CN113402648A - 用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液、共聚物制备方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于光引发聚合制备苯乙烯‑顺酐共聚物的母液、苯乙烯‑顺酐共聚物的制备方法以及用于光引发聚合制备苯乙烯‑顺酐树脂的设备。本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯‑顺酐共聚物的母液含有共聚单体、光引发剂以及有机溶剂,相对于所述母液的总重量,所述共聚单体的质量百分比合计为5~30wt%,所述光引发剂相对于所述共聚单体的质量百分比为0.2~4.0wt%,所述共聚单体中含有苯乙烯和顺酐,苯乙烯与顺酐的摩尔比为1:1~1.5:1。通过光引发聚合来制备苯乙烯‑顺酐共聚物,能够不需要热引发所必需的加热而是采用光照就可以引发聚合,不需要热引发聚合所需要的长时间的滴加,能够节约反应所需要的时间,提高生产效率。由此完成了本发明。
Description
技术领域
本发明涉及光引发聚合制备聚合物领域,具体地,涉及通过光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂共聚物。
背景技术
光引发聚合是指在光照(紫外或可见光)下,光引发剂产生活性种(自由基或者阳离子等)引发单或者多官能度的低聚物和/或活性稀释剂进行链式聚合反应,快速形成线性或者高度交联的聚合物网络的一种聚合反应。光引发聚合由于具有快速、高效、操作简便、可以实现时间-空间可控等优点,被广泛应用于涂料、胶黏剂、油墨以及生物医药、3D打印等领域中,具有极高的商业价值。
苯乙烯-顺酐树脂是马来酸酐与苯乙烯的共聚物。苯乙烯-顺酐本身和其酯类衍生物在聚合物合金以及分散剂等领域都有广泛的应用。苯乙烯和马来酸酐在低温下会形成络合物,在热引发剂作用可以发生交替聚合,也可以在较高的温度下发生无规共聚。
现有公开的报道中,苯乙烯-顺酐树脂的制备溶液聚合或是沉淀聚合进行制备。为了控制聚合物的组成,通常需要通过滴加等方式,并控制加热反应温度,根据热引发剂的在不同温度下的半衰期等控制反应时间和滴加速度等。由于需要进行加热,导致能耗较高,且需要利用沉淀剂或者有毒的甲苯等为溶剂,对环境的污染和碳排放等都是不利的。
CN101580564A、CN102250273A等中公开了在氮气条件下利用单体苯乙烯、马来酸酐、热引发剂有机过氧化物或偶氮化合物按一定比例溶解在有机酸烷基酯中,在60~90℃反应的方法,制备得到苯乙烯与马来酸酐的交替共聚物以及无规共聚物等。
但是,如何能够能耗较少、高效地制备苯乙烯-顺酐共聚物是本领域一直亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明人等针对现有技术存在的不足进行深入研究后发现,通过创新性地将光引发聚合与苯乙烯-顺酐共聚体系结合,采用共聚单体与光引发剂作为反应原料,通过光引发聚合来制备苯乙烯-顺酐共聚物,能够不需要热引发所必需的加热而是采用光照就可以引发聚合,并且不需要热引发聚合所需要的长时间的滴加,可以使用预先制备好的光引发聚合所需要的母液,从而能够节约反应所需要的时间,提高生产效率。由此完成了本发明。
具体地,本发明提供下述的技术方案。
一方面,本发明提供一种用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物(苯乙烯-马来酸酐共聚物)的母液,其含有:共聚单体、光引发剂以及有机溶剂,相对于前述母液的总重量,前述共聚单体的质量百分比合计为5~30wt%,前述光引发剂相对于前述共聚单体的质量百分比为0.2~4.0wt%,前述共聚单体中含有苯乙烯和顺酐,苯乙烯与顺酐的摩尔比为1:1~1.5:1。
前述母液为均相溶液,可以通过将共聚单体、光引发剂及有机溶剂等原料混合后搅拌来制备,前述的搅拌可以为机械搅拌或者磁力搅拌,没有特别的限定。通过搅拌,使得加入的共聚单体以及光引发剂在有机溶剂中溶剂,形成均相溶液。
优选地,前述光引发剂为光解型引发剂和/或夺氢型光引发剂。
进一步优选地,前述光解型引发剂为选自以下示出的结构式所示的α-羟基酮类光引发剂1173、α-羟基酮类光引发剂184、α-羟基酮类光引发剂2959、光引发剂651、草酸酯类光引发剂MBF、α-胺基酮类光引发剂907、α-胺基酮类光引发剂369、酰基膦氧类光引发剂TPO、酰基膦氧类光引发剂819组成的组中的至少一种;
