RU2811205C1 - Method of producing perfluorinated copolymer with sulfogroups - Google Patents
Method of producing perfluorinated copolymer with sulfogroups Download PDFInfo
- Publication number
- RU2811205C1 RU2811205C1 RU2023108632A RU2023108632A RU2811205C1 RU 2811205 C1 RU2811205 C1 RU 2811205C1 RU 2023108632 A RU2023108632 A RU 2023108632A RU 2023108632 A RU2023108632 A RU 2023108632A RU 2811205 C1 RU2811205 C1 RU 2811205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- atm
- methyl
- fluoride
- perfluoro
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области получения высокомолекулярных соединений, а именно, к способу получения перфторированного сополимера с сульфогруппами сополимеризацией перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонил фторида (СФ) и тетрафторэтилена (ТФЭ). Полученный сополимер находит широкое применение при получении мембран, в частности, для получения протон-проводящих мембран для топливных элементов (А.П. Коскин, Ю.В. Ларичев, А.И. Лысиков, О.Н. Примаченко, С.С. Иванчев, Синтез и исследование физико-химических и каталитических свойств композитов состава сульфатированный перфторполимер-углеродные нановолокна, Кинетика и катализ, 2017, 58, №5, с. 668-675; С.С. Иванчев, С.В. Мякин, Полимерные мембраны для топливных элементов: получение структура, модифицирование, свойства, Успехи химии, 79 (2), 2010, 117-134).The present invention relates to the field of production of high-molecular compounds, namely, to a method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups by copolymerization of perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride (SF) and tetrafluoroethylene (TFE). The resulting copolymer is widely used in the production of membranes, in particular, for the production of proton-conducting membranes for fuel cells (A.P. Koskin, Yu.V. Larichev, A.I. Lysikov, O.N. Primachenko, S.S. Ivanchev, Synthesis and study of the physicochemical and catalytic properties of composites of the composition sulfated perfluoropolymer-carbon nanofibers, Kinetics and Catalysis, 2017, 58, No. 5, pp. 668-675; S.S. Ivanchev, S.V. Myakin, Polymer membranes for fuel cells: obtaining structure, modification, properties, Advances in Chemistry, 79 (2), 2010, 117-134).
Известен способ получения целевого сополимера растворной сополимеризацией ТФЭ с СФ в среде перфтордиметилциклобутана, однако этот растворитель является дорогостоящим (US 3282875 А1, 01.11.1966) и труднодоступным.There is a known method for producing the target copolymer by solution copolymerization of TFE with SF in perfluorodimethylcyclobutane, but this solvent is expensive (US 3282875 A1, 01.11.1966) and difficult to obtain.
Известен способ получения (US 3528954, 15.09.1970) целевого сополимера в среде 1,1,2-трифтортрихлорэтана, (хладон-113 или R113), сополимеризацией ТФЭ с СФ по радикальному механизму, проводимый при температуре 40-50°С. В качестве инициатора полимеризации используют перфтордиацилпероксид, предпочтительно бис(перфторпропионил)пероксид. Давление в реакторе поддерживается постоянным до 20 атм за счет подпиток ТФЭ в ходе процесса полимеризации. Недостатками этого способа является то, что в качестве растворителя используется 1,1,2-трифтортрихлорэтан, (хладон-113 или R 113), который является озоноразрушающим соединением, выпуск которого запрещен, а также то, что в качестве инициатора полимеризации используется дорогостоящий бис(перфторпропионил)пероксид. Кроме того, процесс ведут при относительно высоком давлении 20 атм, что делает производство особо опасным.There is a known method for producing (US 3528954, 09.15.1970) the target copolymer in a medium of 1,1,2-trifluorotrichloroethane (freon-113 or R113), by copolymerization of TFE with SF according to a radical mechanism, carried out at a temperature of 40-50°C. Perfluorodiacyl peroxide, preferably bis(perfluoropropionyl) peroxide, is used as a polymerization initiator. The pressure in the reactor is maintained constant up to 20 atm due to TFE replenishment during the polymerization process. The disadvantages of this method are that 1,1,2-trifluorotrichloroethane (freon-113 or R 113) is used as a solvent, which is an ozone-depleting compound, the release of which is prohibited, and also that expensive bis( perfluoropropionyl) peroxide. In addition, the process is carried out at a relatively high pressure of 20 atm, which makes production particularly dangerous.
Известен способ получения получения перфторированного сополимера сополимеризацией ТФЭ с СФ в среде органического растворителя - 1,2-дихлоргексафторциклобутана с применением в качестве инициатора бис(перфторциклогексаноил)пероксида при давлении 2,5-5 атм (RU 2412208 С1, 20.02.2011). Недостатком данного способа является использование дорогостоящих растворителя и инициатора, а также технические сложности, связанные с удалением высококипящего растворителя и остатков инициатора с использованием на стадии очистки хлороформа.There is a known method for obtaining a perfluorinated copolymer by copolymerizing TFE with SF in an organic solvent - 1,2-dichlorohexafluorocyclobutane using bis(perfluorocyclohexanoyl) peroxide as an initiator at a pressure of 2.5-5 atm (RU 2412208 C1, 02/20/2011). The disadvantage of this method is the use of an expensive solvent and initiator, as well as technical difficulties associated with the removal of high-boiling solvent and initiator residues using chloroform at the purification stage.
