CN109705335A - 一种含有腈基和dopo基结构聚芳醚酮树脂及其合成方法 - Google Patents

一种含有腈基和dopo基结构聚芳醚酮树脂及其合成方法 Download PDF

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黄雪红
郑飞
江生光
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Fujian Chaoyang Wire And Cable Co ltd
Fujian Normal University
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Fuzhou Tongerda Electric Wire & Cable Co Ltd
Fujian Normal University
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Abstract

本发明公开了一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮电缆料树脂的合成方法。该方法将含DOPO基双酚、六氟双酚A、二氟二苯酮、二氟腈基苯与K2CO3或Na2CO3按摩尔比为x:(1~x):(1~y):y:(2.4~4)置于溶剂中,在N2流作用下先于130~150℃反应1~5h,再于150~170℃反应3~20h,合成含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮聚合物。本方法简便易行,在聚合反应中用弱碱成盐,合成含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮电缆料树脂。采用本发明上述方法制作的电缆料,具有强度较高、高耐磨、高耐油、电绝缘性好,且具有低烟、无卤、阻燃等特性,非常适合电薄壁电缆挤出,能满足超薄壁绝缘电缆的加工工艺及产品技术要求,生产方便,具有良好的经济效益及推广价值。

Description

一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种含有腈基和DOPO基结构的聚芳醚酮,具体涉及一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂及其合成方法。
背景技术
随着电力电缆应用的范围越来越广,不同使用环境有不同要求,如,耐高温、耐低温、耐油、抗撕裂、阻燃等。特别是在使用条件特殊、应用环境复杂的情况下,特种电缆的需求日显突出,对电缆的可靠性、耐用性提出了更高的要求。我国高速铁路及城市轨道交通装备发展迅速,制造企业对高铁及城轨装备用电缆的要求向着超薄壁、高耐温、高耐油、高阻燃方向发展。普通薄壁电缆的绝缘壁厚度在0.3mm以上,而高速铁路及城市轨道交通装备所需的超薄壁绝缘电缆绝缘壁厚要求为0.18mm。目前,电缆行业生产薄壁电缆的主要绝缘材料是交联聚烯烃,由于该电缆料中含有较多的阻燃剂,绝缘电阻较小,电缆容易被击穿,而且电缆的物理机械性能存在诸多不足,绝缘壁不能实现超薄,难以满足制造企业的需要。因此,生产高耐温、高耐油、高阻燃的超薄壁绝缘电缆的一个关键技术就是研究合适的电缆料。
随着技术的发展,国内对特种电缆用材料也有广泛的研究,并提出了相应的解决方案。其中最主要的解决方法集中在对传统材料的复合改性上。例如,CN103275458A提供了一种聚醚醚酮电缆料,通过聚醚醚酮、聚酯醚、聚苯醚、碳酰亚胺等的混合,提高了电缆料的性能,具有强度较高、高耐磨、高耐油、电绝缘性好,且具有低烟、无卤、阻燃等特性,适合电薄壁电缆挤出。CN105542390A提供了一种耐热阻燃电缆绝缘材料,通过聚醚醚酮、氯化石蜡、醇酸树脂、脲醛树脂、重晶石粉、石棉、五溴乙基苯、云母粉、低密度聚乙烯、煅烧陶土、棕榈油、甘油、氨丙基三甲氧基硅烷、双酚、次磷酸铝、聚四氟乙烯、改性填料等的混合。该发明的电缆料配方中的阻燃剂由硼酸盐类阻燃剂和磷氮阻燃剂复配而成,添加少量的阻燃增效剂就使电缆料具有良好的阻燃效果和优良的抑烟效果,该电缆料的烟密度低、毒性指数低。又如,专利CN105400131A提供一种特种电缆用复合材料,该特种电缆用复合材料由以下成分构成:聚醚醚酮、聚乙烯、聚酰亚胺按比例混合作为基体材料,采用乙烯-乙酸乙烯共聚物改性聚合物、三氧化钼、氧化镁经偶联剂处理后作为阻燃添加剂,采用过氧化二异丙苯作为交联催化剂,采用氮化硅晶须作为增强剂,通过熔融共混形成复合材料,其具有较好的耐高温性质和改善的阻燃效果,能够实现恶劣工况下的性能稳定性不降低。上述聚合物之间形成均匀共混较难,对制备工艺要求较为复杂,并且其添加的助剂较多,无疑增加了产品成本,降低了电缆的可靠性。同样的,CN104292601A提供了一种耐油低烟无卤阻燃电缆料,通过乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、低密度聚乙烯、硫化硅橡胶、聚酰胺等的混合,提高了传统聚烯烃共混料的性能。可见,为克服现有技术中的诸多缺陷,亟需一种耐高温、阻燃、屏蔽系能好的可靠性高的特种电缆用复合材料替代传统的电缆材料。
有机磷系阻燃剂具有高效、低毒、无污染、低烟等优点,受到了越来越多的关注,人们围绕有机磷系阻燃剂进行了大量的研究工作,活性阻燃剂中间体9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)由于结构中活泼的P-H键,使其与羰基化合物、碳碳双键、亚胺键等缺电子化合物具有较高的反应活性,受到了国内外研究者的广泛关注。但是以DOPO小分子形式直接添加材料中,常伴随着材料力学性能的下降,且随着易迁移出聚合物材料,影响其阻燃性能。聚合型有机膦阻燃剂具有:分子量大、含磷量高、与材料的相容性好、迁移性小、加工性能好、阻燃性能优异等优点。基于上述优点考虑,将有机膦阻燃课剂以单体形式直接参与聚合反应,作为聚合物主链中结构单元的一部分,从而使聚合物材料达到阻燃目的。同时也解决了使用的过程中阻燃剂与基材的相容性、分散性、界面性等问题。
在聚芳醚是一类高性能工程塑料,具有优良的耐高温、耐腐蚀、均衡的物理机械性能和极好的尺寸稳定性。含量DOPO基双酚以单体形式引入在聚芳醚酮主链中,使聚芳醚酮材料具有阻燃性能。在聚芳醚酮聚合的同时加入苯腈,引入强极性氰基侧基(-CN),一方面增加了分子链间的偶极-偶极作用,有利于在获得较高的耐热性能和机械强度的同时,增强树脂基体的附着力;另一方面,氰基作为一个潜在的交联点可以形成具有更高耐热性能的网络结构。将氰基和DOPO基同时引入聚芳醚酮主链中制备含氰基和DOPO基结构聚芳醚酮新品种,该类树脂可望同时具有聚芳醚酮、聚芳醚腈和DOPO的优点。因此以二氟二苯甲酮、二卤代苯腈、含DOPO基双酚为原料,成功地合成了一系列新型耐高温耐腐蚀、耐辐射、阻燃的含氰基和DOPO基结构聚芳醚酮。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂及其合成方法。