前述夺氢型光引发剂为选自下述的结构式所示的二苯甲酮类光引发剂BP、二苯甲酮类光引发剂EMK、以及硫杂蒽酮类光引发剂ITX中的至少一种以及作为助引发剂的MDEA和EDB中的至少一种。
优选地,前述有机溶剂为选自乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸仲丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸苄酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸异戊酯、异戊酸乙酯、异戊酸异戊酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、苯甲酸丁酯、苯甲酸异戊酯、苯乙酸甲酯和苯乙酸乙酯中的至少一种。
优选地,前述共聚单体中还含有α-甲基苯乙烯和醋酸乙烯酯,相对于共聚单体的总重量,以质量百分比计,顺酐的含量为40~50%,苯乙烯的含量为10~20%,α-甲基苯乙烯的含量为10~20%,醋酸乙烯酯的含量为20~30%。
另一方面,本发明还涉及一种苯乙烯-顺酐共聚物的制备方法,其包括下述步骤:
准备步骤:将前述的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液置于惰性气体气氛中;
光引发聚合步骤:在惰性气体的保护下对前述母液进行光照射,使其发生光引发聚合反应,生成苯乙烯-顺酐共聚物,得到含有苯乙烯-顺酐共聚物的乳状悬浮液的步骤;
分离步骤:前述光引发聚合反应步骤结束后,将得到的苯乙烯-顺酐共聚物乳状悬浮液分离,得到苯乙烯-顺酐共聚物沉淀的步骤。
又一方面,本发明还涉及一种用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备,其包括配料釜、光引发聚合釜、溶脱釜、脱挥釜以及接收槽,
前述配料釜用于配制本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液,前述配料釜的出料口连接前述光引发聚合釜的进料口,
前述光聚合釜用于发生光引发聚合反应,配置有光源,前述光引发聚合釜的出料口连接前述溶脱釜的进料口,
前述溶脱釜用于将前述光引发聚合反应后的产物分离为苯乙烯-顺酐共聚物沉淀及其余物料,前述溶脱釜具有沉淀出料口及溶剂出料口,前述沉淀出料口连接前述脱挥釜,前述溶剂出料口连接前述接收槽,分离的苯乙烯-顺酐共聚物沉淀经过沉淀出料口进入脱挥釜,其余物料经过前述溶剂出料口进入接收槽;
前述脱挥釜用于去除所述苯乙烯-顺酐共聚物沉淀中的残余溶剂,前述脱挥釜与所述接收槽连接。
优选地,前述光引发聚合釜中配置有石英玻璃窗口,用于透过光源照射的光。
优选地,前述接收槽连接前述配料釜,前述接收槽与前述配料釜的连接路径上设置有泵,用于将接收槽中的溶剂泵入配料釜中。
优选地,前述光引发聚合釜还配置有冷却装置,用于在进行光引发聚合时对光引发聚合釜中的反应体系的温度降温,控制反应体系的温度为20~40℃,更优选控制为25~30℃。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是一个实施例中制备的苯乙烯-顺酐共聚物的1H NMR谱图。
图2是一示例性实施例示出的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的设备的示意图。
图3是另一示例性实施例示出的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的设备的示意图。
具体实施方式
[用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液]
本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液中含有:共聚单体、光引发剂以及有机溶剂,相对于母液的总重量,共聚单体的质量百分比合计为5~30wt%,光引发剂相对于共聚单体的质量百分比为0.2~4.0wt%,
前述共聚单体中含有苯乙烯和顺酐,顺酐也称为马来酸酐,苯乙烯与顺酐的摩尔比为1:1~1.5:1。
本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液能够通过光照射引发光聚合反应。通过采用预先配制好的该母液,直接用于光引发聚合反应,可以节约制备生产的时间。并且,本发明的母液中的成分通过直接加入混合就可以,在避光常温的条件下可以长时间放置。
本发明的母液中的所述光引发剂为光解型引发剂和/或夺氢型光引发剂。