Известен способ получения перфторированного сополимера с сульфогруппами сополимеризацией ТФЭ с СФ в среде органического растворителя - перфторметилдиэтиламина при температуре 50°С и давлении 2,5-5 атм с использованием в качестве инициатора бис(перфторциклогексаноил)пероксида. Недостатком данного способа является использование дорогостоящих растворителя и инициатора, а также технические сложности, связанные с удалением высококипящего растворителя и остатков инициатора с использованием на стадии очистки хлороформа (RU 2412948 С1, 27.02.2011).There is a known method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups by copolymerizing TFE with SF in an organic solvent - perfluoromethyldiethylamine at a temperature of 50°C and a pressure of 2.5-5 atm using bis(perfluorocyclohexanoyl) peroxide as an initiator. The disadvantage of this method is the use of an expensive solvent and initiator, as well as technical difficulties associated with removing a high-boiling solvent and residual initiator using chloroform at the purification stage (RU 2412948 C1, 02/27/2011).
Наиболее близким к предложенному является способ (С.С. Иванчев, В.С. Лихоманов, О.Н. Примаченко, С.Я. Хайкин, В.Г. Барабанов, А.Ю. Меньшикова, Н.Н. Шевченко, Особенности сополимеризации тетрафторэтилена с перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонил фторидом в водно-эмульсионной системе, Доклады Академии Наук, 2011, том 437, №3, с. 344-346) получения перфторированного сополимера с сульфогруппами водно-эмульсионной сополимеризацией ТФЭ и СФ в условиях термостатирования при 40°С в стальном реакторе, снабженном стандартной верхнеприводной якорной мешалкой, при рабочем давлении подаваемого в систему ТФЭ 0.5 МПа, контролируемом автоматически. В качестве эмульгатора использовали перфторнонаноат аммония в концентрации 7,8 ммоль/л водной фазы, в качестве инициатора - окислительно-восстановительную систему персульфат калия - метабисульфит натрия (концентрация персульфата калия 4,6 ммоль/л водной фазы). Для стабилизации рН вводили фосфатный буфер. Реакционную систему перед сополимеризацией подвергали предварительному диспергированию с помощью диспергатора типа "ротор-статор" при 10000 об/мин ротора в течение 15 мин при комнатной температуре. Способ позволяют получать сополимер с оптимальной для мембранных систем эквивалентной молекулярной массой в пределах 950-1100 г/моль при молекулярной массе порядка сотен тысяч (Показатель текучести расплава (ПТР)=5-50 г/10 мин, 270°С, нагрузка 21,2 Н при диаметре капилляра 2,095 мм). Выделение целевого сополимера в источнике не описано, выход сополимера не указан. Однако, как видно из сравнительного примера 5, приведенного в описании предлагаемого изобретения, в проведенных контрольных опытах выход сополимера не превышал 70% при относительно низкой степени конверсии СФ. При этом дорогостоящий исходный продукт СФ теряется безвозвратно. Недостатками известного способа является недостаточно высокий выход целевого продукта и непродуктивное использование СФ.The closest to the proposed method is (S.S. Ivanchev, V.S. Likhomanov, O.N. Primachenko, S.Ya. Khaikin, V.G. Barabanov, A.Yu. Menshikova, N.N. Shevchenko, Features copolymerization of tetrafluoroethylene with perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride in a water-emulsion system, Reports of the Academy of Sciences, 2011, volume 437, No. 3, pp. 344-346) obtaining a perfluorinated copolymer with sulfonic groups water-emulsion copolymerization of TFE and SF under thermostatic conditions at 40°C in a steel reactor equipped with a standard top-drive anchor mixer, with an operating pressure supplied to the TFE system of 0.5 MPa, controlled automatically. Ammonium perfluorononanoate was used as an emulsifier at a concentration of 7.8 mmol/l of the aqueous phase, and the redox system potassium persulfate - sodium metabisulfite was used as an initiator (potassium persulfate concentration 4.6 mmol/l of the aqueous phase). Phosphate buffer was introduced to stabilize the pH. Before copolymerization, the reaction system was subjected to preliminary dispersion using a rotor-stator type dispersant at 10,000 rotor rpm for 15 min at room temperature. The method makes it possible to obtain a copolymer with an equivalent molecular weight optimal for membrane systems in the range of 950-1100 g/mol with a molecular weight of the order of hundreds of thousands (Melt flow index (MFI) = 5-50 g/10 min, 270°C, load 21.2 N with a capillary diameter of 2.095 mm). The isolation of the target copolymer is not described in the source; the yield of the copolymer is not indicated. However, as can be seen from comparative example 5 given in the description of the invention, in the control experiments the copolymer yield did not exceed 70% at a relatively low degree of SF conversion. In this case, the expensive initial product of SF is lost irretrievably. The disadvantages of this known method are the insufficiently high yield of the target product and the unproductive use of SF.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа получения перфторированного сополимера с сульфогруппами, позволяющего повысить выход целевого продукта и степень конверсии СФ.The technical objective of the present invention is to create a method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups, which makes it possible to increase the yield of the target product and the degree of conversion of SF.
