共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法,特别是涉及使用一种阴离子活性聚合用的高效链转移剂,制备共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的方法。
背景技术
在共轭二烯和单乙烯基芳烃经活性阴离子聚合制备嵌段共聚物时,常采用分批添加共轭二烯和/或单乙烯基芳烃的方法,在制备具有不同嵌段长度及数量的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的混合物时,除了上述需要分批添加共轭二烯和/或单乙烯基芳烃单体之外,还需分批添加有机锂引发剂来制备,例如在合成苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯五嵌段共聚物的混合物时,通常是先加入第一段苯乙烯单体,由第一部分有机锂引发剂引发聚合,之后再加入第一段丁二烯单体,待聚合完全后再加入第二部分有机锂引发剂及第二段苯乙烯单体,然后加入第二段丁二烯单体,最后加入第三段苯乙烯单体,经终止后得到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯五嵌段共聚物的混合物,由于有机锂是分二次加入,且鉴于有机锂的高活性及需精确计量第二部分加入量,所以此种方法在工业实施中存在操作过程复杂和不易精确控制的问题。
美国专利U.S.P 5,329,005、U.S.P 5,332,810、U.S.P 5,393,721和U.S.P5,616,704公开了一种胺类化合物,用此类胺类化合物与有机锂反应来制备分子中含有氮原子的官能化有机锂引发剂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题,发明人经过多年探索研究与长期工业化生产实践,在阴离子聚合领域开发过程中,发现一类新的高效链转移剂,从而提供一种采用新型高效链转移剂,以有机锂为引发剂,在惰性溶剂中聚合共轭二烯和单乙烯基芳烃制备嵌段共聚物的方法。
本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法包括在高纯度氮气氛中,以有机锂为引发剂,于惰性溶剂中,在0-150℃温度下,采用下列通式的新的链转移剂(a),其中链转移剂与有机锂的摩尔比为0.01∶1-1∶1,优选为0.05∶1-1∶1,进行阴离子活性聚合共轭二烯和单乙烯基芳烃得到嵌段共聚合物。
其中:R1,R2相互间可以相同或不同,并各自独立地为氢或含有1-16个碳原子的烷基;n为0或1-6的正整数;m为0或1-6的正整数;n+m为3-7的正整数。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法中, 所述本发明的高效、新的链转移剂是具有下列通式(a)所示的化合物,
其中:R1,R2相互间可以相同或不同,并各自独立地为氢或含有1-16个碳原子的烷基;n为0或1-6的正整数;m为0或1-6的正整数;n+m为3-7的正整数。所述1-16个碳原子的烷基为例如甲基、乙基、丙基、丁基、正戊基、己基、环己基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十三烷基或十五烷基等,更优选为甲基、乙基、丙基、丁基或环己基等。
上述通式(a)表示的化合物优选为四氢吡咯、2-甲基四氢吡咯、2-乙基四氢吡咯、2-丙基四氢吡咯、2-丁基四氢吡咯、2-己基四氢吡咯、2-壬基四氢吡咯、2-癸基四氢吡咯、2-十一烷基四氢吡咯、2-十三烷基四氢吡咯、2-十五烷基四氢吡咯、2,2-二甲基四氢吡咯、2,2-二乙基四氢吡咯、2,2-二丙基四氢吡咯、2,2-二丁基四氢吡咯、2,2-二己基四氢吡咯、2,2-二壬基四氢吡咯、2,2-二癸基四氢吡咯、六亚甲基亚胺、3-甲基六亚甲基亚胺、3-乙基六亚甲基亚胺、3-丙基六亚甲基亚胺、3-丁基六亚甲基亚胺、3-己基六亚甲基亚胺、3-壬基六亚甲基亚胺、3-癸基六亚甲基亚胺、3-十一烷基六亚甲基亚胺、3-十三烷基六亚甲基亚胺、3-十五烷基六亚甲基亚胺、3,3-二甲基六亚甲基亚胺、3,3-二乙基六亚甲基亚胺、3,3-二丙基六亚甲基亚胺、3,3-二丁基六亚甲基亚胺、3,3-二己基六亚甲基亚胺、3,3-二壬基六亚甲基亚胺或3,3-二癸基六亚甲基亚胺等。
