,6-二氨基间苯二酚的IR图;
图2是本发明制备得到的4,6-二氨基间苯二酚的1H-NMR图;
图3是本发明制备得到的聚对苯撑苯并二噁唑纤维的IR图;
图4是本发明制备得到的聚对苯撑苯并二噁唑纤维的TG-DTG图。
具体实施方式
下面结合几个实施例对本发明做出进一步的说明,这些实施例并非是对本发明的限定,依照本领域现有的技术,本发明的实施方式并不限于此,凡依照本发明公开内容所做出的本领域的等同替换,均属本发明的保护内容。
实施例1
向500ml的高压釜内加入20g(0.1mol)4,6二硝基间苯二酚,200ml甲醇及1.0g 5%钯碳(含水量为67.0%),密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至45℃,通氢气至0.3MPa,在该条件下保温1.5h,升温至55℃和0.8MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液中加入0.3g氯化亚锡,滤液降温析晶,得到类白色的固体,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚。其IR见附图1,1H-NMR见附图2。
向反应瓶中加入14g 84.5%的PPA及7.5gP2O5,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温0.5h,保温毕,加入2.65g(18.9mmol)4,6-二氨基间苯二酚及3.10g(18.6mmol)经过预处理的对苯二甲酸(使用不锈钢球磨机,在600r/min的条件下磨3.5h),然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到棕黄色的纤维,用乌氏粘度计测得η=32.3。其IR见附图3,TG-DTG见附图4,失重5%温度647℃。
实施例2:
向500ml的高压釜内加入20g(0.1mol)4,6二硝基间苯二酚,4.5%氢氧化钠水溶液200g及2.0g Raney/Ni,密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至45℃,通氢气至0.3MPa,在该条件下保温2.5h,升温至55℃和0.8MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液降温至0~5℃,滤液中加入0.5g氯化亚锡,氮气保护下滴加23.5g35%的HCl,滴加过程有白色固体出现,滴毕有大量固体析出,过滤得到粗品,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚。
向反应瓶中加入15g 84.5%的PPA及6.8gP2O5,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温0.5h,保温毕,加入2.65g(18.9mmol)4,6-二氨基间苯二酚及3.15g(18.9mmol)经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到棕黄色的纤维,用乌氏粘度计测得η=33.8。
实施例3
向500ml的高压釜内加入20g(0.1mol)4,6-二硝基间苯二酚,180ml甲醇及1.2g5%钯碳(含水量为67.0%),密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至50℃,通氢气至0.5MPa,在该条件下保温1.5h,升温至60℃和1.0MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液中加入0.3g氯化亚锡,滤液降温析晶,得到类白色的固体,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚。
向反应瓶中加入14g 84.5%的PPA及7.0gP2O5,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温1.0h,保温毕,加入2.5g(17.8mmol)4,6-二氨基间苯二酚及2.97g(18.6mmol)经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到棕黄色的纤维,用乌氏粘度计测得η=33.1。
实施例4
向500ml的高压釜内加入20g(0.1mol)4,6二硝基间苯二酚,240ml甲醇及1.5g 5%钯碳(含水量为67.0%),密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至50℃,通氢气至0.4MPa,在该条件下保温1.5h,升温至60℃和0.9MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液中加入0.3g氯化亚锡,滤液降温析晶,得到类白色的固体,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚。
向反应瓶中加入14g 84.5%的PPA及7.2gP2O5,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温1.5h,保温毕,加入2.6g(18.5mmol)4,6-二氨基间苯二酚及3.13g(18.8mmol)经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到棕黄色的纤维,用乌氏粘度计测得η=32.9。
实施例5
向500ml的高压釜内加入20g(0.1mol)4,6-二硝基间苯二酚,4.5%氢氧化钠水溶液220g及1.0g Raney/Ni,密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至45℃,通氢气至0.5MPa,在该条件下保温2.5h,升温至55℃和1.0MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液降温至0~5℃,滤液中加入0.5g氯化亚锡,氮气保护下滴加23.5g35%的HCl,滴加过程有白色固体出现,滴毕有大量固体析出,过滤得到粗品,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚。
向反应瓶中加入15g 84.5%的PPA及7.2gP2O5,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温1.0h,保温毕,加入2.65g(18.9mmol)4,6-二氨基间苯二酚及3.15g(18.9mmol)经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到棕黄色的纤维,用乌氏粘度计测得η=34.2。
Claims (7)
1.一种聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于包括下述步骤:
(1)向高压釜内加入一定量的4,6-二硝基间苯二酚、一定量的溶剂及催化剂,在40~60℃温度及0.2~1.0MPa压力下反应,反应毕,在氮气保护下,过滤回收催化剂,经过后处理得到类白色固体,真空干燥,粉碎,充氮保存,备用,制备得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚;其中,所述溶剂为甲醇、乙醇、甲醇/DMF、氢氧化钠水溶液中的任一种,催化剂为雷尼镍或1~10%钯碳;
(2)向反应瓶中加入一定量的多聚磷酸和五氧化二磷,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温0.5~1.5h;加入上述制备得到的4,6-二氨基间苯二酚和经过预处理的对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温1~4h,在120~150℃下保温1~4h,在150~170℃保温0.2~2h,最后在170~185℃下保温10~20h,得到对苯撑苯并二噁唑纤维预聚液,最后拔丝,得到的丝先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到聚对苯撑苯并二噁唑纤维。
2.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于:所述多聚磷酸中五氧化二磷含量为80~90%。
3.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于:所述多聚磷酸的用量是4,6-二氨基间苯二酚质量的4~8倍。
4.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于:所述对苯二甲酸与4,6-二氨基间苯二酚的摩尔比为0.95~1.02:1。
5.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于:对苯二甲酸预处理方法为:使用不锈钢球磨机,在600r/min的条件下磨3~4h。
6.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于:溶剂用量为4,6-二硝基间苯二酚质量的6~12倍;催化剂用量为4,6-二硝基间苯二酚质量的1~10%。
7.根据权利要求1所述聚对苯撑苯并二噁唑纤维的制备方法,其特征在于包括下述步骤:
(1)向500ml的高压釜内加入20g 4,6二硝基间苯二酚,200ml甲醇及1.0g 5%钯碳,密封反应釜,氮气、氢气各置换5次,缓慢升温至45℃,通氢气至0.3MPa,在该条件下保温1.5h,升温至55℃和0.8MPa,继续反应至压力不变,继续保温0.5h,停止反应,在氮气保护下趁热过滤掉催化剂,滤液中加入0.3g氯化亚锡,滤液降温析晶,得到类白色的固体,粗品用0.5%的氯化亚锡甲醇溶液打浆,过滤,真空干燥,得到纯度>99.5%的4,6-二氨基间苯二酚;
(2)向反应瓶中加入14g 84.5%的多聚磷酸及7.5g五氧化二磷,氮气保护下开启搅拌并升温至100~120℃,保温0.5h,保温毕,加入2.65g 4,6-二氨基间苯二酚及3.10g对苯二甲酸,然后在100~120℃下保温2h,升温至120~150℃下保温2h,升温至150~170℃保温1h,最后在170~185℃下保温16h,得到PBO预聚液,拔丝,得到的纤维先用水清洗然后用弱碱水清洗,再用清水洗涤,最后吹干,得到η=32.3的聚对苯撑苯并二噁唑纤维。
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