Поставленная техническая задача достигается предложенным способом получения перфторированного сополимера с сульфогруппами путем водно-эмульсионной сополимеризации перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторида и тетрафторэтилена в стальном реакторе, снабженном верхнеприводной якорной мешалкой, в присутствии в качестве инициатора - окислительно-восстановительной системы персульфат калия-метабисульфит натрия и эмульгатора - соли перфторнонановой кислоты при повышенной температуре и давлении 4,5-6 атм, и отличающийся тем, что процесс сополимеризации проводят при температуре 65-70°С и мольном соотношении перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторид : персульфат калия : метабисульфит натрия : соль перфторнонановой кислоты, равном 1000:1,092:(0,5-1,055):(25-40), соответственно, при этом подачу тетрафторэтилена в реакционную смесь, содержащую перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторид, персульфат калия, метабисульфит натрия и эмульгатор, осуществляют в нижнюю часть реактора под слой реакционной смеси до достижения давления 6 атм, затем полученную смесь перемешивают со скоростью 1000 об/мин при температуре 70°С, после снижения давление в реакторе до ~ 4,5 атм подают новую порцию ТФЭ до достижения давления 6 атм и температуры 65°С с последующим 4-5 кратным повторением этого цикла.The stated technical problem is achieved by the proposed method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups by water-emulsion copolymerization of perfluoro-4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride and tetrafluoroethylene in a steel reactor equipped with an overhead anchor mixer, in the presence of an oxidizing agent as an initiator. reducing system potassium persulfate-sodium metabisulfite and emulsifier - salts of perfluorononanoic acid at elevated temperature and pressure of 4.5-6 atm, and characterized in that the copolymerization process is carried out at a temperature of 65-70°C and the molar ratio of perfluoro-4-methyl-3 ,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride: potassium persulfate: sodium metabisulfite: perfluorononanoic acid salt, equal to 1000: 1.092: (0.5-1.055): (25-40), respectively, while supplying tetrafluoroethylene to the reaction mixture containing perfluorine -4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride, potassium persulfate, sodium metabisulfite and emulsifier are introduced into the lower part of the reactor under the layer of the reaction mixture until a pressure of 6 atm is reached, then the resulting mixture is stirred at a speed of 1000 rpm at temperature 70°C, after reducing the pressure in the reactor to ~ 4.5 atm, a new portion of TFE is supplied until a pressure of 6 atm and a temperature of 65°C are reached, followed by repeating this cycle 4-5 times.
Выделение целевого продукта осуществляют путем осаждения соляной кислотой.Isolation of the target product is carried out by precipitation with hydrochloric acid.
В качестве соли перфторнонановой кислоты используют щелочную соль перфторнонановой кислоты, преимущественно, натриевую соль.An alkaline salt of perfluorononanoic acid, preferably a sodium salt, is used as a salt of perfluorononanoic acid.
Выход целевого продукта составляет 80-86%, степень конверсии - 90-95%.The yield of the target product is 80-86%, the degree of conversion is 90-95%.
Предлагаемая совокупность отличительных признаков - проведение процесса сополимеризации при мольном соотношении перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторид: персульфат калия: метабисульфит натрия: соль перфторнонановой кислоты, равном 1000:1,092:(0,50-1,55):(25-40), при температуре процесса 65-70°С, а также подача тетрафторэтилена в нижнюю часть реактора под слой реакционной смеси до достижения давления 6 атм, перемешивании со скоростью 1000 об/мин при температуре 70°С, затем после снижение давления до ~ 4,5 атм и подачи новой порции ТФЭ до достижения давления 6 атм и температуры 65°С с последующим 4-5 кратным повторением этого цикла, позволило повысить выход целевого продукта и степень конверсии исходного перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторида по сравнению с прототипом, а также повысить качество сополимера за счет отсутствия реакционноспособных амидных концевых групп в полученном сополимере (примеры 1-4).The proposed set of distinctive features is the implementation of the copolymerization process at a molar ratio of perfluoro-4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride: potassium persulfate: sodium metabisulfite: perfluorononanoic acid salt equal to 1000: 1.092: (0.50-1.55 ):(25-40), at a process temperature of 65-70°C, as well as supplying tetrafluoroethylene to the lower part of the reactor under the layer of the reaction mixture until a pressure of 6 atm is reached, stirring at a speed of 1000 rpm at a temperature of 70°C, then after reducing the pressure to ~ 4.5 atm and supplying a new portion of TFE until a pressure of 6 atm and a temperature of 65°C was reached, followed by repeating this cycle 4-5 times, made it possible to increase the yield of the target product and the degree of conversion of the original perfluoro-4-methyl-3, 6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride compared to the prototype, and also improve the quality of the copolymer due to the absence of reactive amide end groups in the resulting copolymer (examples 1-4).