更优选为四氢吡咯、2-甲基四氢吡咯、2-丁基四氢吡咯、六亚甲基亚胺、3-甲基六亚甲基亚胺、3-丁基六亚甲基亚胺、3-己基六亚甲基亚胺、3-壬基六亚甲基亚胺或3,3-二甲基六亚甲基亚胺。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚合物制备方法中,所述共轭二烯单体为4-20个碳原子的共轭二烯,优选为4-12个碳原子的共轭二烯,更优选为4-8个碳原子的共轭二烯,例如丁二烯或取代丁二烯,如1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3-丁二烯、1-苯基-1,3-丁二烯等;异戊二烯,戊二烯或取代戊二烯,如1,3-戊二烯等。其中更加优选的共轭二烯为1,3-丁二烯或异戊二烯。共轭二烯可单独使用,也可混合使用,其混合比例根据共聚物要求而定,没有严格要求。共轭二烯单体用量以单体总重量计为15-60%(重量),它由聚合物性质和种类确定。所述单乙烯基芳烃单体为8-20个碳原子,优选为8-12个碳原子的单乙烯基芳烃,例如苯乙烯或烷基取代苯乙烯,如间甲基苯乙烯、对甲基苯乙烯、对叔丁基苯乙烯、α-甲基苯乙烯等。单乙烯基芳烃单体可单独使用,也可混合使用,其混合比没有严格要求,可任意比例,从获得难易程度及工业化实际出发,优选为苯乙烯或对甲基苯乙烯,更优选为苯乙烯。单乙烯基芳烃单体用量以单体总重量计为40-85%(重量),由聚合物性质和种类来确定。聚合物溶液浓度范围为10-60%(重量),共聚合物浓度过高,粘度过大,给搅拌、输送及后处理带来麻烦,优选为10-30%(重量)。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚合物制备方法中,所述有机锂引发剂可以为有机单锂及双锂等。所述有机单锂为甲基锂、乙基锂、异丙基锂、正丁基锂、仲丁基锂、叔丁基锂、戊基锂、苯基锂、环己基锂、甲苯基锂、4-叔丁基苯基锂、乙烯基锂、丙烯基锂或2-苯基锂等;所述有机双锂如乙基二锂、四次甲基二锂、五次基甲基二锂、六次甲基二锂、1,3-双(1-锂基-3-甲基苯基)苯、1,4-二锂-1,4-苯基丁烷或1,4-二锂丁烷等,优选为正丁基锂或仲丁基锂。有机锂引发剂的用量依赖于设计分子量大小,一般用量为每100克单体需加入0.2-5.0毫摩尔有机锂。
所述惰性溶剂可以是芳族烃、脂族烃或环烷烃,其中芳族烃为苯、甲苯、二甲苯及乙苯或其混合物等;脂族烃为丁烷、己烷及庚烷或具有不同碳原子数的脂族烃混合物,例如炼油厂副产物如加氢汽油、重整装置的抽余油等;环烷烃为环戊烷、环己烷及甲基环己烷或其混合物等。这些烃类溶剂可单独使用,也可混合使用,可以以不同比例的脂族烃与环烷烃的混合物如己烷馏份与环己烷按1/10-5/5的混合物。
所述聚合反应温度为0-150℃,优选为30-120℃,更优选为40-90℃。
所述聚合反应的压力应保持聚合体系为液体,一般在0.05-1.2Mp之间,优选为0.1-0.6Mpa。
聚合反应时间为0.2-6小时。
对于上面所述的单体和溶剂必须预先除去能引起引发剂或活性端失活的杂质,如水、氧气、二氧化碳、硫的化合物、醇类、羰基化合物和炔类化合物等。
在本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚合物制备方法中,还可用终止剂、防老剂等,都为已知的,一般使用异丙醇和水作终止剂;使用受阻酚类其及与磷酸酯复合物为防老剂,如2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚防老剂(简称2,6,4)。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚合物制备方法中,如果需要,本发明在聚合过程中可以采用调节剂对聚合度及共轭二烯的微观结构进行调节。这些调节剂为已知的,例如四氢呋喃(THF)、乙二醇二甲醚(1G)、二乙二醇二甲醚(2G)、N,N’-四甲基乙二胺(TMEDA)等。调节剂的用量依赖于所选调节剂的种类而确定。
