CN111499865A - 一种含磷聚酰亚胺的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种含磷聚酰亚胺的合成方法，由二醛酮或多醛酮、二胺封端的聚酰胺酸主链和亚磷酸酯通过Kabachnik‑Fields反应缩合生成α‑氨基膦酸酯，并使聚酰胺酸主链之间串/交联形成更高分子量的聚酰胺酸，亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。具体步骤如下：1)将二胺单体溶解在溶剂中，分批加入二酐单体，使得到氨基封端的聚酰胺酸主链；2)再加入二醛酮或多醛酮和亚磷酸酯类化合物，缩合得到含有α‑氨基膦酸酯和串/交联结构的高分子量聚酰胺酸溶液，亚胺化得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。本发明方法是一种绿色、简单、高效、新颖的制备含磷聚酰亚胺的方法和途径，该含磷聚酰亚胺具有优良的阻燃性，应用前景广阔。

Description

一种含磷聚酰亚胺的合成方法
技术领域
本发明涉及一种含磷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
聚酰亚胺材料具有优异的热稳定性、化学稳定性和机械性能，耐辐射和良好介电性能等优点，广泛的应用于微电子、航空、机械、军事工业和民用材料等领域。往聚酰亚胺材料中引入磷元素主要是为了提高材料的阻燃性，含磷聚酰亚胺在防护服以及航空航天等特殊环境具有良好的应用价值。
一般的含磷聚酰亚胺的制备是由含有磷元素的二酐或二胺进行缩聚获得，例如：中国专利文件CN102827370A公开了一种含磷聚酰亚胺材料及其制备方法，它是将一种含磷二酐单体(BPAODOPE)与二胺单体溶解在溶剂中，反应2-8h后，升温到160-200℃反应3-10h；后将溶液倒入溶剂中析出，得到粉末状的含磷聚酰亚胺。该合成方法比较传统且阻燃性好，但是该含磷二酐单体(BPAODOPE)却不是市面上现有的，这需要购买原料来对含磷二酐单体进行合成与提纯。所以这会使得生产成本昂贵、生产工艺繁琐等不足。
其他的含磷聚酰亚胺的合成方法，例如：中国专利文件CN105111489A公开了在聚酰亚胺表面引入含磷基团的方法，其将制备的聚酰亚胺薄膜浸泡在NaOH溶液中，使薄膜表面水解；再将聚酰亚胺薄膜取出洗净，置于磷酸溶液中，从而使聚酰亚胺表面引入无机含磷基团。该方法简单，成本低且有助于提升聚酰亚胺的热稳定性。然而，将聚酰亚胺薄膜浸泡在NaOH溶液中会使其部分结构被破坏，从而造成材料部分性能的下降。
中国专利文件CN102108113A公开了一种长链含磷酸侧链的聚酰亚胺及其制备方法和用途，该发明以单体为原料，通过聚合反应成聚酰亚胺类聚合物，然后对聚合物进行溴化得到大分子引发剂，通过自由基转移聚合得到长侧链的聚酰亚胺类聚合物，加入磷化试剂并对聚合物水解后制得长侧链的磷酸化聚酰亚胺。此方法可以通过调节磷酸基团的数量以及磷酸侧链的长度对材料成膜后的电池隔膜性能进行调控的优点，然而该方法具有工艺复杂，且需要多次提纯分离等不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种绿色、简单、高效、新颖的制备含磷聚酰亚胺的方法。
为了实现以上发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种含磷聚酰亚胺的合成方法，由二醛酮或多醛酮类化合物、二胺封端的聚酰胺酸主链、亚磷酸酯类化合物在催化剂或无需催化剂的作用下，通过Kabachnik-Fields反应缩合生成α-氨基膦酸酯，并使聚酰胺酸主链之间串/交联形成更高分子量的聚酰胺酸，亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺，具体步骤如下：
(1)设计一个已知分子量的以氨基封端的聚酰胺酸，并计算出其游离的氨基量；
(2)在氮气下，将干燥的二胺单体溶解在溶剂中，分批加入二酐单体，得到氨基封端的聚酰胺酸溶液；