Мольное соотношение количеств перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонил фторида: персульфата калия: метабисульфита натрия: соль перфторнонановой кислоты, равное 1000:1,092:(0,50-1,055):(25-40), обеспечивает высокий выход целевого сополимера.The molar ratio of perfluoro-4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride: potassium persulfate: sodium metabisulfite: perfluorononanoic acid salt, equal to 1000: 1.092: (0.50-1.055): (25-40), provides high yield of the target copolymer.
Поддержание температуры процесса сополимеризации в пределах 65-70°С обеспечивает устойчивое течение процесса сополимеризации. При температуре ниже 65°С увеличивается продолжительность процесса, при температуре выше 70°С увеличивается количество побочных продуктов и снижается качество целевого сополимера.Maintaining the temperature of the copolymerization process within 65-70°C ensures a stable course of the copolymerization process. At temperatures below 65°C, the duration of the process increases; at temperatures above 70°C, the amount of by-products increases and the quality of the target copolymer decreases.
Подача ТФЭ в нижнюю часть стального реактора обеспечивает эффективное растворение ТФЭ в реакционной смеси, что способствует увеличению конверсии перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонил фторида. Использование в качестве эмульгатора щелочной соли перфторнонановой кислоты, преимущественно, натриевой соли, обеспечивает необходимую гомогенность реакционной смеси и улучшает качество целевого сополимера, так как известно (US 4743658), что присутствие ионов аммония (вводимых, как правило, в составе ПАВ-эмульгатора или компонентов буферного раствора, например, перфтороктаноата аммония) приводит к наличию в полученном продукте нежелательных амидных (-CONH2) концевых групп, что снижает качество целевого сополимера.The supply of TFE to the lower part of the steel reactor ensures effective dissolution of TFE in the reaction mixture, which helps to increase the conversion of perfluoro-4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride. The use of an alkaline salt of perfluorononanoic acid, preferably a sodium salt, as an emulsifier ensures the necessary homogeneity of the reaction mixture and improves the quality of the target copolymer, since it is known (US 4743658) that the presence of ammonium ions (usually introduced as part of the emulsifier surfactant or components buffer solution, for example, ammonium perfluorooctanoate) leads to the presence of undesirable amide (-CONH 2 ) end groups in the resulting product, which reduces the quality of the target copolymer.
Предложенный способ получения перфторированного сополимера с сульфогруппами осуществляют следующим образом:The proposed method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups is carried out as follows:
а. Подготовка реактора (пассивация поверхности)A. Reactor preparation (surface passivation)
Внутреннюю поверхность реактора (автоклава) из нержавеющей стали, например марки 12Х18Н10Т, в котором будет проводиться сополимеризация, обрабатывают 5% раствором персульфата калия в воде при температуре 90±5°С.The inner surface of a stainless steel reactor (autoclave), for example grade 12Х18Н10Т, in which copolymerization will be carried out, is treated with a 5% solution of potassium persulfate in water at a temperature of 90±5°C.
б. Получение эмульсии сульфомономера.b. Preparation of sulfomonomer emulsion.
Для получения водно-эмульсионной системы использовали в качестве эмульгатора натриевую соль перфторнонановой кислоты в концентрации 0.38 масс. % (по отношению количеству воды), при этом для стабилизации рН вводили фосфатный буфер, например, смесь дигидрофосфата натрия и гидрофосфата натрия. Далее к полученному раствору добавляли сульфомономер - перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторид. Эту смесь подвергали предварительному диспергированию с помощью диспергатора типа "ротор-статор" при 10000 об/мин ротора и температуре 15-60°С в атмосфере аргона, для этого аргон подавался со скоростью 100 см3/мин над поверхностью жидкости в стакане диспергатора.To obtain a water-emulsion system, the sodium salt of perfluorononanoic acid was used as an emulsifier at a concentration of 0.38 wt. % (relative to the amount of water), while a phosphate buffer was introduced to stabilize the pH, for example, a mixture of sodium dihydrogen phosphate and sodium hydrogen phosphate. Next, a sulfomonomer, perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride, was added to the resulting solution. This mixture was subjected to preliminary dispersion using a “rotor-stator” type dispersant at 10,000 rotor rpm and a temperature of 15-60°C in an argon atmosphere; for this purpose, argon was supplied at a speed of 100 cm 3 /min above the surface of the liquid in the dispersant glass.
