CN105801844A - 聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法。以氯化锂(LiCl)/氮甲基吡咯烷酮(NMP)作为混合溶剂,以对苯二胺(PPD)和间苯二甲酰氯(IPC)作为单体,2‑甲基吡啶作为缚酸剂,进行溶液缩聚,该路线条件温和易控,是制备聚间苯二甲酰对苯二胺的有效方法。聚间苯二甲酰对苯二胺分子链结构规整刚性并且具有分子间氢键作用力,可用作耐高温材料和高性能高分子材料。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料的技术领域,尤其是涉及一种聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法和应用。
背景技术
芳纶是指以芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的合成纤维。美国贸易联合会将芳纶命名为“aramid fibers”,其定义是至少有85%的酰胺链直接与两个苯环相连接。芳纶包括芳香族聚酰胺纤维和芳香族聚酰亚胺纤维。
传统的芳香族聚酰胺类纤维按其连接结构可分为对位和间位两大类。对位芳纶主要包括聚对苯二甲酰对苯二胺、聚对苯甲酰胺及其共聚纤维等,间位芳纶主要包括聚间苯二甲酰间苯二胺及其共聚纤维。
第一个工业化的对位芳纶产品是美国杜邦公司1972年推出的Kevlar纤维,多年以来一直占据对位芳纶的大部分市场,到1986年荷兰阿克苏公司的Twaron纤维、日本帝人公司的Technora纤维和俄罗斯的Amos纤维才相继出现。间位芳纶的研究与生产始于上世纪六十年代,现在美、日等国的间位芳纶生产技术己较为成熟,并且成功开发出多个品种性能优越的纤维产品,其中较为著名的产品有美国杜邦公司生产的Nomex系列纤维,日本本帝人公司生产的Conex系列纤维,尤尼契卡公司的Apyeil、俄罗斯的Fenilon纤维等。
本发明针对的则是芳香族聚酰胺家族中的一个新品种-聚间苯二甲酰对苯二胺。聚间苯二甲酰对苯二胺是一种全新的芳香族聚酰胺,从结构上来看,聚间苯二甲酰对苯二胺的结构兼具聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺的特点,具有多个苯环与酰胺基团间隔相连的特点,因此该聚合物有可能成为芳香族化合物中极有潜力实现商业化应用的品种。本发明主要公开聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法和应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法,以氯化锂(LiCl)/氮甲基吡咯烷酮(NMP)作为混合溶剂,以对苯二胺(PPD)和间苯二甲酰氯(IPC)作为单体,2-甲基吡啶作为缚酸剂,进行溶液缩聚,该路线条件温和易控。
为达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种聚间苯二甲酰对苯二胺,具有如下分子式:
。
一种聚间苯二甲酰对苯二胺的溶液缩聚制备方法,包括以下步骤:
(1)在反应容器中,加入氮甲基吡咯烷酮和氯化锂,搅拌,制得混合溶剂;
(2)在氮气保护下,将对苯二胺加入到步骤(1)的反应容器中,搅拌,使对苯二胺溶解;
(3)将2-甲基吡啶加入到步骤(1)的反应容器中;
(4)在容器中加入氮甲基吡咯烷酮和氯化锂,搅拌,制得混合溶剂,将间苯二甲酰氯加入到混合溶剂中,溶解制成溶液,备用;
(5)将步骤(4)中制得的溶液分成等量的两份,依次加入到步骤(1)的反应容器中,期间间隔一定时间,保持搅拌;
(6)继续搅拌反应0.5-5小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物;
(7)将步骤(6)得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、乙醇洗,并在一定温度下干燥。
所述步骤(1)中的氮甲基吡咯烷酮的量为5-100ml,所述步骤(1)中的氯化锂的量为0.2-6g;所述步骤(2)中的对苯二胺的量为0.5-10g;所述步骤(3)中的2-甲基吡啶的量为0.5-20ml;所述步骤(4)中的氮甲基吡咯烷酮的量为5-100ml,所述步骤(4)中的氯化锂的量为0.2-6g,所述步骤(4)中的间苯二甲酰氯的量为0.5-20g;所述步骤(7)中的乙醇的量为5-500ml。
所述的反应容器为配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶。
所述聚间苯二甲酰对苯二胺的产率为36.6-92.9%。
所述步骤(5)中的期间间隔20分钟,所述步骤(7)中在80℃下干燥24h。
合成路线为:
。
一种聚间苯二甲酰对苯二胺在耐高温材料或高性能高分子材料领域中的应用。
本发明的有益效果如下:
本发明的聚间苯二甲酰对苯二胺是一种全新的芳香族聚酰胺,从结构上来看,聚间苯二甲酰对苯二胺的结构兼具聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺的特点,具有多个苯环与酰胺基团间隔相连的结构,因此该聚合物有可能成为芳香族聚合物中极有潜力实现商业化应用的新品种。
本发明聚间苯二甲酰对苯二胺及其溶液缩聚制备方法,采用溶液面缩聚的路线来制备聚间苯二甲酰对苯二胺,该路线反应操作条件温和可控,是制备聚间苯二甲酰对苯二胺的有效方法。聚间苯二甲酰对苯二胺分子链结构规整刚性并且具有分子间氢键作用力,可用作耐高温材料和高性能高分子材料。