(3)再加入二醛酮或多醛酮和亚磷酸酯类化合物，在催化剂或无需催化剂的作用下缩合得到含有α-氨基膦酸酯和串/交联结构的高分子量聚酰胺酸溶液；
(4)将步骤(3)的聚酰胺酸溶液通过热亚胺或化学亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。
本发明所述的含磷聚酰亚胺的合成方法的其中一种合成反应式如下：
Figure BDA0002511165290000021
式中：m>n；n1,n2,n3,n4为正整数；
Figure BDA0002511165290000022
等；
Figure BDA0002511165290000023
Figure BDA0002511165290000024
等；R3,R4,R5为被取代或未被取代的脂肪族或芳香族基团；
M1为结构
Figure BDA0002511165290000025
且有自然数个M1在R3上；
M2为结构
Figure BDA0002511165290000026
且有自然数个M2在R3上。
本发明所述的步骤(2)中溶剂为甲基四氢呋喃、六甲基磷酰胺、N-甲基己内酰胺、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、N,N-二甲基亚丙基脲、四甲基脲、丙酮、甲苯、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃中的一种或多种混合溶剂。
本发明所述的步骤(2)中二胺为芳香族二胺和脂肪族二胺中的一种或多种，包括但不限于4,4’-二氨基二苯基醚、2,2’-二甲基-4,4’-二氨基联苯、3,3’-二甲基-4,4’-二氨基联苯、3,4’-二氨基二苯基醚、4,6-二甲基间苯二胺、2,5-二甲基对苯二胺、2,4-二氨基-1,3,5-三甲苯、4,4’-亚甲基二邻甲苯胺、4,4’-亚甲基-2,6-二甲苯胺、4,4’-亚甲基-2,6-二乙基苯胺、2,4-甲苯二胺、间苯二胺、对苯二胺、对苯二甲胺、联苯二胺、4,4’-二氨基二苯基丙烷、3,3’-二氨基二苯基丙烷、4,4’-二氨基二苯基乙烷、3,3’-二氨基二苯基乙烷、4,4’-二氨基二苯基甲烷、3,3’-二氨基二苯基甲烷、4,4’-二氨基二苯基硫醚、3,3’-二氨基二苯基硫醚、4,4’-二氨基二苯基砜、3,3’-二氨基二苯基砜、3,3’-二氨基二苯基醚、氨基二苯硫醚、4,4’-二氨基二苯砜、3,3’-二氨基二苯砜、4,4’-二氨基二苯甲酮、3,3’-二氨基二苯甲酮、1,3-双(3-氨基苯氧基)苯、1,2-双(4-氨基苯氧基)苯、双(4-氨基苯氧基)二苯醚、4,4’-双(3-氨基苯氧基)二苯醚、4,4’-双(4-氨基苯氧基)二苯甲烷、4,4’-双(3-氨基苯氧基)二苯甲烷、4,4’-双(4-氨基苯氧基)二苯硫醚、4,4’-双(4-氨基苯氧基)二苯砜中的一种或多种。
本发明所述的步骤(2)中二酐为芳香族二酐和脂肪族二酐中的一种或多种，包括但不限于均苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-二苯醚四甲酸二酐、2,2’,3,3’-二苯甲酮四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐、2,3,3’,4’-联苯四甲酸二酐、2,2’,3,3’-联苯四甲酸二酐、3,3’,4,4’-二苯基砜四羧酸二酸酐、3,3’,4,4’-二苯硫醚四酸二酐、2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐、六氟二酐、双(3,4-二羧基苯基)砜二酐、双(3,4-二羧基苯基)醚二酐、3,3’,4,4’-二苯醚二酐、1,7-二溴苝四甲酸二酐、2,2’-二萘基-联苯四酸二酐、3,6-二溴均苯四甲酸二酐、4,4’-对苯二氧双邻苯二甲酸酐、4,4’-氧双邻苯二甲酸酐、萘-2,3,6,7-四羧酸二酐、萘-1,2,5,6-四羧酸二酐、萘-1,2,6,7-四羧酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四羧酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、2,2’,3,3’-苯甲酮四羧酸二酐、2,3,3’,4’-二苯甲酮四羧酸二酐、萘-1,2,4,5-四羧酸二酐、萘-1,4,5,8-四羧酸二酐、2,2’,3,3’-联苯四羧酸二酐、2,3,3’,4-联苯四羧酸二酐、3,3’,4,4’-对三联苯四羧酸二酐中的一种或多种。