в. Получение сополимера.V. Preparation of copolymer.
Полученную эмульсию загружали в стальной реактор, продутый аргоном и прибавляли инициирующую систему - свежеприготовленные растворы персульфата калия и метабисульфита натрия. Мольное соотношение количеств перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторида : персульфата калия : метабисульфита натрия : соль перфторнонановой кислоты при этом составляет 1000:1,092:(0,5-1,055):(25-40).The resulting emulsion was loaded into a steel reactor purged with argon and an initiating system was added - freshly prepared solutions of potassium persulfate and sodium metabisulfite. The molar ratio of perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride: potassium persulfate: sodium metabisulfite: perfluorononanoic acid salt is 1000: 1.092: (0.5-1.055): (25-40) .
Реакционную смесь, представляющую собой эмульсию сульфомономера - перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторид, в водной фазе, содержащей эмульгатор - соль перфторнонановой кислоты, например, перфторнонаноат натрия в концентрации 0.38 масс. %, фосфатный буфер и инициирующую систему, помещают в подготовленный стальной реактор, снабженный стандартной верхнеприводной якорной мешалкой. Реактор заполняют аргоном до давления 6 атм, затем сбрасывают давление до атмосферного. Эту операцию повторяют еще 2-3 раза. Затем включают подачу ТФЭ. Получение перфторированного сополимера с сульфогруппами водно-эмульсионной сополимеризацией ТФЭ и СФ проводили в условиях термостатирования при температуре 65-70°С в стальном реакторе при избыточном давлении 4,5 - 6 атм, при этом подачу тетрафторэтилена в реакционную систему осуществляют в нижнюю часть реактора под слой реакционной системы до достижения давления 6 атм, затем смесь перемешивают со скоростью 1000 об/мин при температуре 70°С, после снижения давление в реакторе до ~ 4,5 атм подают новую порцию ТФЭ до достижения избыточного давления 6 атм и температуры 65°С с последующим 4-5 кратным повторением этого цикла до поглощения целевого количества ТФЭ. Количество поглощенного ТФЭ при этом может контролироваться различными способами (на основании изменения давления, по массе, при помощи датчиков расхода газа и т.д.). После поглощения целевого количества ТФЭ, определяемого из желаемого соотношения звеньев сополимера, подачу ТФЭ прекращали, перемешивание прекращали, давление сбрасывали, и разгружали реактор. Целевой продукт находится в виде достаточно устойчивой водной дисперсии (латекса), для осаждения из нее компактного полимера ее коагулировали добавлением соляной кислоты. Выпавший продукт тщательно промывали водой. После промывки продукт центрифугируют (5 мин при 6000 об/мин), что позволяет частично отделить воду, задержанную в порах геля. Затем продукт сушат от избыточной влаги. Полученный сополимер имеет показатель текучести расплава (ПТР)=5-50 г/10 мин, 270°С, нагрузка 21,2 Н при диаметре капилляра 2,095 мм), находящийся в интервале значений сополимера по прототипу.The reaction mixture, which is an emulsion of a sulfomonomer - perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride, in an aqueous phase containing an emulsifier - a salt of perfluorononanoic acid, for example, sodium perfluorononanoate in a concentration of 0.38 wt. %, phosphate buffer and initiating system are placed in a prepared steel reactor equipped with a standard overhead drive anchor stirrer. The reactor is filled with argon to a pressure of 6 atm, then the pressure is released to atmospheric pressure. This operation is repeated 2-3 more times. Then the SPE supply is turned on. The production of perfluorinated copolymer with sulfo groups by water-emulsion copolymerization of TFE and SF was carried out under thermostatic conditions at a temperature of 65-70°C in a steel reactor at an excess pressure of 4.5 - 6 atm, while tetrafluoroethylene was supplied into the reaction system into the lower part of the reactor under the layer reaction system until a pressure of 6 atm is reached, then the mixture is stirred at a speed of 1000 rpm at a temperature of 70°C, after reducing the pressure in the reactor to ~ 4.5 atm, a new portion of TFE is fed until an excess pressure of 6 atm is reached and a temperature of 65°C with followed by repeating this cycle 4-5 times until the target amount of TFE is absorbed. The amount of absorbed TFE can be controlled in various ways (based on pressure changes, by mass, using gas flow sensors, etc.). After the absorption of the target amount of TFE, determined from the desired ratio of copolymer units, the supply of TFE was stopped, stirring was stopped, the pressure was released, and the reactor was unloaded. The target product is in the form of a fairly stable aqueous dispersion (latex); to precipitate a compact polymer from it, it was coagulated by adding hydrochloric acid. The precipitated product was thoroughly washed with water. After washing, the product is centrifuged (5 minutes at 6000 rpm), which makes it possible to partially separate the water retained in the pores of the gel. The product is then dried to remove excess moisture. The resulting copolymer has a melt flow index (MFR)=5-50 g/10 min, 270°C, load 21.2 N with a capillary diameter of 2.095 mm), which is in the range of values of the copolymer according to the prototype.
