CN1158313C - 制备酐类聚合物的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种使用过氧化二烷基/胺类化合物引发剂体系在芳烃溶剂中制备酐类聚合物的方法。与常规的引发剂体系相比,胺类化合物使得更有效地使用游离基引发剂,同时达到高单体转化率,特别是在制备马来酐聚合物时。
Description
本发明涉及一种制备酐类聚合物,特别是聚(马来酐)的改进方法。具体而言,本发明涉及在聚合过程中使用胺,该胺能更有效地使用游离基引发剂达到马来酐的高单体转化率。
低分子量的水解聚(马来酐)聚合物及其盐作为分散剂,防垢剂,洗涤添加剂和螯合剂是众所周知的;通常来说,分子量低于约2000对这些应用是常见的。以往的使用芳烃溶剂如甲苯和二甲苯制备聚(马来酐)的方法使用大量游离基引发剂,但最终聚合物含有显著量的未聚合马来酐。改进聚合效率的尝试包括使用在二甲苯中的过氧化二叔丁基引发剂和以不混溶相对聚(马来酐)进行温度依赖性分离(USP3,919,258),使用过氧酸酯引发剂(USP4,818,795)和用有限的引发剂浓度在二甲苯中进行稀溶液聚合(USP5,077,364)。然而,这些方法仍不能使易得引发剂的有效使用与高单体转化率相结合。
本发明试图通过提供一种使用低浓度引发剂同时提供高单体转化率的有效聚合方法来克服用来制备聚(马来酐)的现有技术方法所具有的问题。
根据本发明的第一方面,提供了一种制备酐类聚合物的聚合方法,包括在(a)芳烃,(b)基于单体重量为3-30wt%的过氧化二烷基和(c)基于单体重量为0.01-3wt%的胺类化合物存在下聚合选自一种或多种如下单体的单体:马来酐、柠康酐、衣康酸酐、1,2,3,6-四氢邻苯二甲酸酐、5-降冰片烯-1,2-二羧酸酐、双环〔2.2.2〕-5-辛烯-2,3-二羧酸酐、3-甲基-1,2,6-四氢邻苯二甲酸酐和2-甲基-1,3,6-四氢邻苯二甲酸酐,直到90wt%以上的酐类单体已转化为聚合物。
在另一方面,本发明提供了一种上述方法,其中胺类化合物选自二丁胺,乙基己基胺,甲基二丁胺,乙二胺,二亚乙基三胺,正辛胺,1,1,3,3-四甲基丁胺和二甲基苯胺中的一种或多种。
在本发明的方法中,酐类在芳烃或其混合物中聚合。合适的芳烃包括例如苯和甲苯;(C8)芳烃如乙苯和二甲苯(邻、间和对位异构体);(C9)芳烃如丙基苯,异丙基苯(也称枯烯),乙基甲苯(邻、间和对位异构体),三甲基苯(1,2,4-三甲基苯,或假枯烯,1,3,5-三甲基苯或)和1,2-二氢化茚;(C10)芳烃如二乙基苯(邻、间和对位异构体),异丙基甲苯(邻、间和对位异构体,也称繖花烃),丁基苯(正丁基、仲丁基、异丁基和叔丁基),1,2,3,4-四氢化萘,乙基二甲基苯,萘,异杜烯和杜烯;(C11-C14)芳烃如甲基萘,二甲基萘,乙基萘,二甲基-1,2-二氢化茚,联苯和二异丙苯(邻、间和对位异构体)。优选的芳烃为甲苯,乙苯、邻二甲苯、间二甲苯,对二甲苯和其混合物。
任意性可有可无地,可以将其他溶剂与芳烃溶剂组合使用,例如卤代芳烃如氯苯;(C8-C12)非芳香烃(支化和线性);封端乙二醇醚如二甘醇的(C1-C4)烷基二醚;1-甲基-2-吡咯烷酮。该任意性可有可无的溶剂的用量优选低于50%,更优选低于20%,最优选低于10%,以所用溶剂的总重为基准计。可以使用该任意性可有可无的溶剂,只要它们不显著影响酐类聚合或酐类单体在聚合介质中的溶解性。
