CN109503835A - 一种聚醚酰亚胺及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚醚酰亚胺及其制备方法。以式I所示的二酚单体与式II‑1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II‑2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II‑3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体,在碱性催化剂存在条件下发生芳香亲核取代反应制备得到聚醚酰亚胺。本发明所得的聚醚酰亚胺具有优异的耐热性能、良好的溶解性以及加工性能等优点。本发明的聚醚酰亚胺的玻璃化转变温度为270℃~400℃,熔融指数为0.4‑1.5g/10min,拉伸模量在4.0GPa以上。鉴于这些性能,本发明的聚醚酰亚胺,可广泛应用于耐高温的工程塑料、薄膜、胶粘剂、漆包线、泡沫塑料、纤维、以及先进复合材料等相关领域。

Description

一种聚醚酰亚胺及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚酰亚胺及其制备领域,具体涉及一种聚醚酰亚胺及其制备方法。
背景技术
聚酰亚胺是一类综合性能优异的树脂材料,具有良好的热稳定性、优异的机械性能、较好的尺寸稳定性、优良的化学稳定性、高击穿电压、低介电常数、高阻燃性、低膨胀系数等优点,被广泛应用于电子电器、航空航天、汽车、化工机械等高科技领域。但是,大多数聚酰亚胺树脂由于分子内和分子间的相互作用较强,很难进行熔融或溶解加工,后续的材料应用受到一定限制。
聚酰亚胺的合成方法通常可以分为两种:一种是以二酐和二胺为原料,形成中间体聚酰胺酸,聚酰胺酸脱水环化形成聚酰亚胺,然而,二酐储存时容易水解成酸,二胺容易在空气中氧化,原料来源及储存成本较高,导致聚合物成本较高;另一种是由芳香亲核取代合成聚酰亚胺,以双酚盐和双硝基(或双卤代)酞酰亚胺单体为原料,经缩聚芳香亲核取代反应形成聚酰亚胺。
聚醚酰亚胺,将醚键柔性单元引入到刚性的聚酰亚胺主链中,使得这类聚合物保留了聚酰亚胺的优异性能,同时具有溶解性好、熔体粘度低和可熔融加工的特点,是一种非常有前途的热塑性耐热高分子材料。而且二酚的反应活性高,很适合于用芳香亲核取代合成聚醚酰亚胺,而且能方便地得到高分子量的聚酰亚胺。但是由于所用的双卤单体原料为对称的双卤取代的苯酰亚胺单体,导致所得到的聚醚酰亚胺的耐热性不高,同时由于结构对称,产物的溶解性、溶体加工性能有待进一步改善。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述现有技术,提供一种聚醚酰亚胺及其制备方法,该聚醚酰亚胺具有优异的耐热性能、良好的溶解性以及加工性能、优异的机械性能等优点。
本发明公开了一种聚醚酰亚胺,所述的聚醚酰亚胺具有如下式III所示的结构式:
其中,x是0~1000的整数;y和z各自独立是1~1000的整数;Ar是二胺单体的残基,R是二酚单体的残基。
式III中氧原子O的连接位置,可以连接在苯环的3位或4位上,具体如下:
进一步,式III中的Ar可以为下列基团之一或两种以上
其中,化学式左右末端的横线“-”表示Ar基团与重复单元中Ar两侧的氮原子的连接键,而不表示甲基。
进一步,含有Ar的二胺单体的化学式如式A所示
H2N-Ar-NH2
A
式A中,Ar的定义如上所述。
进一步,式A所示化合物的结构式如下:
所述含有Ar的二胺单体可以选自下列二胺中的一种或两种以上:对苯二胺,间苯二胺,联苯二胺,3,3’-二甲基联苯胺,2,2’-二甲基联苯胺,4,4’-二氨基二苯醚,3,4’-二氨基二苯醚,3,3’-二氨基二苯醚,4,4’-二氨基二苯酮,3,4’-二氨基二苯酮,4,4’-二氨基二苯砜,3,4’-二氨基二苯砜,4,4’-二氨基二苯甲烷,3,3’-二甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷,2,2’,3,3’-四甲基-4,4’-二氨基二苯甲烷,4,4’-二氨基二苯基异丙烷,4,4’-二氨基二苯硫醚,2,4-甲苯二胺,优选4,4’-二氨基二苯醚。