本发明所述的二醛酮或多醛酮类化合物为乙二醛、戊二醛、4-硝基庚二醛、2-甲基辛二醛、己二醛、甲基乙二醛、二呋喃基乙二醛、4-硝基庚烷二醛、順丁烯二醛、2,5-二醛基吡嗪、4-氟-2,5-二醛基苯酚、4,4’-二羟基-3,3’-乙二醛联苯、2-羟基己二醛、壬二醛、肌苷二醛、5-溴异苯二醛、硝基丙二酸二乙酯、2-(2-吡啶基)丙二醛、1,4-二醛基-2-甲基苯、4,4’-氧基二苯甲醛、邻苯二甲醛、联苯二甲醛、对苯二甲醛、5-二羟基-1,4-苯二甲醛、2-溴-1,3-二甲醛基苯、2,5-二丙基-1,4-对苯二甲醛、间苯二甲醛、1H-吡咯-3,4-二甲醛、3,4-二溴噻吩-2,5-二甲醛、噻吩-3,4-二甲醛、2-氯间苯二甲醛、2,3-二羟基对苯二甲醛、2,5-二丁基-1,4-对苯二甲醛、2,5-二羟基对苯二甲醛、2,5-二溴苯-1,4-二甲醛、3,3’-联吡啶-6,6’-二甲醛、吡啶-2,6-二甲醛、2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛、2-羟基间苯二甲醛、2,5-二氯对苯二甲醛、3,4’,5-三醛基-1,1-联苯、三醛基间苯三酚、2-羟基-1,3,5-苯三甲醛、均苯三甲醛、2,4,6-三氯-1,3,5-苯三甲醛、2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三甲醛、三甲酰基甲烷、三联苯四醛、2,3,4,5-四醛基噻吩、1,2,4,5-苯四醛、四醛基苯基硅烷、3,3’,5,5’-四醛基联苯中的一种或多种。
本发明所述的亚磷酸酯类化合物为亚磷酸二甲酯、亚磷酸二乙酯、亚磷酸二异丙酯、亚磷酸丁酯、亚磷酸二苯酯中的一种或多种。
本发明所述的催化剂为Lewis和
Figure BDA0002511165290000041
酸中的一种或多种，包括但不限于LiClO4、InCl3、SnI2、MgClO4、Al2O3、F3CCH2OH、BF3·Et2O、AlCl3、SnCl4、I2中的一种或多种。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明将Kabachnik-Fields反应运用到聚酰亚胺的合成过程中，由二醛酮或多醛酮类化合物、二胺封端的聚酰胺酸主链、亚磷酸酯类化合物通过Kabachnik-Fields反应缩合生成α-氨基膦酸酯，并使聚酰胺酸主链之间形成串/交联结构，亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。本发明合成过程中副产物只有水，合成的含磷聚酰亚胺具有优异的阻燃性，该合成方法相比现有聚酰亚胺合成技术而言具有绿色、简单、高效、新颖的优点，并且丰富了含磷聚酰亚胺的合成方法与结构，扩展了聚酰亚胺的性能及其应用领域。
图1是本发明实例1中的亚磷酸二甲酯的核磁共振氢谱图。
图2是本发明实例1制备的氨基封端的聚酰胺酸的核磁共振氢谱图。
图3是本发明实例1制备的含磷聚酰胺酸的核磁共振氢谱图。
图4是本发明实例1制备的含磷聚酰亚胺的红外吸收光谱图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步的说明，以下实施例只是作为对本发明的说明，不用于限制本发明的范围。
实施例1