优选地,前述光解型引发剂为选自以下示出的结构式所示的α-羟基酮类光引发剂1173、α-羟基酮类光引发剂184、α-羟基酮类光引发剂2959、光引发剂651、草酸酯类光引发剂MBF、α-胺基酮类光引发剂907、α-胺基酮类光引发剂369、酰基膦氧类光引发剂TPO、酰基膦氧类光引发剂819组成的组中的至少一种;
前述夺氢型光引发剂为选自下述的结构式所示的二苯甲酮类光引发剂BP、二苯甲酮类光引发剂EMK、以及硫杂蒽酮类光引发剂ITX中的至少一种以及作为助引发剂的MDEA和EDB中的至少一种。
前述有机溶剂可以列举出例如选自乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸仲丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸苄酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸异戊酯、异戊酸乙酯、异戊酸异戊酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、苯甲酸丁酯、苯甲酸异戊酯、苯乙酸甲酯和苯乙酸乙酯中的至少一种。优选为乙酸异戊酯或者乙酸丁酯。
需要说明的是,本发明中使用的术语“苯乙烯-顺酐共聚物”是指,使用了含有苯乙烯和顺酐作为共聚单体进行光引发共聚得到的共聚物,其中,共聚单体可以为并非仅限于苯乙烯和顺酐两者,只要是能够与苯乙烯、顺酐一同进行光引发聚合的单体,就可以包含在其中。
在某些实施方式中,前述共聚单体中还可以进一步含有其他能够一起进行光引发聚合的单体。例如,含有α-甲基苯乙烯和醋酸乙烯酯作为共聚单体。在含有α-甲基苯乙烯和醋酸乙烯酯的情况下,相对于共聚单体的总重量,以质量百分比计,顺酐的含量为例如40~50%,苯乙烯的含量为10~20%,α-甲基苯乙烯的含量为10~20%,醋酸乙烯酯的含量为20~30%。
本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液在进行光引发聚合反应时,需要先将反应体系置换为惰性气体气氛,例如氮气气氛。
[苯乙烯-顺酐共聚物的制备方法],
本发明的苯乙烯-顺酐共聚物的制备方法包括下述步骤:
准备步骤:将前述的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液置于惰性气体气氛中;
光引发聚合步骤:在惰性气体的保护下对前述母液进行光照射,使其发生光引发聚合反应,生成苯乙烯-顺酐共聚物,得到含有苯乙烯-顺酐共聚物的乳状悬浮液的步骤;
分离步骤:前述光引发聚合反应步骤结束后,将得到的苯乙烯-顺酐共聚物乳状悬浮液分离,得到苯乙烯-顺酐共聚物沉淀的步骤。
现有技术中使用的热引发聚合是制备聚合物的常规方法,通过热引发剂加热分解产生自由基来引发共聚单体的聚合。对于苯乙烯-顺酐共聚物的制备,通常使用的热引发剂主要是偶氮二异丁腈,过氧化二苯甲酰等,这些热引发剂的热分解温度在70~90℃,在该温度范围下这两类引发剂热分解的半衰期在5~12小时。例如偶氮二异丁腈和过氧化二苯甲酰在69℃下的半衰期分别为5.08小时、13.25小时。因此,热引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物时必须加热整个聚合体系并保持足够长的时间才能保证足够的自由基的产生以及聚合物制备的产率,反应过程中能源消耗高,耗时高导致反应效率难以提高。另外,高温反应存在一定安全隐患,有爆聚冲釜的危险。
本发明人等创新性地想到将光引发聚合引入苯乙烯-顺酐共聚物的制备体系中。对于苯乙烯-顺酐共聚物的制备体系,由于光聚合所需的反应时间比热聚合过程大大缩短,使得反应效率能够大幅提升。另外,光引发聚合是通过光照使光引发剂分子发生光解产生自由基从而引发单体聚合的反应。光解的效率比热分解效率提高很多倍,因此能耗大大降低,能够节约成本、更环保。
下面,以365nmLED发射的光子为例说明光聚合相对于热引发聚合反应的效率提高及能耗节省的效果。
假设光解的量子产率是0.5(也就是两个光子才能分解一个光引发剂,实际上效率可能更高),则分解1mol光引发剂需要2mol光子。每个光子的能量是普朗克常数和光子波动频率的乘积,因此,2mol光子的能量E为:
E=2*NA*h*c/λ
其中,NA是阿伏伽德罗常数,h是普朗克产生,c是光速,λ是波长,此处取365nm。