附图说明
图1为本发明制备的聚间苯二甲酰对苯二胺的红外图谱。
图2为本发明制备的聚间苯二甲酰对苯二胺的热失重曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
本发明聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,包括以下步骤:
(1)在反应容器中,加入氮甲基吡咯烷酮5-100ml和氯化锂0.2-6g,搅拌,制得混合溶剂;
(2)在氮气保护下,将对苯二胺0.5-10g加入到步骤(1)的反应容器中,搅拌,使对苯二胺溶解;
(3)将0.5-20ml 2-甲基吡啶加入到步骤(1)的反应容器中;
(4)在容器中加入氮甲基吡咯烷酮5-100ml和氯化锂0.2-6g,搅拌,制得混合溶剂,将间苯二甲酰氯0.5-20g加入到混合溶剂中,溶解制成溶液,备用;
(5)将步骤(4)中制得的溶液分成等量的两份,依次加入到步骤(1)的反应容器中,期间间隔20分钟,保持搅拌;
(6)继续搅拌反应0.5-5小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物;
(7)将步骤(6)得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、5-500ml乙醇洗,80℃干燥24h。
本发明中所使用的反应容器为配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶。
本发明的合成路线为:
。
聚间苯二甲酰对苯二胺的产率为36.6-92.9%。
实施例1
在配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶中加入25ml NMP,称取0.4722g LiCl,加入到三口烧瓶中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂。在氮气保护下,称取1.2264g PPD加入到三口烧瓶中,搅拌,使PPD溶解。将2.223ml 2-甲基吡啶加入到三口烧瓶中。在烧杯中加入25mlNMP,称取0.4722g LiCl,加入到烧杯中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂,将2.2780g间苯二甲酰氯(IPC)加入到混合溶剂中,溶解制成溶液。将间苯二甲酰氯的溶液分成等量的两份,依次加入三口烧瓶中,期间间隔20分钟,保持搅拌。继续搅拌反应2小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物。将所得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、乙醇洗,80℃干燥24h,得固体树脂。产率79.6%。
实施例2
在配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶中加入100ml NMP,称取2g LiCl,加入到三口烧瓶中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂。在氮气保护下,称取8g PPD加入到三口烧瓶中,搅拌,使PPD溶解。将8ml 2-甲基吡啶加入到三口烧瓶中。在烧杯中加入100ml NMP,称取2gLiCl,加入到烧杯中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂,将8g间苯二甲酰氯(IPC)加入到混合溶剂中,溶解制成溶液。将间苯二甲酰氯的溶液分成等量的两份,依次加入三口烧瓶中,期间间隔20分钟,保持搅拌。继续搅拌反应2小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物。将所得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、用500mL乙醇洗,80℃干燥24h,得固体树脂。产率40%。
实施例3
在配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶中加入5ml NMP,称取0.2g LiCl,加入到三口烧瓶中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂。在氮气保护下,称取0.5g PPD加入到三口烧瓶中,搅拌,使PPD溶解。将1ml 2-甲基吡啶加入到三口烧瓶中。在烧杯中加入5ml NMP,称取0.2g LiCl,加入到烧杯中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂,将1g间苯二甲酰氯(IPC)加入到混合溶剂中,溶解制成溶液。将间苯二甲酰氯的溶液分成等量的两份,依次加入三口烧瓶中,期间间隔20分钟,保持搅拌。继续搅拌反应2小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物。将所得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、用5mL乙醇洗,80℃干燥24h,得固体树脂。产率92%。
实施例4
