CN113637164B - 一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,主要内容包括以镍盐催化剂,以锌为还原剂,在非质子溶剂体系,采用双氯代酞酰亚胺及二甲氨基‑丙基‑氯代酞酰亚胺为原料,通过催化偶联制备双氨基联苯型聚酰亚胺中间体,然后所得中间体与丙磺酸内脂或丙内酯反应,获得两亲性聚酰亚胺添加剂,用于高性能防污膜的制备,本发明以低成本的双氯酞酰亚胺为原料,经催化偶联制备双氨基聚酰亚胺功能材料,避免了使用昂贵的联苯二酐单体和二胺法工艺,可降低成本30%以上,因此具有明显的产业化优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,属于高分子合成化学范畴。
背景技术
聚砜(PSF)和聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜制备一般是在需要不良溶剂如水中通过相转化法完成,然而,为了增加水通量,在二者的铸膜液中需要添加大量的如聚乙二醇(PEG)或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)等亲水成份作为致孔剂,然而上述致孔剂在铸膜过程中基本流失,无法回收,同时残留微量致孔剂的増塑作用,导致超滤膜的孔径对温度敏感,极不稳定,影响过滤精度,因此研究人员开发了许多两亲性膜添加剂,通过在PEG和PVP组分中引入疏水链段,提高其与膜基材的作用,以期其留在膜里,起到防污的作用。然而,PEG,PVP极易被氧化降解,为了避免引入上述添加剂组份导致膜的孔径不稳定及防污组份降解的难题,本发明开发了一种具有联苯型结构的两亲性添加剂,其具有超过PSF和PVDF的耐热和机械稳定性,两端的两性离子对结构还具有很好的抗氧化降解性能,具有明显的性能优势,联苯型两亲性添加剂可以采用联苯二酐、二胺和封端剂的合成路线,然而,联苯二酐典型的制备采用路线1)氯代苯酐为原料,经过酯化,偶联,水解,酸化、脱水成酐五步反应制备,或采用路线2)Pd作催化偶联氯代邻苯二甲酸的路线制备,钯催化剂价格及其昂贵,回收费用高,产率低,副产物多,本发明采用双氯酞酰亚胺偶联聚合的路线制备两亲性添加剂,直接避开了路线1)中酯化,水解、成酐的步骤;也不必要采用Pd昂贵的催化剂,其成本较上述两种传统制备联苯型聚酰亚胺地30%以上。
发明内容
为了解决现有超滤膜添加剂易流失,影响膜机械性能的难题,本发明设计并提供了一种两亲性联苯型聚酰亚胺的制备新方案,所获得的两亲性添加剂具有刚性的主链结构,其玻璃化温度及机械性能均达到或超过聚砜膜材料的对应性能,提升了添加剂与膜基材的匹配度,新型添加剂末端的超亲水特性及耐氧化特点,提升了膜添加剂的稳定性。而通过调控主链的分子量,可以是该类型添加剂能够永久滞留在膜表面和膜孔内壁,起到防污的特性,从而使改性的膜具有亲水防污,耐高温,膜孔稳定,水通量增加100%以上的特点,本发明制备的添加剂在铸膜液中添加量在0.3~2%之间,即可获得上述膜性能的提升,制备方法简单,难流失,性价比极高,因此十分适合工业化应用。
为了实现上述发明任务,本发明采用如下技术方案:
一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,其特征在于,制备过程如下式:
其中原料a中的氯原子取代位置为酰亚胺苯环的3位或4位,-Ar-为下式1~5中的一种,*为连接点位:
其中原料b为下式6或7:
催化剂为镍盐;
还原剂为金属锌;
添加剂为下式8或9中的一种:
其中R1、R2可以是H,或1~4个碳的烷基,R3~R5是6~8个碳的芳基;
中间产物c重复单元n为2~20的整数;
并且其具体制备过程如下:在氮气保护下,将双氯代酞酰亚胺a、N,N-二甲基-丙基氯代酞酰亚胺b、镍盐催化剂、非质子性溶剂、添加剂及还原剂,在50~100℃,进行偶联聚合反应2-8小时,过滤除去不溶物,减压回收溶剂,所得浅黄色固体粗产物c用乙醇索氏提取1小时,100℃干燥6小时,得产物双氨基联苯聚酰亚胺c,