因此,E=2×6.02×1023×6.626×10-34×3×108/(365×10-9)=6.5×105焦耳=650千焦。也即,分解2mol光引发剂只需650千焦能量。假设光源功率为1kW,则只需光照650秒,不到11分钟就可以光解所有光引发剂,对应电能消耗约0.18度电,LED光源光电转换效率在365nm为约30%,在385nm处达到60%以上,由此计算,整个过程耗电小于1度。实际聚合过程中,这个过程可以适当放慢,从而控制反应进程,例如光照30分钟。也可以用更弱的光强也能达到同样的效果,因为光激发只与光子的波长有关,而与光强无关。
同样情况下,按照热引发剂的重量为总单体质量的1%,整个单体占聚合体系重量含量20%来计算,以偶氮二异丁腈为例,其分子量为164.21,2mol为328.4克,那么需要单体体系为32.8公斤,整个体系为164公斤。以乙酸异戊酯的比热1.92KJ/(kg·K)计算,从室温20℃加热到70℃,需要的能量为:
E=c*m*ΔT=1.92*164*50=15744千焦耳。这只是升温需要的能量,还不包括保温5~12小时需要消耗的能量。
从上面的分析可以说明,通过在苯乙烯-顺酐共聚物的制备中引入光引发聚合,无论是反应时间还是反应所需要的能量都大大降低。因此,相对与现有技术的苯乙烯-顺酐共聚物的热引发聚合的制备方法,本发明的苯乙烯-顺酐共聚物的制备方法能够大幅提高反应效率,更环保节能,从而也能大幅降低成本,更适合工业应用。
下面,对各个步骤进行详细说明。
[准备步骤]
在准备步骤中,将前述的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液置于惰性气体气氛中。这里的“置于惰性气体气氛”是指,在反应体系中通入惰性气体置换一定时间,使得体系内为惰性气体气氛。
前述的惰性气氛可以列举出例如氦气气氛、氮气气氛等,从节约成本的角度考虑,优选为氮气气氛。
[光引发聚合步骤]
光引发聚合步骤中,在惰性气体的保护下,对前述的准备步骤获得的均相溶液进行光照射,使其发生光引发聚合反应,生成苯乙烯-顺酐共聚物。
前述的光引发聚合步骤中,聚合反应通过照射光引发。通过对反应体系照射光,体系中的光引发剂受到光照射后产生自由基或者阳离子等活性种,引发反应体系中的共聚单体发生链式聚合反应,反应生成的共聚物从反应体系中沉淀出来,属于沉淀聚合,也称为非均相聚合。
下面以使用光解型光引发剂的α-羟基酮类光引发剂1173作为光引发剂为例,说明光引发聚合的原理。使用365nm或者385nm的LED作为光源,对经过准备步骤得到的母液进行光照射。其中的作为光引发剂的α-羟基酮类光引发剂1173分子受到光照射,发生如下的反应式(1)所示的均裂反应,生成两个高活性的自由基,进一步,生成的自由基进攻共聚单体的双键,从而引发链式反应,生成苯乙烯-顺酐共聚物。前述链式反应的过程是本领域技术人员所熟知的,此处省略其说明。
反应式(1):光引发剂1173的均裂反应产生自由基的机理
使用夺氢型光引发剂的情况下,首先,作为主引发剂的例如ITX在光的照射的条件下,通过夺氢反应从作为助引发剂的例如MDEA中得到一个质子,同时作为助引发剂的MDEA形成对应的自由基,有非常高的引发活性,引发单体聚合。具体如下述的反应式(2)所示。
反应式(2):夺氢型光引发剂ITX光照下产生自由基的机理
前述光引发聚合步骤中所使用的光源没有特别的限定,可以使用紫外或可见波长范围的光。优选使用LED灯。
光照的条件,例如光源面积、光强度及光照时间可以根据制备时的体系规模来适宜设定,只要能够激发光引发剂使其裂解。由于链式反应开始后会自发地继续进行,光照射并非一定是连续地,也可以是间断地进行。
所使用的光源的波长可以为例如365nm~405nm。例如,可以使用波长为365nm、385nm、395nm或者405nm的光。更优选使用365nm或者385nm的光。
前述光源可以为面光源,也可以为点光源,优选为面光源。光照射的时间可以为例如10分钟~3小时,光照强度可以为例如10毫瓦/平方厘米~1000毫瓦/平方厘米。
前述光引发聚合反应在惰性气氛中进行,优选为在氮气气氛中进行。
由于聚合反应是放热反应,随着反应的进行,反应体系中会不断积累反应放出的热,使得体系温度不断升高。
根据所使用的反应体系的规模,优选地,在光引发聚合步骤中,控制反应体系的温度为20~40℃,更优选控制为25~30℃。通过控制反应体系的温度为前述范围,避免反应温度升高破坏单体的络合,进而影响到制备的共聚物的结构和性能;另一方面,通过控制反应体系的温度为前述范围,生成的聚合物达到一定的分子量后会沉淀析出,避免反应温度升高导致生成的共聚物的溶解度增大从而不容易从反应体系中沉淀出来。进而,通过控制反应体系的温度为前述范围,避免由于温度波动较大导致共聚物的分子量分布增宽。
前述反应体系的温度控制可以通过例如冷凝水的循环等低温循环进行控制,没有特别的限定。