本发明通过如下技术方案实现:
本发明旨在提供一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮,所述聚芳醚酮树脂具有以下化学结构式:
其中,x,y,z为正整数,且x为:10~200,(y+z)为:200-x
本发明另一目的旨在公开上述一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,包括如下步骤:
将含DOPO基双酚、二元酚单体、二氟二苯酮、二卤苯腈与催化剂按摩尔比为x:(1~x):(1~y):y:(1.2~3)置于有机溶剂中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~5h,再于150~170℃反应3~20h,合成线形含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂。
其中,所述的二元酚单体为对苯二酚、间苯二酚、双酚芴、双酚A、六氟双酚A、联苯二酚或邻甲氧基对苯二酚的任意一种或任意两种的组合。
其中,所述的含DOPO基双酚是指含DOPO的对苯二酚(Ⅰ)、含DOPO的萘二酚(Ⅱ)或含双DOPO的双苯酚甲烷(Ⅲ)。
(I)(Ⅱ)(Ⅲ)
其中,所述有机溶剂为甲苯与N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜或N-甲基吡咯烷酮的任意一种或任意两种的组合。
其中,所述催化剂为无水碳酸钾或无水碳酸钠。
其中,所述的二卤苯腈为二氟苯腈、二氯苯腈、二氟二苯腈或二氯二苯腈的任意一种或任意两种的组合。
本发明另一目的旨在提供一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的另一合成方法,所述合成方法包括如下步骤:
a、将含DOPO基双酚、二氟二苯酮与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成含有DOPO基结构聚芳醚酮;
b、将含二元酚、二氟二苯酮与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成聚芳醚酮;
c、将含二元酚、二卤苯腈与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成含有腈基聚芳醚酮;
d、将上述步骤a~c所得产物溶于有机溶剂Ⅱ中完全溶解后,于150~170℃反应2~10h,合成含有腈基和DOPO基的聚芳醚酮。
10、根据权利要求9所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的另一合成方法,其特征在于所述有机溶剂Ⅰ为甲苯与N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮的任意一种或任意两种及以上的组合;有机溶剂Ⅱ为N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮的任意一种。
相对于现有技术,本发明具有如下优点和有益效果:
1.运用本发明易于将腈基和DOPO基引入到聚芳醚酮结构中,该方法用弱碱成盐,克服了工业了用NaOH成盐所引起的产物易降解、反应难控制和碱污染等问题,制得高分子量含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮,含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮数均相对分子质量介于1.5-10万。
2.本发明的目的是从分子结构设计出发,提供了一种分子链中含有DOPO侧基结构的新型含腈基和DOPO基结构聚芳醚酮高性能聚合物,综合性能优异,可以利用其腈基的活性可控交联和DOPO基的阻燃性能,以满足较高层次应用的需求。
3.本发明的将DOPO基引入聚芳醚酮侧基中合成含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮,具有强度高、高耐磨、高耐油、电绝缘性好,且具有低烟、无卤、阻燃等特性,非常适合电薄壁电缆挤出,能满足超薄壁绝缘电缆的加工工艺及产品技术要求,生产方便,具有良好的经济效益及推广价值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但需指出的是,以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,本领域的技术人员根据本发明的上述内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅲ)1.2562g(2mmol)、六氟双酚A 6.0521g(18mmol)、二氟二苯甲酮3.9276g(18mmol)、二氟苯腈0.2780g(2mmol)、甲苯80mL、DMAc100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应10小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=28510,PDI=2.34。
实施例2.
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅱ)1.8817g(5mmol)、六氟双酚A 5.0434g(15mmol)、二氟二苯甲酮3.2730g(15mmol)、二氯苯腈0.6951g(5mmol)、甲苯80mL、二甲亚砜100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应7小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=23140,PDI=2.81。
实施例3
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅰ)3.2414g(10mmol)、六氟双酚A3.3623g(10mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、二氟苯腈1.3902g(10mmol)、甲苯80mL、N-甲基吡咯烷酮100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应5小时,然后升温至170℃反应3小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=24721,PDI=2.64。