所得产物c溶于无水氯仿或四氢呋喃,加入与N,N-二甲基-丙基氯代酞酰亚胺b投料等摩尔数的丙磺酸内酯或丙内酯,回流反应2~10小时后,回收溶剂氯仿或四氢呋喃,所得固体物质用去离子水洗3次,100℃烘干10小时,得两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂d或e。
进一步地,所述的镍盐是氯化镍或溴化镍,镍盐与反应物双氯代酞酰亚胺原料的摩尔比为2~4:100;还原剂金属锌与双氯代酞酰亚胺原料反应原料的摩尔比为1.2~2:1;镍盐与添加剂的摩尔比为1:1~7。
进一步地,催化偶联聚合所用的溶剂包括N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基乙酰胺(DMF)中的一种,溶剂使用量为反应单体质量的3~4倍;所述的双氨基联苯聚酰亚胺c与丙磺酸内酯或丙内酯反应的浓度控制在5~10%。
进一步地,所述两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂d和e的分子式分别如下式10和11:
本发明提供了一种催化偶联制备联苯型聚酰亚胺添加剂的新方法,与传统联苯二酐与二胺缩合制备联苯型聚酰亚胺相比,有以下优势:
1)传统合成联苯聚酰亚胺材料所需的联苯二酐目前也是与氯代苯酐为原料制备,需要多步合成或采用昂贵的Pd为催化剂,其成本高;而本发明以氯代苯酐为起始原料计算,不需要经过二酐单体制备过程,采用还原偶联含氯单体制备联苯聚酰亚胺亚胺添加剂中间体,减少了制备步骤,降低成本;
2)本发明制备过程中的原料、中间体及最终添加剂,产率高均在95%以上,与目前工业化Pd催化制备联苯二酐60%的产率相比,成本优势十分明显。
具体实施例
下面结合实施例对本发明做具体说明,但本发明不仅限于实施例范围。
实施例1
取200mL的三口瓶,将4,4’-双(4-氯代酞酰亚胺)-二苯醚(5.29g,0.01moL)、N-(3-N,N-二甲氨-丙基)-4-氯代邻苯酞酰亚胺(0.523g,0.002moL)、锌粉(1.3g,0.02moL)、无水NiCl2(25.5mg,0.2mmoL)及三苯基膦(0.35g,1.4mmoL),在氮气气氛混合,加入25mL无水DMAc,50℃搅拌反应8小时,过滤不溶物,所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂DMAc 22mL,所得浅黄色固体粗产物c用乙醇索氏提取1小时,100℃干燥6小时后,得4.91g产物c1,收率97%;c1溶于50g氯仿中,加入丙磺酸内酯(0.244g,0.002moL)回流反应2小时,回收溶剂氯仿,所得固体物质用去离子水洗3次,100℃烘干10小时,得两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂d1(4.98g,96.5%)。
实施例2
取200mL的三口瓶,将4,4’-双(3-氯代酞酰亚胺)-3,3’,5,5’-四甲基-二苯甲烷(5.81g,0.01moL)、N-(3-N,N-二甲氨-丙基)-4-氯代邻苯酞酰亚胺(0.523g,0.002moL)、锌粉(1.1g,0.017moL)、无水NiCl2(25.5mg,0.2mmoL)及2,2-联吡啶’(0.184g,1mmoL),在氮气气氛混合,加入28mL无水NMP,100℃搅拌反应4小时,过滤不溶物,所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂DMF 23mL,所得浅黄色固体粗产物c用乙醇索氏提取1小时,100℃干燥6小时后,得5.30g产物c2(收率95.3%),溶于90g四氢呋喃中,加入丙磺酸内酯(0.244g,0.002moL)回流反应10小时,回收溶剂四氢呋喃,所得固体物质用去离子水洗3次,100℃烘干10小时,得两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂d2(5.34g,收率96.3%)。
实施例3
