CN110563951B - 含有胺基的Cardo型双酚单体及制备方法、聚合物及合成方法、薄膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高分子材料领域,具体涉及一种含有胺基的Cardo型双酚单体及制备方法、聚合物及合成方法、薄膜及制备方法。本发明利用乙二胺和酚酞反应合成了含有胺基的Cardo型双酚单体,将其与酚酞(PPH)以不同比例和二氯二苯砜共聚,得到了不同胺基含量的Cardo型聚醚砜共聚物,相对于目前的PSF底膜来说,PES‑NH2底膜可能具有以下几个优点:1)由于PES‑NH2材料上含有游离的胺基,可以直接与酰氯进行交联得到活性层,而且胺基含量可以由二酚单体的比例来加以控制,活性层的交联度和厚度可以通过聚合物PES‑NH2中的胺基含量来控制,活性层和底膜以化学键结合在一起,不会出现活性层脱落的情况。

Description

含有胺基的Cardo型双酚单体及制备方法、聚合物及合成方 法、薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域,具体涉及一种含有胺基的Cardo型双酚单体及制备方法、聚合物及合成方法、薄膜及制备方法。
背景技术
近些年来,随着工业和生活需求的不断发展,液体膜分离技术被大规模地用于海水处理、苦咸水淡化、纯水及超纯水生产、食品工业、医药工业、生物工程、石油、化学工业、环保工程等领域,而实现液体膜分离的关键是各个分离等级的高性能分离膜,即超滤膜、纳滤和反渗透复合膜。除了制膜工艺外,超滤膜性能的优劣还取决于膜材料的性能,包括成膜性能、机械性能以及亲水性等。随着膜技术应用领域的日益扩大,对膜材料的性能也不断提出新的要求,因此,开发性能优良的超滤膜材料显得极其重要,主要集中在新膜材料的开发和旧膜材料的改性两个方面。自从60年代Michaels公司开发成功了第一张不对称超滤膜以来,相继出现了醋酸纤维素(CA)、聚砜、聚丙烯腈、聚醚砜以及聚偏氟乙烯等超滤膜材料。其中聚醚砜材料以其强刚性、高强度、抗蠕变、尺寸稳定、酸碱稳定、耐氯性好及抗氧化等特点成为制备超滤膜的首选材料之一,双酚A型聚砜(PSF)和聚醚砜(PES)是其典型代表。但是,PSF和PES超滤膜亲水性太差,水通量小,容易被有机物污染造成膜性能衰减。我国自主开发的酚酞型Cardo聚醚砜(PES-C),其化学式如图1所示,是一种性能优异的超滤膜材料,这种材料由于存在体积大、极性强的酚酞基团,使得材料的耐温等级和玻璃化转变温度都比PSF和PES高,并且亲水性也有了很大程度的提高。Nguyen等人(B lanco J F,N guyen Q T,Schaetzel P.NovelHydroph ilicM embraneM aterials:Sulfonated PolyethersulfoneCardo[J].J.M embr.Sci.,2001,186:267~279)用硫酸对PES-C进行磺化,得到了不同磺化度的亲水性膜材料并用来制备超滤膜。通过对磺化PES-C膜性能的测试,结果表明由于膜材料亲水性的增强,超滤膜表现出较高截留率和水通量,而且抗污染性也有了很大的提高。但是在聚合物的磺化过程中,也发生了许多副反应,包括聚合物的交联和降解;而且磺化度的控制仍然无法准确定量,这些都将影响超滤膜的机械性能。
专利CN201310172190.0公开了一种聚硅氧烷改性的聚醚砜超滤膜的制备方法。该方法包括以下步骤:通过氯磺酸对聚醚砜进行氯磺化,使聚醚砜高分子上带有活性磺氯基团,再将低表面能聚硅氧烷改性剂通过化学反应的方法接枝到具有反应活性基团的聚醚砜高分子上,然后以合成的聚硅氧烷改性的聚醚砜为膜材料,非溶剂引发相转化法制备非对称的抗污染、低通量衰减的超滤膜。
专利CN201910097642.0提供了一种聚醚砜微孔滤膜的亲水改性方法,其能解决现有对PES膜进行亲水改性的方法或会降低膜的性能,或工艺繁琐,或不适于工业化生产的问题。其包括以下步骤:步骤1、将混合均匀且经脱泡处理后的铸膜液涂覆在光滑洁净的玻璃平板上,铸膜液的组成按重量百分数计为:聚醚砜树脂14%~18%,N-甲基吡咯烷酮36%~45%,二甘醇或三乙二醇40%~50%;步骤2、将玻璃平板浸入凝固浴,凝固浴为超纯水与表面具有游离羟基的无机粒子水溶胶的混合溶液;步骤3、铸膜液中的N-甲基吡咯烷酮和二甘醇或三乙二醇从铸膜液体系中溶出,聚醚砜树脂成膜,将膜从凝固浴中取出后,经超纯水冲洗得到湿润的聚醚砜微孔滤膜。
专利CN201710650890.4一种适用于工业废水回用的改性纳滤膜及其制备方法和应用,本发明是通过将聚乙二醇单甲基甲醚酯(PEGMA)接枝到聚醚砜(PES)上得到亲水性PES-g-PEGMA,并将其与聚乙烯醇缩丁醛(PVB)共混,利用浸没沉淀相转化法制备PES-g-PEGMA/PVB共混纳滤膜。
现有技术对聚醚砜(PES)的改性工艺过程均无法很好地控制。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足,而提供一种含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物及合成方法、薄膜及制备方法。
本发明的第一方面,提供一种含有胺基的Cardo型双酚单体,其特征在于,其化学式如下:
Figure GDA0002223244620000031
本发明的第二方面,提供上述的含有胺基的Cardo型双酚单体的制备方法,该化合物为通过酚酞和乙二胺的缩合反应得到的。