前述的光引发聚合步骤中,为了使得反应体系的温度均匀,可以边搅拌边进行光照射进行反应。前述的搅拌可以是机械搅拌或者磁力搅拌,没有特别的限定。通过搅拌,可以将被共聚物沉淀遮挡的反应液暴露到能够被光照射到的地方,从而使得未反应的单体继续反应。随着反应的进行,反应体系逐渐变为白色的悬浮体系,到一定程度后,生成的共聚物的量增多,使得体系难以继续吸收光从而光聚合,此时结束反应。
通过前述的光引发聚合步骤,反应生成苯乙烯-顺酐共聚物,得到含有苯乙烯-顺酐共聚物的乳状悬浮液。
[分离步骤]
前述光聚合反应步骤结束后,将得到的乳状悬浮液中的苯乙烯-顺酐共聚物分离出来,得到苯乙烯-顺酐共聚物的沉淀。
前述的分离可以采用现有技术中常规的沉淀分离、过滤分离、或者离心分离等固液分离方式,优选采用离心分离。采用离心分离时,离心转速可以设定为例如1000~3000rad/min,离心时间可以为例如10~30min。
进一步,本发明的制备方法中,还可以包含下述的步骤:
原料补充步骤:在分离步骤之后,向分离了苯乙烯-顺酐共聚物之后剩余的反应液中补充共聚单体以及光引发剂。关于补充的共聚单体以及光引发剂的量,根据通过气相色谱测定的回收的剩余的反应液中单体及光引发剂的浓度,计算出反应消耗掉的相应的单体及光引发剂的量,即为需要补充的单体及光引发剂的量。
前述原料补充步骤之后,继续进行前述光引发聚合步骤以及前述分离步骤。
前述的分离步骤之后,通过向剩余的反应液中补充共聚单体以及光引发剂,可以继续在光照射的条件下进行光引发聚合反应。然后,可以继续进行分离步骤。
通过循环进行前述的原料补充步骤、光引发步骤以及分离步骤,可以将有机溶剂多次重复利用,从而避免反应中产生大量的有机废液,并且固体废弃物也很少。
需要说明的是,前述的光引发聚合中,也会产生少量分子量较低的低聚物,它们溶解在有机溶剂,例如乙酸异戊酯、乙酸丁酯等中。因此,在前述的原料补充步骤、光引发步骤以及分离步骤往复循环多次之后,这些低聚物的浓度增加,从而影响共聚单体的光聚合,这种情况下,结束前述循环。前述的循环次数可以为例如2~10次,优选为2~5次。
进一步地,本发明的制备方法中,还可以包括下述步骤:
脱挥步骤:将前述分离步骤中分离出的苯乙烯-顺酐共聚物中可挥发成分去除的步骤。前述的脱挥步骤可以通过例如干燥、抽真空等进行。进一步,可以利用有机溶剂进行洗涤,前述有机溶剂可以为例如乙酸丁酯等。前述的洗涤可以进行一次或者多次。
本发明的制备方法制备得到的苯乙烯-顺酐共聚物具有良好的耐热性,可以作为耐热改性剂应用到聚合物中,例如,可以作为聚丙烯的耐热改性剂。
[用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备]
本发明的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备包括配料釜、光引发聚合釜、溶脱釜、脱挥釜以及接收槽。
配料釜用于配制前述的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液,配料釜的出料口连接光引发聚合釜的进料口。
光引发聚合釜用于发生光引发聚合反应,配置有光源,光引发聚合釜的出料口连接溶脱釜的进料口。
溶脱釜用于将光引发聚合釜中反应后得到的产物分离为苯乙烯-顺酐共聚物沉淀及其余物料,溶脱釜具有沉淀出料口及溶剂出料口,沉淀出料口连接脱挥釜,溶剂出料口连接接收槽,分离的苯乙烯-顺酐共聚物沉淀经过沉淀出料口进入脱挥釜,其余物料经过溶剂出料口进入接收槽。
脱挥釜用于去除苯乙烯-顺酐共聚物沉淀中的残余溶剂,脱挥釜与接收槽连接。
图2示出了用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备的一个例子。如图2所示,该设备包括依次连接的配料釜1、光引发聚合釜2、溶脱釜3和脱挥釜4。配料釜1的底部出料口连接聚合釜2的顶部进料口,聚合釜2的底部出料口连接溶脱釜3的顶部进料口,溶脱釜3的底部出料口连接脱挥釜4的顶部进料口。为了便于物料混合均匀,在配料釜1、聚合釜2、溶脱釜3和脱挥釜4内均设有搅拌装置。为了便于计量,可以在配料釜1和聚合釜2之间设置计量泵14,在聚合釜2与溶脱釜3之间设置计量泵15,在溶脱釜3与脱挥釜4之间设置有计量泵16。