可由本发明方法聚合的酐类包括例如马来酐,柠康酐,衣康酸酐,1,2,3,6-四氢化邻苯二甲酸酐,5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐,双环〔2.2.2〕-5-辛烯-2,3-二羧酸酐,3-甲基-1,2,6-四氢化邻苯二甲酸酐,3,6-环氧-1,2,3,6-四氢化邻苯二甲酸酐,2-甲基-1,3,6-四氢化邻苯二甲酸酐及其混合物。优选该酐类单体基于单体总重量包含至少50wt%,更优选至少75wt%,最优选至少90wt%的马来酐。
任意性可有可无地,其他单体可与该酐类单体一起聚合,例如丙烯酸,甲基丙烯酸,乙酸乙烯酯,苯乙烯,(甲基)丙烯酸(C1-C4)烷基酯,烷基取代的(甲基)丙烯酰胺和乙烯基醚。该任意性可有可无的单体用量基于单体总重量优选低于20%,更优选低于10%,最优选低于5%。可以使用该任意性可有可无的单体,只要它们不显著影响酐类聚合或酐类单体在聚合介质中的溶解性。
可用于本发明方法中的合适过氧化二烷基游离基引发剂包括例如过氧化二叔丁基,过氧化二叔戊基,4,4-二(叔丁基过氧)新戊酸叔丁酯,过氧化叔丁基·枯基和过氧化二枯基。优选的游离基引发剂是过氧化二叔丁基。本发明方法中游离基引发剂的用量基于酐类单体重量为3-30wt%,优选5-25wt%,更优选10-20wt%。本文中所用的术语“过氧化二烷基”指含过氧化二烷基键(R1-O-O-R2)的引发剂,其中R1和R2可相同或不同,且为取代的亚烷基或烷基;基团R1和R2可含有芳族或其他官能度(如酯键),只要它们不会不利地影响过氧化二烷基作为游离基引发剂的性能。
在本发明方法中,我们业已发现胺类化合物与游离基引发剂并用增加了酐类聚合效率,这是因为与常用的温度和引发剂浓度相比,胺类化合物使得温度和游离基引发剂的所用浓度降低,以提供高酐类单体转化率,即大于约90%,优选大于95%,最优选大于99%的单体转化率。使用胺类化合物来改进酐类游离基聚合效率是令人惊奇的,因为现有技术通常教导胺类化合物对游离基聚合有损害作用。例如,用过氧化苯甲酰使甲基丙烯酸甲酯聚合可用二甲基苯胺和其他芳族叔胺加速,但该聚合不能用脂族伯、仲和叔胺或芳族伯叔仲胺加速(J.Lal和R.Green,聚合物科学杂志(J.Polymer Science),Vol XVII,pp403-409(1955));还公开了用过氧化苯甲酰使苯乙烯聚合也具有相似的效果。与这一教导相反,我们业已发现脂族伯、仲和叔胺提高了使用过氧化二烷基的酐类单体聚合速率;我们还观察到当在酐类单体的聚合中使用过氧化二酰基引发剂时不存在这一效应(见实施例27和28)。
合适的胺类化合物包括例如氨,(C1-C22)脂族胺和(C6-C20)芳族胺。合适的脂族胺包括例如伯、仲和叔烷基胺(支化或线性)如甲胺,二甲胺,三甲胺,丁胺,二丁胺,乙基己基胺,甲基二丁基胺,正辛胺,1,1,3,3-四甲基丁胺(也称叔辛胺),(C12-C14)叔烷基伯胺混合物,(C16-C22)叔烷基伯胺混合物;以及多胺如乙二胺,二亚乙基三胺,三亚乙基四胺和1,8-二氨基对烷。合适的芳族胺包括例如苯胺和二甲基苯胺。优选的胺类化合物是氨,二丁胺,乙基己基胺,甲基二丁基胺,乙二胺,二亚乙基三胺,正辛胺,1,1,3,3-四甲基丁胺和二甲基苯胺;更优选胺类化合物为正辛胺。本发明方法中胺类化合物的用量基于酐类单体重量为0.01-3wt%,优选0.05-2wt%,更优选0.1-1wt%。此外,优选的胺与游离基引发剂的重量比为0.001/1至0.5/1,更优选0.005/1至0.2/1,最优选0.01/1至0.1/1。