设计一个5000分子量的聚酰胺酸，则两单体的当量比二胺/二酐＝1.1826，过量的氨基摩尔数为二酐摩尔数的0.1826倍。在机械搅拌和氮气保护下的三口圆底烧瓶中加入20.3mL的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，再加入2.1713g(10.843mmol)的4,4’-二氨基二苯基醚，搅拌溶解后分三批加入2.0g(9.169mmol)的均苯四甲酸二酐，冰浴下搅拌4个小时，得到氨基封端的聚酰胺酸溶液。再加入过量的氨基摩尔数的1.5倍的对苯二甲醛0.1830g(1.374mmol)，搅拌2个小时，接着加入对苯二甲醛2倍单量的亚磷酸二甲酯0.2520mL(2.748mmol)，搅拌24个小时，得到含磷聚酰胺酸溶液。将含磷聚酰胺酸溶液均匀的涂在玻璃基板上，放入真空干燥箱中75℃/3h、150℃/h、200℃/h、250℃/h、300℃/h热亚胺化得到含磷聚酰亚胺。
亚磷酸二甲酯的核磁共振氢谱谱图、氨基封端的聚酰胺酸的核磁共振氢谱谱图和含磷聚酰胺酸的核磁共振氢谱图，如图1、图2与图3所示。图1中的峰(a,b)各有两个峰，是由于亚磷酸二甲酯存在异构体导致，而这些峰并未出现在图3的同一位置中，说明原料亚磷酸二甲酯被后处理干净了。图2与图3相对比，图2中7.58ppm(c)的峰的消失，图三中8.1ppm(g)左右的多重峰的出现，7.39ppm(d)、3.63-3.66ppm(e)和1.88-2.16(f)的新的峰产生，这些都有力的说明了含磷聚酰胺酸的顺利合成。测得氨基封端的聚酰胺酸溶液的特性粘数为0.49dL/g，含磷聚酰胺酸溶液的特性粘数为0.70dL/g。热亚胺化得到的聚酰亚胺的红外光谱图如图4所示，1774.22cm-1处为亚胺环上羰基(C＝O)反对称伸缩振动峰，1712.50cm-1处为亚胺环上羰基(C＝O)的对称伸缩振动峰，1369.23cm-1处为亚胺环上(C-N)的伸缩振动峰，721.26cm-1处为亚胺环羰基(C＝O)的弯曲振动峰，这些峰证明了聚合产物在分子结构上具有聚酰亚胺的特征，说明已成功的制备了含磷聚酰亚胺。
实施例2
设计一个15000分子量的聚酰胺酸，则两单体的当量比二胺/二酐＝1.0574，过量的氨基摩尔数为二酐摩尔数的0.0574倍。在装有机械搅拌机和氮气保护下的三口圆底烧瓶中加入18.93mL的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，再加入1.9414g(9.696mmol)的4,4’-二氨基二苯基醚，搅拌溶解后分三批加入2.0g(9.169mmol)的均苯四甲酸二酐，冰浴下搅拌5个小时，得到氨基封端的聚酰胺酸溶液。再加入过量的氨基摩尔数的1.2倍的对苯二甲醛0.0847g(0.6315mmol)，搅拌2个小时。接着再加入对苯二甲醛5倍单量的亚磷酸二甲酯0.2895mL(3.1575mmol)，搅拌24个小时，得到含磷聚酰胺酸溶液。将含磷聚酰胺酸溶液均匀的涂在玻璃基板上，放入真空干燥箱中75℃/3h、150℃/h、200℃/h、250℃/h、300℃/h热亚胺化得到含磷聚酰亚胺。
氨基封端的聚酰胺酸的核磁共振氢谱谱图和含磷聚酰胺酸的核磁共振氢谱谱图与实施例1中的图2和图3相似，可以说明含磷聚酰胺酸的顺利合成。测得氨基封端的聚酰胺酸溶液的特性粘数为0.56dL/g，含磷聚酰胺酸溶液的特性粘数为0.74dL/g。其热亚胺化得到的聚酰亚胺的红外吸收光谱图与实施例1中的图4相似，说明已成功亚胺化为含磷聚酰亚胺。

Claims (9)

1.一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，由二醛酮或多醛酮类化合物、二胺封端的聚酰胺酸主链、亚磷酸酯类化合物在催化剂或无需催化剂的作用下，通过Kabachnik-Fields反应缩合生成α-氨基膦酸酯，并使聚酰胺酸主链之间串/交联形成更高分子量的聚酰胺酸，亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。
2.根据权利要求1所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)设计一个已知分子量的以氨基封端的聚酰胺酸，并计算出其游离的氨基量；
(2)在氮气下，将干燥的二胺单体溶解在溶剂中，分批加入二酐单体，得到氨基封端的聚酰胺酸溶液；