使用图2所示的设备制备本发明的苯乙烯-顺酐共聚物时,在配料釜1中配置适量的本发明的用于光引发制备聚合苯乙烯-顺酐共聚物的母液,可以直接导入配制好的母液,也可以在配料釜1中加入母液所需的各成分来制备。然后边搅拌边导入氮气,将配料釜1中的体系置换为氮气气氛。然后通过计量泵14将一定量的母液导入光引发聚合釜2中,边搅拌边在氮气的保护下,对光引发聚合釜2中的反应液进行光照射。作为进行光照射的光源(未图示),可以设置在光引发聚合釜2中,也可以设置在光引发聚合釜2之外,光照射时,透过光引发聚合釜2对反应体系进行照射。从光引发聚合釜2之外进行照射的情况下,光引发聚合釜2可以设置能够透过照射光的透光窗口(未图示),该透光窗口采用能够透过照射光的材质制成,例如石英等,或者,光引发聚合釜2本身为石英材质。通过前述的光照射,使得光引发聚合釜2中的光引发剂发生反应,引发光聚合反应。反应结束后,将反应后的物料导入溶脱釜3中。在溶脱釜3中使得反应生成的共聚物与其他成分分离。可以利用反应生成的共聚物自身沉淀的特性,从设置于溶脱釜3的下方的沉淀出料口将生成的共聚物直接导出到脱挥釜4中。另外,也可以在溶脱釜3中设置离心机(未示出)或者其他分离装置,如过滤装置等进行分离。分离后的共聚物从溶脱釜3的下方的沉淀出料口导出到脱挥釜4中。另外,溶脱釜3中,分离出共聚物后剩余的物料可以返回到光引发聚合釜2中,作为下一次光引发聚合反应的原料。在脱挥釜4中,通过加热使得分离出的共聚物中的可挥发成分从上部排出,排出的可挥发成分遇冷冷凝后进入接收槽11。
一些实施方式中,如图3所示,在图2所示装置的基础上,接收槽11还与配料釜1连接,并且,在接收槽11与配料釜1之间设置有溶剂泵13,通过溶剂泵13将接收槽11中接收到的溶剂泵入配料釜1中作为原料用于配置下一次光引发聚合的母液。
一些实施方式中,光引发聚合釜2还配置有冷却装置(未图示),通过冷却装置,控制光引发聚合釜2的反应体系的温度为20~40℃,更优选控制为25~30℃。
实施例
实施例1
将104质量份苯乙烯,98质量份马来酸酐(顺酐)、2质量份光引发剂184加入800质量份的乙酸丁酯中,搅拌混合均匀,形成均相溶液,得到用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液A。
实施例2
将156质量份苯乙烯,98质量份马来酸酐和2质量份光引发剂184加入到1000质量份乙酸异戊酯中,搅拌混合均匀,形成均相溶液,得到用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液B。
实施例3
将实施例1中得到的1000g母液A加入到图2所示设备的配料釜1中,置换为氮气气氛后,通过泵14导入到光引发聚合釜2中,光引发聚合釜2由石英制成。鼓入氮气15分钟后,将中心波长为385nm的LED面光源贴近光引发聚合釜2,直接照射釜中的溶液,光强约为50mW/cm2,边在氮气气氛下进行光照射边进行搅拌,持续15分钟,过程中聚合体系的温度最高上升到50℃,然后将整个反应体系的物料导入到溶脱釜中,用离心机分离得到的共聚物沉淀,再用新的乙酸丁酯洗涤一次,将离心、洗涤后的共聚物沉淀通过泵16导入脱挥釜中,在脱挥釜中,对共聚物沉淀进行加热干燥,得到的白色固体粉末124g。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂184剩余量为23%。用1H NMR表征得到的聚合物,示于附图1中。通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,可以得到聚合物中苯乙烯和马来酸酐的摩尔比约为1:1,和投料比一致。
实施例4
采用图3所示设备进行制备。
首先,与实施例3一样地进行制备,在制备完成后,将前述制备过程中在溶脱釜3中离心、洗涤后的离心液和洗涤液共650克导入接收槽后,补加到配料釜1中,然后向配料釜1中补加64克苯乙烯,60克马来酸酐(顺酐)和1.5克光引发剂184,和226克乙酸丁酯,搅拌溶解,鼓入氮气15分钟后导入光引发聚合釜2中,在光引发聚合釜2中,将中心波长为385nm的LED面光源贴近石英烧瓶表面,直接照射瓶中的溶液,光强约为50mW/cm2,边在氮气气氛下进行光照射边进行搅拌,持续15分钟,过程中聚合体系的温度最高上升到50℃。用离心机分离得到的沉淀,再用新的乙酸丁酯洗涤一次,将离心、洗涤后的共聚物沉淀通过泵16导入脱挥釜中,在脱挥釜中,对共聚物沉淀进行加热干燥,烘干,得到白色固体粉末120克。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂184剩余量为25%,用1HNMR表征得到的聚合物,通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,可以得到聚合物中苯乙烯和马来酸酐的摩尔比约为1∶1,和投料比一致。
实施例5