聚(酐)通过将酐类单体溶于芳烃中,然后通过加入一种或多种游离基引发剂和胺类化合物使之聚合而制备。酐在芳烃溶液中的浓度基于反应混合物的总重量一般为25-70wt%,优选30-60wt%,更优选35-55wt%。聚合可以使用一定范围的工艺变量进行。例如,所有反应试剂(酐、引发剂、胺类化合物)可以在芳烃溶剂中混合,加热到所需聚合温度,在聚合条件下保持到高单体转化率;然而,这类聚合要求较高的除热能力以适应聚合放热。
优选地,将酐类单体通过加热溶于芳烃中,然后在聚合温度下经一定时间(连续或间歇)加入引发剂和胺类化合物(任意性地溶于芳烃或惰性溶剂中);优选在加入游离基引发剂之前加胺类化合物到酐溶液中。或者,可以在将引发剂加入聚合反应器的相同时间里将一些或所有酐类单体(溶于芳烃中)加入聚合反应器中。在本发明的另一实施方案中,在大部分酐类单体已经聚合后(第一阶段),例如大于75%,优选大于约85%的酐转化率,可以往聚合反应器中加入额外的引发剂,以使聚合完全(第二阶段或后聚合),即大于约95%,更优选大于99%的酐转化率;额外的引发剂可以在第二阶段单独使用,或者可以将额外的胺类化合物与该额外的引发剂一起加入。在第一阶段优选使用总引发剂的50-100%,更优选50-75%,最优选50-60%,其余的用于第二阶段。在第一阶段优选使用总胺的75-100%,更优选90-100%,其余的用于第二阶段。
聚合反应通常使用惰性气氛如氮气进行,聚合反应优选在所用芳烃溶剂的沸点附近或在该沸点下,即在回流条件下进行。通常,聚合温度可高达所用芳烃溶剂的沸点,例如80-180℃,优选110-165℃,更优选120-150℃,最优选130-145℃,但在使用较高温度时聚合反应可在加压下进行。聚合反应(包括单体和引发剂进料以及停留时间)通常运行约2-10小时,优选3-6小时,或直到达到所需的单体转化率,例如直到至少90%,优选至少95%,更优选至少97%,最优选至少99%的酐类单体转化成聚合物。正如本领域熟练技术人员所知道的,反应时间和温度取决于引发剂和目标分子量的选择且可作相应变化。
聚(酐)产品可以聚(酐)分离或可水解成相应的酸或盐形式。当聚(羧酸)形式为所需产品时,可将水加到聚(酐)的芳烃溶液中或通过首先蒸馏从聚(酐)中除去大部分的芳烃,然后加入水。剩下的芳烃可由蒸汽蒸馏或共沸蒸馏在完成水解步骤的过程中除去。所得水解的聚(酐)水溶液然后可用碱,氨或胺中和,以提供聚(羧酸)的相应盐。或者,可在除去芳烃溶剂之前加入中和剂,然后在完成水解和中和的过程中进行相分离或蒸馏芳烃。有用的中和剂包括例如氢氧化钠,氢氧化钾,氢氧化铵,三乙醇胺,二甲氨基乙醇,乙醇胺和三甲基羟乙基氢氧化铵。优选的中和剂是氢氧化钠和氢氧化钾。
所得聚(羧酸)产品的分子量控制由所用引发剂的浓度和芳烃溶剂的链转移特性达到。本发明方法可用于提供含羧酸部分的低分子量水溶性聚合物。低分子量指重均分子量(Mw)低于5,000,优选低于2,000。所指分子量是由含水凝胶渗透色谱法(GPC)相对于Mw为2000的聚(丙烯酸)标准测得的。
在实施例和表中所用缩写如下所示,且具有相应的说明。
DBP=过氧化二叔丁基
LPO=过氧化月桂酰
DAP=过氧化二叔戊基
BDBV=4,4-二(叔丁基过氧)新戊酸叔丁酯
NOA=正辛胺
EDA=乙二胺
DETA=二亚乙基三胺
TMBA=1,1,3,3-四甲基丁胺
EHAm=乙基己基胺
DBAm=二丁胺
MBAm=甲基二丁基胺
DMAn=二甲基苯胺
本发明的一些实施方案详细描述于下列实施例中。除非另有说明,所有比例,份数和百分数(%)均以重量计,且除非另有说明,所有所用试剂均具有良好的商业级质量。用于使用过氧化二叔丁基使马来酐聚合中的反应参数和胺的类型及浓度总结于表1中。
实施例1(对比)