式III中的R优选为酚酞系列或苯酚红系列二胺单体的残基,可以为下列基团之一或两种以上:
其中,化学式左右末端的横线“-”表示R基团与重复单元中R两侧的氧原子的连接键,而不表示甲基。
进一步,含有R的酚酞系列或苯酚红系列的二酚单体的化学式如式I所示
HO-R-OH
I
式I中,R的定义如上所述。
进一步,含有R的酚酞系列或苯酚红系列二酚单体选自下列化学式中的一种或两种以上:
本发明还公开了所述的聚醚酰亚胺的制备方法,具有操作简便、易于控制等优点。
所述聚醚酰亚胺的制备方法为:以式I所示的二酚单体与式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体,在碱性催化剂存在条件下发生芳香亲核取代反应,然后将反应产物后处理制得聚醚酰亚胺树脂;其反应式如下:
式II-1、式II-2或式II-3中,Ar和R的定义如上所述。
式II-2或式II-3中的F的取代位置为苯环的3位或4位,具体如下:
式II-1、II-2或II-3中的Ar可以相同,也可以不相同。
优选式II-1、II-2或II-3中的Ar为相同的二胺单体的残基。
式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的物质的量之比为x:y:z,x是0~1000的整数;y和z各自独立是1~1000的整数。
其中式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体同时存在,即y和z不为0,x可以等于0。
进一步,式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的物质的量之比优选为:1:1~3:1~6或0:1~3:1。
所述二酚单体优选为下列之一
所述二酚单体的物质的量用量为式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的总的物质的量的0.98~1.02倍,优选1倍。
所述的碱性催化剂为无机碱性物质如碳酸盐、或有机碱性物质如三烷基胺。所述碳酸盐可以为碳酸钾、碳酸钠、碳酸氢钠等。所述三烷基胺可以为三正丁胺或三乙胺。所述的碱性催化剂优选碳酸钾。
所述碱性催化剂的物质的量用量为二酚单体的物质的量的1~1.5倍。
所述的芳香亲核取代反应是在惰性气体保护氛围中进行;所述惰性气体一般为氮气。
在反应过程中,反应温度为150℃~250℃,优选为160~200℃,更优选160~170℃。
反应时间为8-20小时,优选8~15小时。
所述反应中可加入有机溶剂,所述有机溶剂优选为N-甲基吡咯烷酮,有机溶剂的体积用量一般以式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氯取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的双氯取代的萘基苯基酰亚胺单体的总的物质的量计为3~10mL/mmol。
本发明中,式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的制备方法可参照中国专利CN101531758A和Polymer 1999,40,4377–4386中公开的方法制备。
所述制备方法中,反应产物的后处理步骤一般为:将反应产物冷却、加N-甲基吡咯烷酮稀释,然后倒入沉淀剂中、过滤,收集沉淀后充分洗涤、干燥,制得聚醚酰亚胺树脂。所述沉淀剂可以为乙醇。
芳香亲核取代反应后可以加入封端剂进行封端,封端剂的结构为:
封端剂用量为二酚单体I摩尔量的1%~5%。