Пример 1.Example 1.
В 50 мл деионизированной воды при умеренном нагреве растворяют 190 мг (0, 391 ммоль) перфторнонаноата натрия, 144 мг (0,923 ммоль) дигидрофосфата натрия дигидрата и 290 мг (0,81 ммоль) гидрофосфата натрия додекагидрата. К полученному раствору прибавляют 4,0 мл (6,92 г, 15,52 ммоль) сульфомономера - перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторида и смесь диспергируют 2 раза по 10 мин с перерывом в атмосфере аргона. Полученную эмульсию помещают в подготовленный стальной реактор, снабженный стандартной верхнеприводной якорной мешалкой и продутый аргоном, и прибавляют свежеприготовленные растворы персульфата калия и метабисульфита натрия (с концентрацией -1%) из расчета 4,58 мг (0,017 ммоль) персульфата калия и 4,58 мг (0,024 ммоль) метабисульфита натрия. Реактор закрывают и заполняют аргоном, затем медленно сбрасывают давление до атмосферного). После этого реактор заполняют тетрафторэтиленом до достижения давления 2 атм, сбрасывают давление и повторяют операцию еще раз. Это необходимо для того, чтобы вытеснить из системы инертный газ - аргон или азот. Затем реактор заполняют ТФЭ до достижения давления 6 атм, при этом ТФЭ подают в нижнюю часть реактора под слой реакционной системы, содержащей перфтор-4-метил-3,6-диоксаокт-7-енсульфонилфторид, персульфат калия, метабисульфит натрия и эмульгатор - перфторнонаноат натрия, далее смесь перемешивают со скоростью 1000 об/мин и одновременно нагревают реактор до 70°С. После снижения давления до ~ 4,5 атм в реактор подают новую порцию ТФЭ до достижения давления 6 атм и температуры 65°С. Количество необходимого ТФЭ для получения целевого сополимера достигается за счет 4-5 циклов его дозирования. Время синтеза примерно 5,5 часов. После этого реактор охлаждают, сбрасывают давление. К полученному раствору прибавляют 20 мл. 35% соляной кислоты, реакционную смесь перемешивают 1 час, при этом выпадает гелеобразная масса, которую промывают дистиллированной водой до нейтральной реакции, высушивают в вакууме (<0,1 мм рт. ст.) при этом постепенно повышая температуру до 130°С. Выход перфторированного сополимера составляет 10,12 г (86%), степень конверсии сульфомономера 95%.190 mg (0.391 mmol) of sodium perfluorononanoate, 144 mg (0.923 mmol) of sodium dihydrogen phosphate dihydrate and 290 mg (0.81 mmol) of sodium hydrogen phosphate dodecahydrate are dissolved in 50 ml of deionized water with moderate heating. 4.0 ml (6.92 g, 15.52 mmol) of sulfomonomer perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride was added to the resulting solution and the mixture was dispersed 2 times for 10 minutes with a break in the atmosphere argon. The resulting emulsion is placed in a prepared steel reactor equipped with a standard overhead anchor stirrer and purged with argon, and freshly prepared solutions of potassium persulfate and sodium metabisulfite (with a concentration of -1%) are added at the rate of 4.58 mg (0.017 mmol) of potassium persulfate and 4.58 mg (0.024 mmol) sodium metabisulfite. The reactor is closed and filled with argon, then the pressure is slowly released to atmospheric pressure). After this, the reactor is filled with tetrafluoroethylene until a pressure of 2 atm is reached, the pressure is released and the operation is repeated again. This is necessary in order to displace the inert gas - argon or nitrogen - from the system. Then the reactor is filled with TFE until a pressure of 6 atm is reached, while the TFE is fed into the lower part of the reactor under a layer of the reaction system containing perfluoro-4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ensulfonyl fluoride, potassium persulfate, sodium metabisulfite and an emulsifier - sodium perfluorononanoate , then the mixture is stirred at a speed of 1000 rpm and at the same time the reactor is heated to 70°C. After the pressure is reduced to ~ 4.5 atm, a new portion of TFE is fed into the reactor until a pressure of 6 atm and a temperature of 65°C are reached. The amount of TFE required to obtain the target copolymer is achieved through 4-5 dosing cycles. Synthesis time is approximately 5.5 hours. After this, the reactor is cooled and the pressure is released. 20 ml is added to the resulting solution. 35% hydrochloric acid, the reaction mixture is stirred for 1 hour, during which a gel-like mass precipitates, which is washed with distilled water until neutral, dried in a vacuum (<0.1 mm Hg), while gradually increasing the temperature to 130°C. The yield of perfluorinated copolymer is 10.12 g (86%), the degree of sulfomonomer conversion is 95%.