向一个装有机械搅拌器,顶部装有氮气导入管的回流冷凝器和热电偶的1升四颈烧瓶中加入200.00g马来酐和200.00g工业级二甲苯。用氮气使反应器惰性化后,将搅拌的溶液加热至回流(140-145℃),然后在2小时内逐渐加入溶于147.00g二甲苯中的40.00g过氧化二叔丁基(DBP)。然后使该溶液在回流下保持2小时。之后将反应器改装成真空蒸馏并蒸除二甲苯(227.7g)。将剩余的反应溶液冷却到100℃以下,加入100g去离子水。然后加热反应溶液至回流(103-107℃)并通过共沸蒸馏除去任何残余的二甲苯。再次冷却剩余的反应溶液到100℃以下,并用212.9g去离子水进一步稀释。最终的水溶液含8.5%残留的马来酸,对应于79%的转化率(基于马来酐)。
实施例2(对比)
向一个装有机械搅拌器,氮气导入管,热电偶和进料导管的2.5升Parr加压反应器(在400℃下为3.5×106帕斯卡(Pa)或500磅/平方英寸(psi))中加入200.40g马来酐和200.20g试剂级二甲苯。搅拌的溶液用氮气惰性化,置于温和真空(3.4×104pa或10psi真空)下,并加热至139-141℃,然后在60分钟内逐渐加入溶于24.40g二甲苯中的20.10gDBP。将该溶液保温2.5小时(反应器压力为1.3×105Pa或4psi),然后在36分钟内用180.55g二甲苯稀释。稀释后,在30分钟内于139-141℃下加入溶于27.60g二甲苯中的14.00g DBP,并在冷却至95℃之前再将溶液保温110分钟(反应器压力为1.3×105Pa或5psi)。向搅拌的溶液中缓慢加入200.0g蒸馏水。再将该溶液搅拌20分钟,冷却到75℃,分离水相和有机相。用50.0g蒸馏水洗涤二甲苯相两次,合并的水相在氮气吹扫下蒸馏,浓缩至重量为470.5g反应器水溶液。最终水溶液含有16%残留的马来酸,对应于68%的转化率(基于马来酐)。
实施例3
向一个装有机械搅拌器,顶部装有氮气导入管的回流冷凝器和热电偶的1升四颈烧瓶中加入200.00g马来酐和200.00g工业级二甲苯。在使反应器惰性化后,将反应器内容物加热至60℃以溶解马来酐,然后加入1.00g正辛胺(NOA)。然后加热搅拌的反应器内容物到回流(140-145℃)并在2小时内逐渐加入溶于167.00g二甲苯中的20.00g DBP。然后将该溶液保持回流2小时。将反应器改装为真空蒸馏并蒸出二甲苯(278.9g)。冷却剩下的反应溶液至100℃以下,加入100g去离子水。然后加热反应溶液至回流(103-107℃)并通过共沸蒸馏除去45g剩下的二甲苯。再次冷却剩下的反应溶液至100℃以下并用264.7g去离子水进一步稀释。最终水溶液不含可检测的马来酸(检测极限为0.1wt%),对应于至少99.8%的转化率(基于马来酐)。
实施例4
向一个装有机械搅拌器,氮气导入管,热电偶和进料导管的2.5升Parr加压反应器(在400℃下为3.5×106Pa或500psi)中加入400.10g马来酐,327.30g试剂级二甲苯和1.10g NOA。搅拌的溶液用氮气惰性化,置于温和真空(3.4×104Pa或10psi真空)下并加热到140℃,然后在60分钟内逐渐加入溶于48.00g二甲苯中的40.30g DBP。将该溶液在140-142℃下保持62分钟(反应器压力为1.1×105pa或2psi),然后在35分钟内用363.00g二甲苯稀释。稀释后,在140-142℃下在30分钟内加入溶于45.00g二甲苯中的28.20gDBP并将该溶液在冷却至95℃之前再保温(反应器压力为1.6×105Pa或8psi)60分钟。向搅拌的溶液中缓慢加入396.00g蒸馏水。再搅拌溶液15分钟,冷却至75℃并分离水相和有机相。用100.0g蒸馏水洗涤二甲苯相两次,合并的水相在氮气吹扫下蒸馏,浓缩至反应器水溶液重979.00g。最终的水溶液不含有可检测的马来酸(检测极限为0.1wt%),对应于至少99.8%的转化率(基于马来酐)。