将实施例1中得到的1004g母液A加入到图2所示设备的配料釜1中,置换为氮气气氛后,通过泵14导入到光引发聚合釜2中,光引发聚合釜2由石英制成,并置于温度控制在0~10℃的冰水浴中。向光引发聚合釜2中鼓入氮气15分钟后,将中心波长为385nm的LED面光源贴近光引发聚合釜2,直接照射釜中的溶液,光强约为50mW/cm2,边在氮气气氛下进行光照射边进行搅拌,持续15分钟,过程中聚合体系的温度最高上升到26℃,然后将整个反应体系的物料导入到溶脱釜中,用离心机分离得到的共聚物沉淀,再用新的乙酸丁酯洗涤一次,将离心、洗涤后的共聚物沉淀通过泵16导入脱挥釜中,在脱挥釜中,对共聚物沉淀进行加热干燥,得到的白色固体粉末134g。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂184剩余量为22%。用1H NMR表征得到的聚合物,通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,可以得到聚合物中苯乙烯和马来酸酐的摩尔比约为1∶1,和投料比一致。
实施例6
将实施例2中得到的1000g母液B加入到图2所示设备的配料釜1中,置换为氮气气氛后,通过泵14导入到光引发聚合釜2中,光引发聚合釜2由石英制成,并置于温度控制在0~10℃的冰水浴中。向光引发聚合釜2中鼓入氮气15分钟后,将中心波长为385nm的LED面光源贴近光引发聚合釜2,直接照射釜中的溶液,光强约为50mW/cm2,边在氮气气氛下进行光照射边进行搅拌,持续15分钟,过程中聚合体系的温度最高上升到28℃,然后将整个反应体系的物料导入到溶脱釜中,用离心机分离得到的共聚物沉淀,再用新的乙酸丁酯洗涤一次,将离心、洗涤后的共聚物沉淀通过泵16导入脱挥釜中,在脱挥釜中,对共聚物沉淀进行加热干燥,得到的白色固体粉末147g。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂184剩余量为20%。用1H NMR表征得到的聚合物,通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,可以得到聚合物中苯乙烯和马来酸酐的摩尔比约为1.4:1,与投料比稍低。
实施例7
在前述实施例的基础上,改变母液中引发剂的种类与含量、单体的比例、单体占总体系的比例,并且改变光源的中心波长和光强,制备得到下述的苯乙烯-顺酐共聚物沉淀。具体的配方和操作细节和产率见表1。
表1.各种配方与光源信息及相关的实施例的聚合物收率
A:乙酸丁酯;B:乙酸异戊酯;C丙酸丙酯;D:丙酸丁酯;E:丁酸乙酯
实施例8(母液C的制备)
将20.8质量份苯乙烯,98质量份马来酸酐、23.6质量份α-甲基苯乙烯,51.6质量份醋酸乙烯酯和2质量份光引发剂907,加入800质量份乙酸异戊酯中,搅拌混合均匀,形成均相溶液,得到用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液C。
实施例9
将实施例8中得到的1000g母液C加入到图2所示设备的配料釜1中,置换为氮气气氛后,通过泵14导入到光引发聚合釜2中,光引发聚合釜2由不锈钢制成,带有石英制成的光照射窗口。向光引发聚合釜2中鼓入氮气15分钟后,将中心波长为385nm的LED面光源透过光照射窗口对光引发聚合釜2内部的反应体系进行照射,光强约为50mW/cm2,边在氮气气氛下进行光照射边进行搅拌,持续15分钟,过程中聚合体系的温度最高上升到39℃,然后将整个反应体系的物料导入到溶脱釜中,用离心机分离得到的共聚物沉淀,再用新的等体积的乙酸异戊酯洗涤一次,将离心、洗涤后的共聚物沉淀通过泵16导入脱挥釜中,在脱挥釜中,对共聚物沉淀进行加热干燥,得到的白色固体粉末153g。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂907剩余量为22%。用1H NMR表征得到的聚合物,通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,在结合α-甲基苯乙烯中甲基的特征吸收和醋酸乙烯酯中的甲基的特征吸收,可以得到聚合物中苯乙烯、马来酸酐、α-甲基苯乙烯、醋酸乙烯酯的摩尔比与投料比一致。
实施例10