(3)往聚酰胺酸溶液中加入二醛酮或多醛酮和亚磷酸酯类化合物，在催化剂或无需催化剂的作用下缩合得到含有α-氨基膦酸酯和串/交联结构的高分子量聚酰胺酸溶液；
(4)将步骤(3)的聚酰胺酸溶液通过热亚胺或化学亚胺化后得到串/交联结构的含磷聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，其中一种合成反应式如下：
Figure FDA0002511165280000011
式中：m>n；n1,n2,n3,n4为正整数；
Figure FDA0002511165280000012
等；
Figure FDA0002511165280000013
Figure FDA0002511165280000014
等；R3,R4,R5为被取代或未被取代的脂肪族或芳香族基团；
M1为结构
Figure FDA0002511165280000015
且有自然数个M1在R3上；
M2为结构
Figure FDA0002511165280000021
且有自然数个M2在R3上。
4.根据权利要求2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的步骤(2)中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、丙酮、甲苯、甲醇中的一种或多种混合溶剂，但不仅仅只局限于所列的溶剂。
5.根据权利要求2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的步骤(2)中二胺为芳香族二胺和脂肪族二胺中的一种或多种，优选为对苯二甲胺、联苯二胺、4,4’-二氨基二苯基硫醚、3,3’-二氨基二苯基硫醚、4,4’-二氨基二苯基砜、3,3’-二氨基二苯基砜、3,3’-二氨基二苯基醚、4,4’-二氨基二苯基醚、间苯二胺、对苯二胺中的一种或多种，但不仅仅只局限于所列的二胺。
6.根据权利要求2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的步骤(2)中二酐为芳香族二酐和脂肪族二酐中的一种或多种，优选为均苯四甲酸二酐、2,3,3’,4’-二苯醚四甲酸二酐、2,2’,3,3’-二苯醚四甲酸二酐、3,3’,4,4’-二苯甲酮四甲酸二酐、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐、2,3,3’,4’-联苯四甲酸二酐、2,2’,3,3’-联苯四甲酸二酐中的一种或多种，但不仅仅只局限于所列的二酐。
7.根据权利要求1或2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的二醛酮或多醛酮类化合物为对苯二甲醛、2-甲基辛二醛、邻苯二甲醛、联苯二甲醛、1,4-二醛基-2-甲基苯、4,4’-氧基二苯甲醛、乙二醛、戊二醛、4-硝基庚二醛、间苯二甲醛、噻吩-3,4-二甲醛、2-氯间苯二甲醛、2,4,6-三氯-1,3,5-苯三甲醛、2,4,6-三甲基苯-1,3,5-三甲醛、3,3’,5,5’-四醛基联苯、四醛基苯基硅烷中的一种或多种，但不仅仅只局限于所列的二醛酮或多醛酮类化合物。
8.根据权利要求1或2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的亚磷酸酯类化合物为亚磷酸二甲酯、亚磷酸二乙酯、亚磷酸二异丙酯、亚磷酸丁酯、亚磷酸二苯酯中的一种或多种，但不仅仅只局限于所列的亚磷酸酯类化合物。
9.根据权利要求1或2所述的一种含磷聚酰亚胺的合成方法，其特征在于，所述的催化剂为Lewis和
Figure FDA0002511165280000022
酸中的一种或多种，优选为LiClO4、InCl3、SnI2、MgClO4、Al2O3、F3CCH2OH、BF3·Et2O、AlCl3、SnCl4、I2中的一种或多种，但不仅仅只局限于所列的Lewis和
Figure FDA0002511165280000023
酸。
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