实施例5-28
以类似于以上实施例中所述的方式,使用不同浓度和类型的引发剂以及不同浓度和类型的胺类化合物来制备聚(马来酸)。实施例1和2分别代表现有技术的一步和两步聚合方法。实施例3和4分别代表本发明的一步和两步聚合方法。实施例5-11代表本发明的一步聚合方法,以类似于实施例3中所述的方式进行;实施例12-23代表本发明的两步聚合方法,以类似于实施例4中所述的方式进行(不同的是实施例13,17,18和20-23在装有回流冷凝器的1升或2升多颈反应器中进行)。
实施例2A-2C说明温度对现有技术的两步聚合方法的影响,即在不存在胺类化合物下仅增加温度不能有效产生高单体转化率。实施例5-11说明低浓度的不同胺类化合物对一步聚合中单体转化率的有益影响。例如,实施例11说明在存在0.25%正辛胺时游离基引发剂可降为四分之一且仍能提供超过90%的单体转化率(与实施例1的79%转化率相比)。实施例12-23表明低浓度的不同胺类化合物对两步聚合中单体转化率的有益影响;例如,实施例21-23表明在存在0.06-0.25%正辛胺时,在较低温度下可达到超过95%的单体转化率(与实施例2的68%转化率相比)。
表1
实施例号
引发剂浓度
引发剂
胺浓度 b
胺
温度℃
转化率 c
1 20 DBP 0 ---- refle 79
2 17a DBP 0 ---- 145d 68
2A 17a DBP 0 ---- 140 58
2B 17a DBP 0 ---- 155d 82
2C 17a DBP 0 ---- 165d 93
3 10 DBP 0.5 NOA refle 99.8+
4 17a DBP 0.25 NOA 140d 99.8+
5 20 DBP 0.5 DBAm refle 99.8+
6 20 DBP 0.5 MBAm refle 99.8+
7 20 DBP 0.5 DMAn refle 99.8+
8 20 DBP 0.5 NOA refle 99.8+
9 20 DBP 0.25 NOA refle 99.8+
10 10 DBP 0.25 NOA refle 98.7
11 5 DBP 0.25 NOA refle 91
12 17a DBP 1 NH3 155d 99.8+
13 17a DBP 1 TMBA 140 99.4
14 17a DBP 1 TMBA 145d 99.8+
15 17a DBP 1 TMBA 155d 99.8+
16 17a DBP 0.5 EHAm 140d 99.6
17 15a DBP 0.25 EDA 140 99.8+
18 15a DBP 0.27 DETA 140 99.8+
19 17a DBP 0.5 NOA 140d 99.6
20 15a DBP 0.25 NOA 140 99.8+
21 15a DBP 0.25 NOA 130 96.8
22 17a DBP 0.125 NOA 140 99.8+
23 17a DBP 0.06 NOA 140 96
a=所用引发剂的重量百分数(基于单体),在聚合的第一阶段使用10%,剩余的5%或7%用于聚合的第二阶段。
b=所用胺的重量百分数(基于单体)
c=单体转化率,所用单体的重量百分数;99.8+表示残留马来酸低于可检测的分析极限,在溶液中低于0.1%。
d=加压或加盖的聚合反应器。
e=在回流条件(140-145℃)下运行。