Пример 2.Example 2.
Процесс проводят аналогично примеру 1, но при этом с использованием навески 1% раствора метабисульфита натрия, соответствующей 1,46 мг (0,0077 ммоль) Na2S2O5. Время синтеза ~8 ч. Выход целевого продукта составляет 9,41 г (80%), степень конверсии сульфомономера 90%.The process is carried out similarly to example 1, but using a sample of 1% sodium metabisulfite solution corresponding to 1.46 mg (0.0077 mmol) Na 2 S 2 O 5 . Synthesis time ~8 hours. The yield of the target product is 9.41 g (80%), the degree of sulfomonomer conversion is 90%.
Пример 3.Example 3.
Процесс проводят аналогично примеру 1, но при этом с использованием навески перфторнонаноата натрия 304 мг (0,626 ммоль). Время синтеза ~7 ч. Выход целевого продукта составляет 9,64 г (82%), степень конверсии сульфомономера 92%.The process is carried out similarly to example 1, but using a sample of sodium perfluorononanoate of 304 mg (0.626 mmol). Synthesis time ~7 hours. The yield of the target product is 9.64 g (82%), the degree of sulfomonomer conversion is 92%.
Пример 4.Example 4.
Процесс проводят аналогично примеру 1, но при этом с использованием загрузки перфторнонаноата натрия 304 мг (0,626 ммоль) и навески 1% раствора метабисульфита натрия, соответствующей 1,46 мг (0,0077 ммоль) Na2S2O5. Время синтеза -7.2 ч. Выход целевого продукта составляет 9,76 г (83%), степень конверсии сульфомономера 94%.The process is carried out similarly to example 1, but using a load of sodium perfluorononanoate of 304 mg (0.626 mmol) and a sample of 1% sodium metabisulfite solution corresponding to 1.46 mg (0.0077 mmol) of Na 2 S 2 O 5 . Synthesis time -7.2 hours. The yield of the target product is 9.76 g (83%), the degree of sulfomonomer conversion is 94%.
Пример 5 (сравнительный по прототипу).Example 5 (comparative to the prototype).
Реакционную систему перед сополимеризацией подвергают предварительному диспергированию с помощью диспергатора типа "ротор-статор" при 10000 об/мин ротора в течение 15 мин при комнатной температуре под защитной атмосферой аргона. В качестве эмульгатора используют перфторнонаноат аммония в концентрации 3,75 г/л (7,8 ммоль/л) водной фазы, в качестве инициатора - окислительно-восстановительную систему персульфат калия-метабисульфит натрия (концентрация персульфата калия 1,25 г/л (4,6 ммоль/л) водной фазы). Для стабилизации рН вводят фосфатный буфер - дигидрофосфат натрия и гидрофосфат натрия в тех же концентрациях, что и в примере 1. Сополимеризацию ТФЭ и СФ проводят в условиях термостатирования при 40°С в стальном реакторе, снабженном верхнеприводной якорной мешалкой, при рабочем давлении подаваемого в систему ТФЭ 0,5 МПа. Затем полученный полимер осаждают с использованием соляной кислоты. Выпавший продукт тщательно промывают водой. После промывки продукт центрифугируют (5 мин при 6000 об/мин), что позволяет частично отделить воду, задержанную в порах геля. Затем продукт сушат от избыточной влаги.Before copolymerization, the reaction system is subjected to preliminary dispersion using a rotor-stator type dispersant at 10,000 rotor rpm for 15 minutes at room temperature under a protective argon atmosphere. Ammonium perfluorononanoate is used as an emulsifier in a concentration of 3.75 g/l (7.8 mmol/l) of the aqueous phase, and the redox system potassium persulfate-sodium metabisulfite is used as an initiator (potassium persulfate concentration is 1.25 g/l (4 .6 mmol/l) aqueous phase). To stabilize the pH, a phosphate buffer is introduced - sodium dihydrogen phosphate and sodium hydrogen phosphate in the same concentrations as in example 1. Copolymerization of TFE and SF is carried out under thermostatic conditions at 40 ° C in a steel reactor equipped with an overhead anchor mixer, at the operating pressure supplied to the system TFE 0.5 MPa. The resulting polymer is then precipitated using hydrochloric acid. The deposited product is thoroughly washed with water. After washing, the product is centrifuged (5 minutes at 6000 rpm), which makes it possible to partially separate the water retained in the pores of the gel. The product is then dried to remove excess moisture.