实施例4.
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅰ)1.6411g(5mmol)、六氟双酚A 3.3623g(10mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、二氟二苯腈0.6951g(5mmol)、甲苯80mL、二甲亚砜100mL,在1mL/秒的N2流下150℃反应1小时,然后升温至170℃反应10小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=25658,PDI=2.75。
实施例5
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅱ)1.5119g(4mmol)、联苯二酚2.9794g(16mmol)、二氟苯腈0.5561g(4mmol)、二氟二苯甲酮3.4912g(16mmol)、甲苯80mL、DMAc100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应5小时,然后升温至170℃反应3小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=25981,PDI=2.88。
实施例6.
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅱ)1.8817g(5mmol)、六氟双酚A 5.0434g(15mmol)、二氯二苯腈0.6951g(5mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、甲苯80mL、DMAc100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应10小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=25581,PDI=2.73。
实施例7
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅲ)6.2800g(10mmol)、间苯二酚1.1101g(10mmol)、二氟苯腈1.3902g(10mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、甲苯80mL、DMAc100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应20小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=25334,PDI=2.84.
实施例8
在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅲ)2.5128g(4mmol)、对苯二酚1.7616g(16mmol)、二氟二苯腈0.6561g(4mmol)、二氟二苯甲酮3.4912g(16mmol)、甲苯80mL、DMAc100mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应20小时,立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将过滤得到的沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。GPC分析,Mn=25334,PDI=2.87.
实施例9
a.在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅰ)3.2414g(10mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、K2CO3 2.0732g(15mmol)、甲苯40mL、DMAc 50mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应5小时,降温,反应液待用。
b.在三口烧瓶中依次加入联苯二酚1.8621g(10mmol)、二氟二苯腈1.6401g(10mmol)、甲苯40mL、DMAc 50mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应3小时,降温,反应液待用。
c.在三口烧瓶中依次加入联苯二酚14.8968g(80mmol)、二氟二苯甲酮17.4560g(80mmol)、甲苯320mL、DMAc 400mL,、K2CO3 13.2682g(96mmol)、在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应8小时,降温至80,加入反应液(a)和(b),搅拌均匀后升温至170℃继续反应5小时。立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。
(a)
(b)
(c)
实施例10
a.在三口烧瓶中依次加入含DOPO基双酚(Ⅱ)3.7634g(10mmol)、二氟二苯甲酮2.1820g(10mmol)、K2CO3 2.0732g(15mmol)、甲苯40mL、DMAc 50mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应5小时,降温,反应液待用。
b.在三口烧瓶中依次加入双酚芴3.5041g(10mmol)、二氟苯腈1.3910g(10mmol)、甲苯40mL、DMAc50mL,在1mL/秒的N2流下140℃反应4小时,然后升温至170℃反应3小时,降温,反应液待用。
c.在三口烧瓶中依次加入双酚芴21.0246g(60mmol)、二氟二苯甲酮13.0920g(60mmol)、甲苯240mL、DMAc 300mL,、K2CO3 9.9511g(72mmol)、在1mL/秒的N2流下140℃反应3小时,然后升温至170℃反应8小时,降温至80,加入反应液(a)和(b),搅拌均匀后升温至170℃继续反应5小时。立即将反应液在搅拌下倒入去离子水中沉淀,过滤。将沉淀物用去离子水浸泡,每隔3小时更换水一次,24小时后过滤,将沉淀物置于80℃真空烘箱中干燥10小时,得产物含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮。
(a)
(b)
(c)