取200mL的三口瓶,将4,4’-双(3-氯代酞酰亚胺)-3,3’-二甲基-二苯甲烷(5.55g,0.01moL)、N-(3-N,N-二甲氨-丙基)-4-氯代邻苯酞酰亚胺(0.261g,0.001moL)、锌粉(1.3g,0.02moL)、无水NiCl2(25.5mg,0.2mmoL)及三苯基膦(0.25g,1mmoL),在氮气气氛混合,加入28mL无水DMF,100℃搅拌反应4小时,过滤不溶物,所得滤液在圆底烧瓶中减压回收溶剂DMF24mL,所得浅黄色固体粗产物c用乙醇索氏提取1小时,100℃干燥6小时后,得4.90g产物c3(收率96.2%),溶于80g四氢呋喃中,加入丙内酯(0.072g,0.001moL)回流反应10小时,回收溶剂四氢呋喃,所得固体物质用去离子水洗3次,100℃烘干10小时,得两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂e(4.83g,收率97%)。
实施例4
聚砜膜的制备,其投料如下表1:
表1聚砜膜投料比
以M2为例阐述制膜工艺:16.8g无水DMAc,0.2g两亲性联苯聚酰亚胺添加剂d1及3.0克,60℃加热搅拌3小时后,铸膜液静止脱泡24小时。控制膜厚度150微米,铸膜液在25cmX 25cm小型平板刮膜机上进行刮膜,在5秒内转移至25℃的凝固浴,1小时后,将膜取出,用去离子水浸泡24小时。将膜在沸腾的水中煮3个小时后,进行接触角测试,结果如表2所示。按照传统方法制备的PSF原始膜M1的水接触角为85°,其接触角与未加致孔剂PEG膜的接触角没有明显区别,说明致孔剂PEG在制膜过程中基本流失。而铸膜液加入1%添加剂的改性膜M2~M4接触角膜均在63°以下,降低了20°以上,改性膜的亲水性明显增加,同时改性膜M2~M4较传统膜M1的水通量增加50%以上,这说明该系列添加剂还具有致孔的作用。
表2,膜的水通量和接触角测试结果
上述结果说明,采用本发明的添加剂铸膜具有更高的水通量,且添加剂在水煮之后,仍能获得更低的亲水性,证明本发明制备的添加剂可以保留膜内,
难以流失,具有亲水防污的特点。
以上对本发明提供的一种新型两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,应指出的是,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也属于本发明全力保护的范围。
Claims (4)
1.一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,其特征在于,制备过程如下式:
其中原料a中的氯原子取代位置为酰亚胺苯环的3位或4位,-Ar-为下式1~5中的一种,*为连接点位:
其中原料b为下式6或7:
催化剂为镍盐;
还原剂为金属锌;
添加剂为下式8或9中的一种:
其中R1、R2是H,或1~4个碳的烷基,R3~R5是6~8个碳的芳基;
中间产物c重复单元n为2~20的整数;
并且其具体制备过程如下:在氮气保护下,将双氯代酞酰亚胺a、N,N-二甲基-丙基氯代酞酰亚胺b、镍盐催化剂、非质子性溶剂、添加剂及还原剂,在50~100℃,进行偶联聚合反应2-8小时,过滤除去不溶物,减压回收溶剂,所得浅黄色固体粗产物c用乙醇索氏提取1小时,100℃干燥6小时,得产物双氨基联苯聚酰亚胺c,
所得产物c溶于无水氯仿或四氢呋喃,加入与N,N-二甲基-丙基氯代酞酰亚胺b投料等摩尔数的丙磺酸内酯或丙内酯,回流反应2~10小时后,回收溶剂氯仿或四氢呋喃,所得固体物质用去离子水洗3次,100℃烘干10小时,得两亲性联苯型聚酰亚胺添加剂d或e。
2.根据权利要求1一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,其特征在于,所述的镍盐是氯化镍或溴化镍,镍盐与反应物双氯代酞酰亚胺原料的摩尔比为2~4:100;还原剂金属锌与双氯代酞酰亚胺原料反应原料的摩尔比为1.2~2:1;镍盐与添加剂的摩尔比为1:1~7。
3.根据权利要求1一种两亲性联苯聚酰亚胺添加剂的制备方法,其特征在于,催化偶联聚合所用的溶剂包括N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基乙酰胺(DMF)中的一种,溶剂使用量为反应单体质量的3~4倍;所述的双氨基联苯聚酰亚胺c与丙磺酸内酯或丙内酯反应的浓度控制在5~10%。
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