本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法另一方案,如果需要,可采用偶联剂偶联活性聚合链得共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物,该方法包括在高纯度氮气氛中,以有机锂为引发剂,在惰性溶剂中,于0-150℃温度范围内,采用下列通式(a)所示的链转移剂,其中链转移剂与有机锂的摩尔比为0.01∶1-1∶1,优选为0.05∶1-1∶1。进行阴离子活性聚合得活性聚合链,再用偶联剂进行偶联得嵌段共聚物,其中偶联剂与有机锂的摩尔比为0.01-10,优选为0.1-6,
其中:R1和R2相互间可以相同或不同,并各自独立地为氢或含有1-16个碳原子的烷基;n为0或1-6的正整数;m为0或1-6的正整数;n+m为3-7的正整数。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚合物制备方法另一方案中,用偶联剂进行偶联,而形成具有长链支化的星型聚合物,其支化程度一般按产品用途可以控制在10%-80%。在现有技术中的公知偶联剂均可用于本发明。所述偶联剂有多乙烯基芳烃如二乙烯基苯等,有机硅氧烷类化合物,单多酯类化合物如乙酸乙酯、己二酸二乙酯、己二酸二甲酯、邻苯二甲酸二酯,多卤化合物如二氯硅烷、四氯化硅、四氯化锡等,环氧类化合物如环氧化棉子油、环氧化大豆油、环氧化液体聚丁二烯等。优选的星型偶联剂为四氯化锡、四氯化硅、二乙烯基苯、环氧化大豆油或环氧化液体聚丁二烯。加入偶联剂的方法采用已知方法,例如在聚合反应结束后加入偶联剂进行偶联反应。偶联剂的加入量可在很宽的范围内变化,以偶联剂与有机锂摩尔比计,优选0.01-10,更优选为0.1-6。
按照本发明提供的共轭二烯和单乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法中,众所周知,由于阴离子活性聚合的特点可以通过阴离子活性聚合的方法制备具有各种不同微观结构及含量如1,2结构含量、1,4结构含量等,不同嵌段如非对称渐变段嵌段和无规嵌段等,不同嵌段长度、数量及嵌段序列排列等的线型或星型结构的嵌段共聚物,也是本发明方法中所指制备的共聚物,例如苯乙烯一丁二烯两嵌段共聚物和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一异戊二烯两嵌段共聚物和苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一丁二烯二嵌段共聚物和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯星型嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物和苯乙烯一丁二烯一苯乙烯一丁二烯一苯乙烯五嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物和苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯五嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物和星型嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯三嵌段共聚物和星型嵌段共聚物的混合物、苯乙烯一丁二烯一异戊二烯嵌段共聚物和苯乙烯一丁二烯一异戊二烯一苯二烯嵌段共聚物的混合物,其中丁二烯和异戊二烯嵌段可为非对称渐变或无规的中间嵌段的共聚物、苯乙烯一丁二烯一异戊二烯一苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯一丁二烯一异戊二烯一苯乙烯一丁二烯一异戊二烯一苯乙烯嵌段共聚物的混合物,其中丁二烯和异戊二烯嵌段可为非对称渐变或无规的中间嵌段共聚物、或苯乙烯一丁二烯一异戊二烯嵌段共聚物和星型嵌段共聚物的混合物,其中丁二烯和异戊二烯嵌段可为非对称渐变或无规的中间嵌段的共聚物等。