与现有技术相比,本发明的优势如下:以混合三种双卤单体II-1(双氯取代的萘酰亚胺单体)、II-2(双氟取代的苯酰亚胺单体)、II-3(氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体)为原料,和二酚单体I通过亲核取代的方法反应,所得到的聚醚酰亚胺共聚物,一方面由于在II-2(双氟取代的苯酰亚胺单体)的基础上,加入了II-1(双氯取代的萘酰亚胺单体),大大改善了聚醚酰亚胺的耐热性能以及机械性能(特别是拉伸模量);另一方面由于分子链中同时存在三种结构单元,特别是II-3的引入,具有溶解性好、熔体粘度低等易加工的特点。该树脂在耐高温的工程塑料、薄膜、胶粘剂、漆包线、泡沫塑料、纤维、以及先进复合材料等相关领域有很好的应用前景。
本发明的聚醚酰亚胺的玻璃化转变温度为270℃~400℃,熔融指数为0.4-1.5g/10min,拉伸模量在4.0GPa以上。鉴于这些性能,本发明的聚醚酰亚胺,可广泛应用于耐高温的工程塑料、薄膜、胶粘剂、漆包线、泡沫塑料、纤维、以及先进复合材料等相关领域。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述,但本发明的保护范围不限于此。
实施例中的反应原料参照中国专利CN101531758A和Polymer 1999,40,4377–4386中公开的方法制备。
实施例1:
本实施例中,聚醚酰亚胺的反应式如下:
具体制备方法为:氮气保护下,将双卤代酰亚胺单体II-1(1mmol)、II-2(2mmol)、II-3(4mmol)、双酚单体I酚酞(7mmol)、碳酸钾(7.7mmol)、N-甲基吡咯烷酮(40mL)加入100mL反应瓶中,升温至170℃搅拌8小时,制得粘稠的聚醚酰亚胺溶液。冷却至80℃,加入N-甲基吡咯烷酮稀释反应液,在乙醇中沉淀到纤维状的聚醚酰亚胺,煮洗烘干,得到聚醚酰亚胺粉末。其中聚合物粉末的玻璃化转变温度为355℃,熔融指数为0.98g/10min。
将得到的聚醚酰亚胺粉末用N-甲基吡咯烷酮成重量百分浓度为10%的溶液,用流延法将其溶液均匀涂覆在洁净的玻璃板上,将玻璃板放置于80℃的干燥箱中过夜,然后按照下列程序进行升温:100℃,1小时;150℃,1小时;200℃,1小时,250℃,1小时。待温度降至室温后取出玻璃板,将其置于温水中脱膜,然后将薄膜置于100℃干燥箱中干燥除水,得到聚醚酰亚胺薄膜。测得的机械性能如下:拉伸强度为142MPa,拉伸模量为4.6GPa,断裂伸长率为5.9%。
实施例2:
本实施例中,聚醚酰亚胺的反应式如下:
具体制备方法为:氮气保护下,将双卤代酰亚胺单体II-1(0.5mmol)、II-2(1mmol)、II-3(3mmol)、双酚单体I甲基酚酞(4.5mmol)、碳酸钾(5.0mmol)、N-甲基吡咯烷酮(20mL)加入50mL反应瓶中,升温至165℃搅拌10小时,制得粘稠的聚醚酰亚胺溶液。冷却至80℃,加入N-甲基吡咯烷酮稀释反应液,在乙醇中沉淀到纤维状的聚醚酰亚胺,煮洗烘干,得到聚醚酰亚胺粉末。其中聚合物粉末的玻璃化转变温度为322℃,熔融指数为0.51g/10min。
将得到的聚醚酰亚胺粉末用N-甲基吡咯烷酮成重量百分浓度为10%的溶液,用流延法将其溶液均匀涂覆在洁净的玻璃板上,将玻璃板放置于80℃的干燥箱中过夜,然后按照下列程序进行升温:100℃,1小时;150℃,1小时;200℃,1小时,250℃,1小时。待温度降至室温后取出玻璃板,将其置于温水中脱膜,然后将薄膜置于100℃干燥箱中干燥除水,得到聚醚酰亚胺薄膜。测得的机械性能如下:拉伸强度为94MPa,拉伸模量为4.3GPa,断裂伸长率为4.1%。
实施例3:
本实施例中,聚醚酰亚胺的反应式如下:
具体制备方法为:氮气保护下,将双卤代酰亚胺单体II-2(3.0mmol)、II-3(1.5mmol)、双酚单体I酚酞(4.5mmol)、碳酸钾(4.7mmol)、N-甲基吡咯烷酮(25mL)加入50mL反应瓶中,升温至160℃搅拌8小时,制得粘稠的聚醚酰亚胺溶液。冷却至80℃,加入N-甲基吡咯烷酮稀释反应液,在乙醇中沉淀到纤维状的聚醚酰亚胺,煮洗烘干,得到聚醚酰亚胺粉末。其中聚合物粉末的玻璃化转变温度为284℃,熔融指数为0.48g/10min。