在配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶中加入52.5ml NMP,称取2.1g LiCl,加入到三口烧瓶中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂。在氮气保护下,称取4.3g PPD加入到三口烧瓶中,搅拌,使PPD溶解。将10.3ml 2-甲基吡啶加入到三口烧瓶中。在烧杯中加入52.5mlNMP,称取2.1g LiCl,加入到烧杯中,搅拌,制得NMP/LiCl混合溶剂,将8.6g间苯二甲酰氯(IPC)加入到混合溶剂中,溶解制成溶液。将间苯二甲酰氯的溶液分成等量的两份,依次加入三口烧瓶中,期间间隔20分钟,保持搅拌。继续搅拌反应2小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物。将所得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、用252.5mL乙醇洗,80℃干燥24h,得固体树脂。产率64.75%。
图1为制备的聚间苯二甲酰对苯二胺的红外图谱。其中,3282.84cm-1为N-H键的伸缩振动,1643.35cm-1为碳氧双键的伸缩振动, 1548.84cm-1、1514.12cm-1、1402.25cm-1为苯环骨架的伸缩振动,1311.59cm-1为N-H键的变形振动,1246.02为C—N键的伸缩振动,817.82cm-1为苯环间位二取代C—H键的变形振动,680.87cm-1为苯环间位二取代C—H键的变形振动。
实施例5:聚间苯二甲酰对苯二胺的应用
通过理论计算可知,聚间苯二甲酰对苯二胺沿着a,b,c三个轴向的杨氏模量分别为442.6192 Gpa,94.1808 Gpa,416.5910 Gpa,说明聚间苯二甲酰对苯二胺具有良好的力学性能,因此可以用作高性能高分子材料。
实施例6:聚间苯二甲酰对苯二胺的应用
图2为聚间苯二甲酰对苯二胺的热失重曲线。从热失重曲线可以看到,主要分解温度约为450℃,最大分解速率对应的温度在540℃左右,符合高温使用的要求,因此可以用作耐高温材料。
本发明制备得到的聚间苯二甲酰对苯二胺,是一种新型的芳酰胺聚合物,为高性能芳纶纤维家族中的新品种。
本发明的聚间苯二甲酰对苯二胺兼具芳纶1313和芳纶1414的两者之长,因为链结构规整刚性并且具有分子间氢键作用力,热分解温度高,力学性能优越,因此可用作耐高温材料和高性能高分子材料。如用作耐热防护材料和用于工业上耐高温产品的部件等;如用作飞机或高速运输工具的部件中,在航空航天,汽车减重高强部件等各方面具有重要的应用。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思,而非对本发明权利保护的限定,凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动,均应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种聚间苯二甲酰对苯二胺,其特征在于具有如下分子式:
。
2.一种聚间苯二甲酰对苯二胺的溶液缩聚制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)在反应容器中,加入氮甲基吡咯烷酮和氯化锂,搅拌,制得混合溶剂;
(2)在氮气保护下,将对苯二胺加入到步骤(1)的反应容器中,搅拌,使对苯二胺溶解;
(3)将2-甲基吡啶加入到步骤(1)的反应容器中;
(4)在容器中加入氮甲基吡咯烷酮和氯化锂,搅拌,制得混合溶剂,将间苯二甲酰氯加入到混合溶剂中,溶解制成溶液,备用;
(5)将步骤(4)中制得的溶液分成等量的两份,依次加入到步骤(1)的反应容器中,期间间隔一定时间,保持搅拌;
(6)继续搅拌反应0.5-5小时,加入蒸馏水,停止反应,生成白色沉淀物;
(7)将步骤(6)得到的混合液倒入布氏漏斗,经过抽滤、水洗、乙醇洗,并在一定温度下干燥。
3.如权利要求2所述聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中的氮甲基吡咯烷酮的量为5-100ml,所述步骤(1)中的氯化锂的量为0.2-6g;所述步骤(2)中的对苯二胺的量为0.5-10g;所述步骤(3)中的2-甲基吡啶的量为0.5-20ml;所述步骤(4)中的氮甲基吡咯烷酮的量为5-100ml,所述步骤(4)中的氯化锂的量为0.2-6g,所述步骤(4)中的间苯二甲酰氯的量为0.5-20g;所述步骤(7)中的乙醇的量为5-500ml。
4.如权利要求2所述聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,其特征在于:所述的反应容器为配有温度计、搅拌装置和冷凝管的三口烧瓶。
5.如权利要求2所述聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,其特征在于:所述聚间苯二甲酰对苯二胺的产率为36.6-92.9%。
6.如权利要求2所述聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,其特征在于:所述步骤(5)中的期间间隔20分钟,所述步骤(7)中在80℃下干燥24h。
7.如权利要求2所述聚间苯二甲酰对苯二胺的制备方法,其特征在于:合成路线为:
。
8.一种聚间苯二甲酰对苯二胺在耐高温材料或高性能高分子材料领域中的应用。
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