由于本发明提供的共轭二烯和乙烯基芳烃嵌段共聚物的制备方法中采用高效、新的链转移剂,该链转移剂链转移能力强,可以极快地与有机锂或聚合物锂进行反应,且生成的锂化合物具有与有机锂引发剂相当的活性,能继续引发聚合共轭二烯和/或单乙烯基芳烃,可用来合成上述的多嵌段共聚物的混合物;特别这种链转移剂可以精确称量而且能直接加入到共轭二烯或单乙烯基芳烃单体中,可简化操作过程且便于控制不同嵌段物的含量。
本发明提供的方法可广泛被用于制造各种类型,具有优异特性的热塑性弹性体,透明树脂,橡胶等。
具体实施方式
本发明将用下面实施例进一步说明本发明,但本发明保护范围并不限于实施例,本领域的普通技术人员根据本发明作某些变化都在本发明保护范围内。
实施例中引发剂的浓度用双滴定法测得,聚合物的微观结构采用红外光谱仪测定,聚合物中结合苯乙烯含量由紫外光谱仪测定,聚合物的力学性能由万能电子拉伸机测定,聚合物嵌段含量由凝胶色谱渗透仪(GPC)测定。
实施例1
在高纯氮气保护下,按下列配料比量,将环己烷(2200克)、苯乙烯(60克)、四氢呋喃(0.20克)加入到5立升带搅拌的不锈钢聚合釜中,混合均匀后,升温至50℃,用少量的丁基锂消除体系中的杂质后,将3毫摩尔的丁基锂快速加入釜中,用釜夹套通入热水来保证所需控制的温度50-90℃聚合30分钟后,加入除去杂质的丁二烯(90克),聚合60分钟后,再加入除去杂质并且含有0.6毫摩尔六亚甲基亚胺的丁二烯(90克),聚合60分钟后,最后加入除去杂质的苯乙烯(60克),聚合40分钟后,聚合反应结束后,用3克防老剂264溶于体积比为1∶1的异丙醇和甲苯溶液中终止聚合反应,胶液经过水蒸汽凝聚干燥后得到苯乙烯-丁二烯二嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的混合物,这种聚合物可用于改性料。所得聚合物的结构与物性见表1。
实施例2
用四氢吡咯取代实施例1中的六亚甲基亚胺,其它操作和条件同实施例1。
实施例3
用异戊二烯取代实施例1中的丁二烯,其它操作和条件同实施例1。
实施例4
用四氢吡咯取代实施例1中的六亚甲基亚胺,用异戊二烯取代实施例1中的丁二烯,其它操作和条件同实施例1。
比较例1
在高纯氮气保护下,按下列配料比量,将环己烷(2200克)、苯乙烯(48克)、四氢呋喃(0.24克)加入到5立升带搅拌的不锈钢聚合釜中,混合均匀后,升温至50℃,用少量的丁基锂消除体系中的杂质后,将2.4毫摩尔的丁基锂快速加入釜中,用釜夹套通入热水来保证所需控制的温度50-90℃聚合30分钟后,加入除去杂质的丁二烯(90克),聚合60分钟后,再加入0.4毫摩尔丁基锂,5分钟后加入除去杂质的丁二烯(90克),聚合60分钟后,最后加入除去杂质的苯乙烯(72克),聚合40分钟后,聚合反应结束后,用3克防老剂264溶于体积比为1∶1的异丙醇和甲苯溶液中终止聚合反应,胶液经过水蒸汽凝聚干燥后得到苯乙烯-丁二烯二嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物的混合物,这种聚合物可用于粘合剂和增韧改性料。
表1
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实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
实施例4 |
结合苯乙烯含量%(重量) | 40 | 40 | 40 | 40 |
二嵌段聚合物含量%(重量) | 20 | 20 | 20 | 20 |
Mw×10-4 |
9.0 |
9.0 |
9.0 |
9.0 |
Mn×10-4 |
8.3 |
8.3 |
8.3 |
8.3 |
从比较例1可看出合成同样的嵌段聚合物,与实施例1相比多了一步添加丁基锂的步骤,操作变得复杂一些。
实施例5
在高纯氮气保护下,按下列配料比量,将环己烷(2200克)、苯乙烯(120克)、四氢呋喃(0.50克)加入到5立升带搅拌的不锈钢聚合釜中,混合均匀后,升温至50℃,用少量的丁基锂消除体系中的杂质后,将3.75毫摩尔的丁基锂快速加入釜中,用釜夹套通入热水来保证所需控制的温度50-90℃聚合30分钟后,加入除去杂质的丁二烯(45克),聚合40分钟后,再加入除去杂质的苯乙烯(45克),聚合40分钟后,再加入除去杂质并且含有0.75毫摩尔六亚甲基亚胺的苯乙烯(45克),聚合40分钟后,加入除去杂质的丁二烯(45克),聚合40分钟后,最后加入除去杂质的苯乙烯(150克),聚合60分钟后,聚合反应结束后,用5克防老剂264溶于体积比为1∶1的异丙醇和甲苯溶液中终止聚合反应,胶液经过水蒸汽凝聚干燥后得到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯五嵌段共聚合物的混合物,这种聚合物为透明的丁苯树脂,能注塑和挤塑,可用于医疗器械、食品包装及玩具等。所得聚合物的结构与物性见表2。