Claims (10)

1.一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂,其特征在于所述树脂具有以下化学结构式:
x>0,y>0,z>0,x为:10~200,(y+z)为:200-x。
2.一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,其特征在于所述合成方法包括如下步骤:
将含DOPO基双酚单体、双酚、二氟二苯酮、二卤代苯腈与催化剂按摩尔比为x:(1~x):(1~y):y:(1.2~3)置于溶剂中,在N2流作用下先于130~150℃反应1~5h,再于150~170℃反应3~20h,合成线形全氟环丁基芳基醚结构聚芳醚酮。
3.根据权利要求2所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,其特征在于所述溶剂为所述溶剂为甲苯与N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜或N-甲基吡咯烷酮中的任意一种或两种及以上混合物。
4.根据权利要求2所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,其特征在于:所述步骤中的含DOPO基双酚单体为含DOPO的对苯二酚(Ⅰ)、含DOPO的萘二酚(Ⅱ)或双DOPO双苯酚甲烷(Ⅲ)。
5.根据权利要求2所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,其特征在于所述双酚为六氟双酚A、双酚A、邻甲基对苯二酚、对苯二酚、间苯二酚、联苯二酚或双酚芴中的任意一种或任意两种及以上混合物。
6.根据权利要求2所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的合成方法,其特征在于所述二卤代苯腈为2,6-二氯苯腈、2,6-二氟苯腈或2,6-二氯二苯腈。
7.根据权利要求2所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮的合成方法,其特征在于所述催化剂为无水碳酸钾或无水碳酸钠。
8.根据权利要求2所述的的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮的合成方法,其特征在于所述含DOPO基双酚单体与双酚单体之和等于二氟二苯酮与二氯苯腈之和。
9.一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的另一合成方法,其特征在于所述合成方法包括如下步骤:
a、将含DOPO基双酚、二氟二苯酮与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成含有DOPO基结构聚芳醚酮;b、将含二元酚、二氟二苯酮与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成聚芳醚酮;
c、将含二元酚、二卤苯腈与催化剂按摩尔比为1:1:(1.2~3)置于有机溶剂Ⅰ中,在N2气流作用下先于130~150℃反应1~3h,再于150~170℃反应1~5h,合成含有腈基聚芳醚酮;
d、将上述步骤a~c所得产物溶于有机溶剂Ⅱ中完全溶解后,于150~170℃反应2~10h,合成含有腈基和DOPO基的聚芳醚酮。
10.根据权利要求9所述的一种含有腈基和DOPO基结构聚芳醚酮树脂的另一合成方法,其特征在于所述有机溶剂Ⅰ为甲苯与N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮的任意一种或任意两种及以上的组合;有机溶剂Ⅱ为N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮的任意一种。
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