本发明的第三方面,提供一种化学式如下所示的含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物:
Figure GDA0002223244620000032
本发明的第四方面,提供上述含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物的合成方法,该聚合物的合成路线如下:
Figure GDA0002223244620000033
进一步的,具体合成过程如下:在干燥的装有分水器的反应容器中加入反应物、无水碳酸钾、甲苯和N-甲基吡咯烷酮,在氮气保护下剧烈搅拌升温到145℃,甲苯带水6小时后,蒸馏除去大部分甲苯,并缓慢升温到175℃,继续反应至体系成为无色透明粘稠状液体,反应结束后,冷却至室温并用NMP稀释,过滤除去大部分无机盐和碳酸钾,将滤液缓慢倒入水中,得到白色聚合物。
本发明的第五方面,提供一种化学式如下所示的含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物:
Figure GDA0002223244620000041
本发明的第六方面,提供上述含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物的合成方法,该聚合物的合成路线如下:
Figure GDA0002223244620000042
进一步的,具体合成过程如下:在干燥的装有分水器的反应容器中加入反应物、无水碳酸钾、甲苯和N-甲基吡咯烷酮,在氮气保护下剧烈搅拌升温到145℃,甲苯带水6小时后,蒸馏除去大部分甲苯,并缓慢升温到175℃,继续反应至体系成为无色透明粘稠状液体,反应结束后,冷却至室温并用NMP稀释,过滤除去大部分无机盐和碳酸钾,将滤液缓慢倒入水中,得到白色聚合物。
本发明的第七方面,提供上述两种含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物所制成的薄膜。
本发明的第八方面,提供上述薄膜的制备方法,将含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物NMP溶液在耐热平板上刮涂成膜,烘干。
进一步的,烘干过程如下:80℃加热6小时,120℃加热24小时,220℃再处理24小时,自然冷却至室温放入热水中,揭下薄膜,用滤纸擦干,220℃下处理12小时。
本发明的有益效果如下:本发明利用乙二胺和酚酞反应合成了含有胺基的Cardo型双酚单体,将其与酚酞(PPH)以不同比例和二氯二苯砜在碳酸钾作用下进行共聚,得到了不同胺基含量的Cardo型聚醚砜共聚物(PES-NH2),相对于目前的PSF底膜来说,PES-NH2底膜可能具有以下几个优点:
1)由于PES-NH2材料上含有游离的胺基,因此可以在不引入多胺单体情况下,直接与酰氯进行交联得到活性层,而且胺基含量可以由二酚单体的比例来加以控制。
2)在以聚砜作为底膜的复合膜里,活性层和底膜间以简单的物理吸附作用连接在一起,在实际运用过程中容易发生活性层脱落引起二次污染。相反,若以PES-NH2作为底膜,那么酰氯直接与底膜上的胺基进行交联,使得活性层和底膜以化学键结合在一起,不会出现活性层脱落的情况。
3)以PES-NH2作为底膜,活性层的交联度和厚度可以通过聚合物PES-NH2中的胺基含量来控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为PES-C的化学式;
图2为含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物的化学式;
图3为单体PPH-NH2的红外谱图;
图4为单体PPH-NH2的核磁共振氢谱;
图5为聚合物PES-NH2-100和PES-NH2-20的红外谱图;
图6为聚合物PES-NH2-100的1H NMR谱图;
图7为PES-NH2-100和PES-NH2-20的DMTA曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1N-(2-胺基)乙基-3,3’-双(4-羟基苯基)苯并吡咯酮(PPH-NH2)的合成:
单体PPH-NH2按以下步骤合成:在一个装有机械搅拌、冷凝管和氮气进口的1000ml的圆底三口烧瓶中,依次加入50.9克(0.16mol)的酚酞(PPH)和200ml的乙二胺,溶液呈现出深紫色。120℃下剧烈搅拌反应24小时,颜色变为淡黄色。蒸馏除去大部分未反应的乙二胺后,冷却至室温,边搅拌边将溶液缓慢倒入1000ml盐酸酸化的冰水混合液中,产生白色沉淀。过滤得到白色固体,并用冰水多次洗涤。将白色固体溶于热水中,过滤,待滤液冷却后,在搅拌情况下,缓慢的用10%的KOH溶液中和至中性产生白色沉淀,过滤,冰水洗涤,粗产品用乙醇和水的混合溶剂重结晶,得到白色晶体,于80℃下真空干燥24h。产率:80%.1H NMR(DMSO-d6)δ(ppm):1.87~1.91(2H,m,CH2).FTIR(KBr):1639cm-1C=O).Elementalanalysis(%)for C22H20N2O3(molecular weight,360.2)calculated:C,73.32;H,5.59;N,7.77;Found:C,73.45;H,5.56;N,7.60.