表2说明使用过氧化二叔丁基以外的游离基引发剂的马来酐聚合。实施例24-26代表使用过氧化二烷基的聚合方法,以类似于实施例3中所述方式进行;实施例24和26表明在不存在胺类化合物时过氧化二烷基对马来酐转化率的影响;实施例25表明存在0.25%胺类化合物时过氧化二烷基浓度可降低50%,同时保持高单体转化率。实施例27代表现有技术中使用过氧化二酰基引发剂(过氧化月桂酰)的聚合方法,实施例28表明胺类化合物的存在对使用过氧化二酰基的聚合无有益影响,这与胺类化合物对酐类的过氧化二烷基聚合的有益影响相反(如实施例1-25所示)。
表2
实施
引发剂
引发剂
胺浓度 a
胺
温度,℃
转化率 b
例号
浓度
24 24 DAP 0 --- reflc 99.8+
25 12 DAP 0.25 NOA reflc 99.8+
26 20 BDBV 0 --- reflc 77
27 20 LPO 0 --- reflc 96
28 20 LPO 0.25 NOA reflc 94.5
a=所用胺的重量百分数(基于单体)
b=单体转化率,所用单体的重量百分数;99.8+表示残留马来酸低于可检测的分析极限,在溶液中低于1%。
c=在回流条件(140-145℃)下运行。
Claims (16)
1.一种制备酐类聚合物的聚合方法,包括在如下组分存在下聚合选自马来酐、柠康酐、衣康酸酐、1,2,3,6-四氢化邻苯二甲酸酐、5-降冰片烯-2,3-二羧酸酐、双环〔2.2.2〕-5-辛烯-2,3-二羧酸酐、3-甲基-1,2,6-四氢化邻苯二甲酸酐和2-甲基-1,3,6-四氢化邻苯二甲酸酐中的一种或多种直到大于90wt%的酐类单体转化为聚合物:
(a)一种芳烃,
(b)基于单体重量为3-30wt%的过氧化二烷基,和
(c)基于单体重量为0.01-3wt%的胺类化合物,该胺类化合物选自氨,(C1-C22)脂族胺和(C6-C20)芳族胺中的一种或多种。
2.根据权利要求1的方法,其中聚合反应在80-180℃的温度下进行。
3.根据权利要求1的方法,其中基于单体总重量单体包括至少90wt%马来酐。
4.根据权利要求1的方法,其中芳烃选自甲苯,C8芳烃,C9芳烃和C10芳烃中的一种或多种。
5.根据权利要求4的方法,其中C8芳烃选自乙苯,邻二甲苯,间二甲苯和对二甲苯中的一种或多种。
6.根据权利要求1的方法,其中胺类化合物选自二丁胺,乙基己基胺,甲基二丁基胺,乙二胺,二亚乙基三胺,正辛胺,1,1,3,3-四甲基丁胺和二甲基苯胺中的一种或多种。
7.根据权利要求1的方法,其中过氧化二烷基的用量基于单体重量为10-20wt%。
8.根据权利要求1的方法,其中胺类化合物的用量基于单体重量为0.1-1wt%。
9.根据权利要求1的方法,其中酐类聚合物的重均分子量低于2,000。
10.根据权利要求1的方法,其中酐的存在浓度基于反应混合物总重量为25-70wt%。
11.根据权利要求10的方法,其中所述浓度为30-60wt%。
12.根据权利要求1的方法,其中与酐类单体一起聚合的任意性可有可无的单体基于单体总重量低于20wt%。
13.根据权利要求12的方法,其中聚合的任意性可有可无的单体低于5wt%。
14.根据权利要求1的方法,其中大于95wt%的酐类单体转化为聚合物。
15.根据权利要求1的方法,其中胺类化合物与过氧化二烷基相互之间的重量比为0.001/1-0.5/1。
16.根据权利要求1的方法,其中过氧化二烷基选自过氧化二叔丁基、过氧化二叔戊基、4,4-二(叔丁基过氧)新戊酸叔丁酯、过氧化叔丁基·枯基和过氧化二枯基。
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