Выход полимера составил 8,14 г (69%), а степень конверсии сульфомономера 76%.The polymer yield was 8.14 g (69%), and the degree of sulfomonomer conversion was 76%.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа получения перфторированного сополимера с сульфогруппами путем водно-эмульсионной сополимеризации тетрафторэтилена и перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонилфторида, позволяющего повысить выход целевого продукта до 86% и степени конверсии сульфомономера до 95%, а также качество сополимера за счет отсутствия реакционноспособных амидных концевых групп в полученном целевом продукте в результате использование в качестве эмульгатора щелочной соли перфторнонановой кислоты.The technical result of the present invention is the creation of a method for producing a perfluorinated copolymer with sulfo groups by water-emulsion copolymerization of tetrafluoroethylene and perfluoro(3,6-dioxa-4-methyl-7-octene)sulfonyl fluoride, which allows increasing the yield of the target product to 86% and the degree of sulfomonomer conversion to 95%, as well as the quality of the copolymer due to the absence of reactive amide end groups in the resulting target product as a result of the use of an alkaline salt of perfluorononanoic acid as an emulsifier.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2811205C1 true RU2811205C1 (en) | 2024-01-11 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2846615C1 (en) * | 2024-09-02 | 2025-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Пермская химическая компания" | Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3282875A (en) * | 1964-07-22 | 1966-11-01 | Du Pont | Fluorocarbon vinyl ether polymers |
| US3528954A (en) * | 1967-10-30 | 1970-09-15 | Du Pont | Process for homopolymerization of tetrafluoroethylene and copolymerization of same with fluoro co-monomers in the solvent 1,1,2 - trichloro - 1,2,2 - trifluoroethane |
| RU2412208C1 (en) * | 2009-07-13 | 2011-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3282875A (en) * | 1964-07-22 | 1966-11-01 | Du Pont | Fluorocarbon vinyl ether polymers |
| US3528954A (en) * | 1967-10-30 | 1970-09-15 | Du Pont | Process for homopolymerization of tetrafluoroethylene and copolymerization of same with fluoro co-monomers in the solvent 1,1,2 - trichloro - 1,2,2 - trifluoroethane |
| RU2412208C1 (en) * | 2009-07-13 | 2011-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.С. Иванчев, В.С. Лихоманов, О.Н. Примаченко, С.Я. Хайкин, В.Г. Барабанов, А.Ю. Меньшикова, Н.Н. Шевченко, Особенности сополимеризации тетрафторэтилена с перфтор(3,6-диокса-4-метил-7-октен)сульфонил фторидом в водно-эмульсионной системе, Доклады Академии Наук, 2011, том 437, 3, с. 344-346. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2846615C1 (en) * | 2024-09-02 | 2025-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Пермская химическая компания" | Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1165624B1 (en) | Free radical polymerization method for fluorinated copolymers | |
| EP1283225B1 (en) | Process for producing fluoroionomer, method for purification and concentration of the ionomer, and method of film formation | |
| US10968298B2 (en) | Synthesis of 2,3,3,3-tetrafluoropropene/vinylidene fluoride copolymers | |
| EP3000829B1 (en) | Method for producing aqueous polytetrafluoroethylene dispersion | |
| CN1251576A (en) | Preparation method of perfluorovinyl ether sulfonic acid derivative and copolymer composed of it | |
| EP1323751A2 (en) | Polymerization process of sulphonic monomers | |
| RU2811205C1 (en) | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfogroups | |
| RU2809505C1 (en) | Method for producing perfluorinated copolymer with sulfo groups | |
| CN103582672A (en) | Hydrophilizing agent composition, hydrophilization method, hydrophilized resin porous body, and method for producing hydrophilized resin porous body | |
| RU2348649C1 (en) | Method of obtaining perfluorated copolymer containing functional groups | |
| CN115403697A (en) | Temperature-sensitive fluorescent nano material and preparation method thereof | |
| JP4449278B2 (en) | Fluorine-containing molded article, method for producing fluorine-containing molded article, fluorine-containing polymer, and method for producing fluorine-containing polymer | |
| RU2450023C1 (en) | Method of producing perfluorinated perfluoroethylene copolymer containing sulphonyl fluoride functional groups | |
| CN117443217B (en) | A method for preparing a hydrophilic amphiphilic PAN copolymer separation membrane | |
| JPS6367801B2 (en) | ||
| RU2846615C1 (en) | Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene | |
| CN118599047B (en) | A method for preparing fluoroethylene-ethylene copolymer | |
| RU2454431C1 (en) | Method of producing perfluorinated functionalised copolymer via emulsion copolymerisation | |
| RU2164922C2 (en) | Method of preparing of vinylidene fluoride with 5-12 mol % of hexafluoropropylene | |
| CN108822240A (en) | A kind of preparation method of isobutene and p-methylstyrene copolymer | |
| RU2412948C1 (en) | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups | |
| CN120795212A (en) | A preparation method of low molecular weight polyacrylamide | |
| RU2412208C1 (en) | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups | |
| JPH09302188A (en) | Method for producing fluorinated copolymer | |
| CN119955006A (en) | A method for preparing perfluoroether rubber |