将得到的聚醚酰亚胺粉末用N-甲基吡咯烷酮成重量百分浓度为10%的溶液,用流延法将其溶液均匀涂覆在洁净的玻璃板上,将玻璃板放置于80℃的干燥箱中过夜,然后按照下列程序进行升温:100℃,1小时;150℃,1小时;200℃,1小时,250℃,1小时。待温度降至室温后取出玻璃板,将其置于温水中脱膜,然后将薄膜置于100℃干燥箱中干燥除水,得到聚醚酰亚胺薄膜。测得的机械性能如下:拉伸强度为95MPa,拉伸模量为4.1GPa,断裂伸长率为3.1%。

Claims (10)

1.一种聚醚酰亚胺,如下式III所示的结构式:
其中,x是0~1000的整数;y和z各自独立是1~1000的整数;Ar是二胺单体的残基,R是二酚单体的残基;式III中氧原子O的连接位置是连接在苯环的3位或4位上。
2.如权利要求1所述的聚醚酰亚胺,其特征在于所述式III中的Ar为下列基团之一或两种以上
其中,化学式左右末端的横线“-”表示Ar基团与重复单元中Ar两侧的氮原子的连接键,而不表示甲基。
3.如权利要求1或2所述的聚醚酰亚胺,其特征在于所述式III中的R为酚酞系列或苯酚红系列二胺单体的残基,为下列基团之一或两种以上:
其中,化学式左右末端的横线“-”表示R基团与重复单元中R两侧的氧原子的连接键,而不表示甲基。
4.如权利要求1所述的聚醚酰亚胺的制备方法,其特征在于所述方法为:以式I所示的二酚单体与式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体,在碱性催化剂存在条件下发生芳香亲核取代反应,然后将反应产物后处理制得聚醚酰亚胺树脂;
式II-1、式II-2或式II-3中,Ar是二胺单体的残基,R是二酚单体的残基;式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的物质的量之比为x:y:z,x是0~1000的整数;y和z各自独立是1~1000的整数。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于:所述的碱性催化剂为无机碱性物质或有机碱性物质;所述无机碱性物质为碳酸盐,所述有机碱性物质为三烷基胺。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于:所述的碱性催化剂为碳酸钾。
7.如权利要求4所述的方法,其特征在于:所述二酚单体的物质的量用量为式II-1所示的双氯取代的萘酰亚胺单体、式II-2所示的双氟取代的苯酰亚胺单体、式II-3所示的氯代萘基氟代苯基酰亚胺单体的总的物质的量的0.98~1.02倍;所述碱性催化剂的物质的量用量为二酚单体的物质的量的1~1.5倍。
8.如权利要求4所述的方法,其特征在于:所述的芳香亲核取代反应是在惰性气体保护氛围中进行。
9.如权利要求4所述的方法,其特征在于:反应温度为150℃~250℃,反应时间为8-20小时。
10.如权利要求4所述的方法,其特征在于:所述反应产物的后处理步骤为:将反应产物冷却、加N-甲基吡咯烷酮稀释,然后倒入沉淀剂中、过滤,收集沉淀后充分洗涤、干燥,制得聚醚酰亚胺树脂。
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李鹏等: ""一种新型含萘聚醚酰亚胺的合成与表征"", 《高等学校化学学报》 *

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CN115851114A (zh) * 2021-09-27 2023-03-28 中国科学院长春应用化学研究所 用于柔性软木表面的防水涂料及其制备方法

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