实施例6
用四氢吡咯取代实施例5中的六亚甲基亚胺,其它操作和条件同实施例5。
比较例2
在高纯氮气保护下,按下列配料比量,将环己烷(2200克)、苯乙烯(100克)、四氢呋喃(0.50克)加入到5立升带搅拌的不锈钢聚合釜中,混合均匀后,升温至50℃,用少量的丁基锂消除体系中的杂质后,将3毫摩尔的丁基锂快速加入釜中,用釜夹套通入热水来保证所需控制的温度50-90℃聚合30分钟后,加入除去杂质的丁二烯(36克),聚合40分钟后,再加入除去杂质的苯乙烯(44克),聚合40分钟后,再加入1.5毫摩尔的丁基锂,5分钟后加入除去杂质的苯乙烯(66克),聚合40分钟后,加入除去杂质的丁二烯(54克),聚合40分钟后,最后加入除去杂质的苯乙烯(1 50克),聚合60分钟后,聚合反应结束后,用5克防老剂264溶于体积比为1∶1的异丙醇和甲苯溶液中终止聚合反应,胶液经过水蒸汽凝聚干燥后得到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯五嵌段共聚合物的混合物,这种聚合物为透明的丁苯树脂,能注塑和挤塑,可用于医疗器械、食品包装及玩具等。
表2
|
实施例5 |
实施例6 |
结合苯乙烯含量,%(重量) |
80 |
80 |
三嵌段聚合物含量,%(重量) |
20 |
20 |
1,2-结构含量1,%(重量) |
10 |
10 |
Mw,×10-4 |
10.8 |
10.8 |
Mn,×10-4 |
10 |
10 |
拉伸强度,Mpa |
32 |
32 |
挠曲强度,Mpa |
42 |
42 |
伸长率,% |
20 |
20 |
无缺口冲击强度,J/m |
310 |
310 |
注1:以聚丁二烯部分为基准。
从比较例2可看出合成同样的嵌段聚合物,与实施例5相比多了一步添加丁基锂的步骤,操作变得复杂一些。
实施例7
在高纯氮气保护下,按下列配料比量,将环己烷(2200克)、苯乙烯(90克)、四氢呋喃(0.80克)加入到5立升带搅拌的不锈钢聚合釜中,混合均匀后,升温至50℃,用少量的丁基锂消除体系中的杂质后,将6毫摩尔的丁基锂快速加入釜中,用釜夹套通入热水来保证所需控制的温度50-90℃聚合30分钟后,加入除去杂质的丁二烯(45克),聚合40分钟后,再加入加入除去杂质的苯乙烯(45克),聚合40分钟后,再加入除去杂质并且含有2毫摩尔六亚甲基亚胺苯乙烯(105克),聚合40分钟后,加入除去杂质的丁二烯(55克),聚合40分钟后,最后加入除去杂质的苯乙烯(60克),聚合60分钟后,加入溶于10毫升甲苯的1.2克环氧化液体聚丁二烯(环氧化液体聚丁二烯Mn为1000,平均每个分子链上含有4个环氧基团)。偶联30分钟,反应结束后,用4克防老剂264溶于体积比为1∶1的异丙醇和甲苯溶液中终止聚合反应,胶液经过水蒸汽凝聚干燥后得到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物和星型嵌段共聚合物的混合物,这种聚合物为透明的丁苯树脂,能注塑和吹膜,可用于容器、展示性包装及板材等。所得聚合物的结构与物性见表3。
表3
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实施例7 |
结合苯乙烯含量,%(重量) |
75 |
1,2-结构含量1,%(重量) |
10 |
拉伸强度,Mpa |
25 |
挠曲强度,Mpa |
32 |
伸长率,% |
120 |
无缺口冲击强度,J/m |
400 |
透光率,% |
88 |
注1:以聚丁二烯部分为基准。
由上述实施例数据说明:由本发明所提供的链转移剂用于共轭二烯和单乙烯基芳烃的阴离子聚合中,可以方便地合成共轭二烯和单乙烯基芳烃的嵌段共聚物的混合物。