图3和4分别是单体PPH-NH2的红外谱图和核磁共振氢谱。从红外光谱、核磁共振波谱以及元素分析数据可以判断,所得产物为PPH-NH2
实施例2:
在一个干燥的装有机械搅拌、分水器、冷凝管和氮气进口的100ml圆底三口烧瓶中,依次加入3.6041克(0.01mol)的PPH-NH2,,2.8717克(0.01mol)的二氯二苯砜,3.04克(0.022mol)的无水碳酸钾,10ml甲苯和12ml的N-甲基吡咯烷酮(NMP)。剧烈搅拌升温到145℃,甲苯带水6小时后,蒸馏除去大部分甲苯,并缓慢升温到175℃,继续反应8小时,体系成为无色透明粘稠状液体。整个反应过程都需要氮气保护,以免化合物中的胺基被氧化。反应结束后,冷却至室温并用适量的NMP稀释,过滤除去大部分无机盐和碳酸钾。将滤液缓慢倒入水中,得到白色聚合物。过滤,在索氏提取器中分别用水和乙醇对聚合物进行萃取24小时,然后120℃下真空干燥12小时。产率:93%.;1H NMR(DMSO-d6)δ(ppm):3.40-3.47(2H,m,NH2),7.09-7.12(8H,d,Ar),7.88-7.91(4H,d,Ar),7.35-7.51(4H,d,Ar),1.93-1.95(2H,m,CH2),3.40-3.45(2H,m,CH2).FTIR(KBr):1690cm-1C=O),1263cm-1Ar-O-Ar).
将固含量大约为6%wt的聚合物NMP溶液在玻璃板上刮涂成膜,在烘箱中80℃加热6小时,挥发掉大部分溶剂后,半干膜在真空烘箱中120℃加热24小时,然后220℃再处理24小时。自然冷却至室温。将玻璃板放入热水中,揭下薄膜,用滤纸擦干,放入真空烘箱中220℃下处理12小时。将干燥好的薄膜切成大约4厘米长,0.5厘米宽的长方形,放入干燥器中备用,得到PES-NH2-100薄膜。
实施例3:
聚合物PES-NH2-20是由PPH-NH2与PPH以摩尔比2:8混合的二酚和二氯二苯砜在175℃下共聚得到的,具体过程与实施例2的相同。产率:95%.;1H NMR(DMSO-d6)δ(ppm):3.40-3.47(2H,m,NH2),1.93-1.95(2H,m,CH2),3.40-3.45(2H,m,CH2).FTIR(KBr):1771cm-1C=O),1690cm-1C=O),1263cm-1Ar-O-Ar).