除了将光引发聚合釜2置于温度控制在0~10℃的冰水浴中之外,其余与实施例9同样地进行。光引发聚合反应过程中聚合体系的温度最高上升到28℃,对共聚物沉淀后加热干燥,得到白色固体粉末160g。用气相色谱标定离心液与洗涤液混合物中的光引发剂的浓度,测得引发剂907剩余量为23%。用1H NMR表征得到的聚合物,通过计算6-8ppm区域的苯环氢的积分面积和1-4ppm区域主链氢的积分面积,在结合α-甲基苯乙烯中甲基的特征吸收和醋酸乙烯酯中的甲基的特征吸收,可以得到聚合物中苯乙烯、马来酸酐、α-甲基苯乙烯、醋酸乙烯酯的摩尔比与投料比一致。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐共聚物的母液,其特征在于,含有:共聚单体、光引发剂以及有机溶剂,
相对于所述母液的总重量,所述共聚单体的质量百分比合计为5~30wt%,
所述光引发剂相对于所述共聚单体的质量百分比为0.2~4.0wt%,
所述共聚单体中含有苯乙烯和顺酐,苯乙烯与顺酐的摩尔比为1:1~1.5:1。
2.根据权利要求1所述的母液,其中,所述光引发剂为光解型引发剂和/或夺氢型光引发剂。
4.根据权利要求1~3的任一项所述的母液,其中,所述有机溶剂为选自乙酸丁酯、乙酸异丁酯、乙酸仲丁酯、乙酸戊酯、乙酸异戊酯、乙酸苄酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丁酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸异戊酯、异戊酸乙酯、异戊酸异戊酯、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、苯甲酸丁酯、苯甲酸异戊酯、苯乙酸甲酯和苯乙酸乙酯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的母液,其中,所述共聚单体中还含有α-甲基苯乙烯和醋酸乙烯酯,相对于所述共聚单体的总重量,以质量百分比计,顺酐的含量为40~50%,苯乙烯的含量为10~20%,α-甲基苯乙烯的含量为10~20%,醋酸乙烯酯的含量为20~30%。
6.一种苯乙烯-顺酐共聚物的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
准备步骤:将权利要求1~5的任一项所述的母液置于惰性气体气氛中;
光引发聚合步骤:在惰性气体的保护下对所述母液进行光照射,使其发生光引发聚合反应,生成苯乙烯-顺酐共聚物,得到含有苯乙烯-顺酐共聚物的乳状悬浮液的步骤;
分离步骤:所述光引发聚合反应步骤结束后,将得到的苯乙烯-顺酐共聚物乳状悬浮液分离,得到苯乙烯-顺酐共聚物沉淀的步骤。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其中,所述光引发聚合步骤中,控制反应温度为20~40摄氏度。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其中,所述光引发聚合步骤中照射的光为LED光,波长为365nm~405nm,照射时间为10分钟~3小时,光照强度为10毫瓦/平方厘米~1000毫瓦/平方厘米。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其还包括下述步骤:
原料补充步骤:在所述分离步骤之后,向分离了所述苯乙烯-顺酐共聚物沉淀之后剩余的反应液中补充共聚单体以及光引发剂;
所述原料补充步骤之后,继续进行所述光引发聚合步骤、所述分离步骤。
10.一种用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备,其特征在于,包括配料釜、光引发聚合釜、溶脱釜、脱挥釜以及接收槽,
所述配料釜用于配制权利要求1~5的任一项所述的母液,所述配料釜的出料口连接所述光引发聚合釜的进料口,
所述光聚合釜用于发生光引发聚合反应,配置有光源,所述光引发聚合釜的出料口连接所述溶脱釜的进料口,
所述溶脱釜用于将所述光引发聚合釜中反应后得到的产物分离为苯乙烯-顺酐共聚物沉淀及其余物料,所述溶脱釜具有沉淀出料口及溶剂出料口,所述沉淀出料口连接所述脱挥釜,所述溶剂出料口连接所述接收槽,分离的所述苯乙烯-顺酐共聚物沉淀经过沉淀出料口进入所述脱挥釜,所述其余物料经过所述溶剂出料口进入所述接收槽;
所述脱挥釜用于去除所述苯乙烯-顺酐共聚物沉淀中的残余溶剂,所述脱挥釜与所述接收槽连接。
11.根据权利要求10所述的用于光引发聚合制备苯乙烯-顺酐树脂的设备,其特征在于,所述光引发聚合釜中配置有石英玻璃窗口,用于透过所述光源照射的光。
12.根据权利要求10所述的设备,其特征在于,所述接收槽连接所述配料釜,所述接收槽与所述配料釜的连接路径上设置有泵,所述泵用于将接收槽中的溶剂泵入所述配料釜中。
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