将固含量大约为6%wt的聚合物NMP溶液在玻璃板上刮涂成膜,在烘箱中80℃加热6小时,挥发掉大部分溶剂后,半干膜在真空烘箱中120℃加热24小时,然后220℃再处理24小时。自然冷却至室温。将玻璃板放入热水中,揭下薄膜,用滤纸擦干,放入真空烘箱中220℃下处理12小时。将干燥好的薄膜切成大约4厘米长,0.5厘米宽的长方形,放入干燥器中备用,得到PES-NH2-20薄膜。
图5是聚合物PES-NH2-100和PES-NH2-20的红外谱图。从图上可以看到,两种聚合物在1690cm-1都出现了酞酰亚胺中的羰基吸收峰,以及3250~3600cm-1间较宽的胺基吸收峰;在PES-NH2-20中,由于引入了酚酞单体,因此在1771cm-1处表现出酯基中的羰基吸收峰。
除了FTIR之外,聚合物PES-NH2-100的1H NMR谱图也用以进一步确认聚合物的结构。图6给出了部分聚合物的1H NMR谱,结构式中氢的化学位移和个数与谱图相互吻合。
表1是PES-NH2聚合物在各种溶剂中的溶解性能。从表中可以看出,聚合物表现出较好的溶解性能,室温下都能溶于NMP,DMAc,DMF,DMSO等非质子极性溶剂中。这种较好的溶解性除了与聚合物中含有大的酞侧基有关之外,还与聚合物的低分子量有关。另外,与PES-C不同,PES-NH2难溶于CHCl3中,这一点说明了胺基的存在增强了链间的作用,从而表现出相对较差的溶解性。
表1:聚合物PES-NH2的溶解性a
Figure GDA0002223244620000081
a Solubility:(++)soluble;(+)partially soluble,-:insolube
作为一种高分子膜材料,热性能是一个重要的指标,因此,我们对含有胺基的Cardo型聚醚砜的玻璃化转变温度(Tg)进行了研究,由如图7的DMTA曲线可知聚合物PES-NH2-100和PES-NH2-20的Tg分别为312.4℃和276.7℃。由于聚合物链间存在较强的氢键作用,阻碍了分子链的运动和扭曲,因此所有聚合物都表现出较高的Tg;而且,胺基含量越高,链间作用力越强,相应的Tg也越高,因此聚合物PES-NH2-100的Tg达到312℃,比PES-NH2-20的Tg高了36℃。
表2为聚合物制备成膜后的机械性能,从表2可以看出,分子链间具有更强氢键作用的PES-NH2-100表现出更大的拉伸强度和模量,分别为87.9MPa和2.7GPa;而其断裂伸长率小于PES-NH2-20,仅为4.3%。这一结果说明由于胺基的存在增大了分子间作用,聚合物膜表现出较好的强度和模量,但韧性欠缺;而且胺基含量越高,这种作用越明显。
表2:PES-NH2系列聚合物膜的机械性能
Figure GDA0002223244620000082
Figure GDA0002223244620000091
由于膜的水通量与膜材料的亲水性有着直接的关系,通常情况下,接触角越小,表明亲水性越强,反之亦然。测试含胺基均质膜的接触角以及对含铵根离子致密膜的接触角进行了表征。在测试之前,先将膜在0.1%的盐酸溶液中浸泡24小时,用蒸馏水清洗后,120℃下真空干燥24小时,待测。接触角结果是5个同类样品的平均值,从表中可以看到,PES-NH2-100和PES-NH2-20的接触角分别为76.4°和83.5°。由于胺基是亲水基团,聚合物中胺基越多,则膜表面的亲水性越强,接触角就越小。同理,随着膜表面的胺基被质子化成铵根离子,膜的亲水性也增强了,其接触角值分别减小为72.7°和82.2°。其主要的原因是铵根离子的亲水性比游离的胺基更强。另外,聚合物中胺基的含量越高,这种由于胺基质子化而引起的亲水性增强效应就越明显。所以,PES-NH2-100经质子化后,接触角减小了5.7°,而PES-NH2-20则只减小了1.2°。
综上所述,由于胺基的引入,PES-NH2系列聚合物表现出独特的溶解性、机械性能和热性能以及亲水性等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1. 含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物所制成的薄膜的制备方法,其特征在于包括以下过程:在一个干燥的装有机械搅拌、分水器、冷凝管和氮气进口的100 ml圆底三口烧瓶中,依次加入3.6041克的N-(2-胺基)乙基-3,3’-双(4-羟基苯基)苯并吡咯酮, 2.8717克的二氯二苯砜,3.04克的无水碳酸钾,10 ml 甲苯和12 ml 的N-甲基吡咯烷酮;剧烈搅拌升温到145℃,甲苯带水6小时后,蒸馏除去大部分甲苯,并缓慢升温到175℃,继续反应8小时,体系成为无色透明粘稠状液体;整个反应过程都需要氮气保护,以免化合物中的胺基被氧化;反应结束后,冷却至室温并用适量的NMP稀释,过滤除去大部分无机盐;将滤液缓慢倒入水中,得到白色聚合物;过滤,在索氏提取器中分别用水和乙醇对聚合物进行萃取24小时,然后120℃下真空干燥12小时;
将固含量为6% wt的聚合物NMP溶液在玻璃板上刮涂成膜,在烘箱中80℃加热6 小时,挥发掉大部分溶剂后,半干膜在真空烘箱中120℃加热24 小时,然后220℃再处理24小时;自然冷却至室温;将玻璃板放入热水中,揭下薄膜,用滤纸擦干,放入真空烘箱中220℃下处理12小时,得到含有胺基的Cardo型聚醚砜聚合物所制成的薄膜。
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