Способ получения сложных полиэфиров с повышенной термостойкостью
Изобретение относится к способу получения сложных полиэфиров с повышенной термостойкостью. Техническая задача - разработка способа получения сложных жирно-ароматических полиэфиров с повышенной термостойкостью. Предложен способ получения сложных полиэфиров с повышенной термостойкостью путем взаимодействия диметилового эфира терефталевой кислоты с 1,4-бутандиолом в расплаве при температурах 150-220°С в присутствии органомодифицированных глин в количестве 1 - 10% от массы полиэфира. В качестве термостабилизирующей системы с синергическими свойствами используют (% от массы полимера): пространственно затрудненный фенол (0,1), тринонилфенилфосфит или три(2,4-дитретбутилфенил)фосфит (0,35), гипофосфит кальция (0,05), в качестве катализатора - борную кислоту, борный ангидрид, борат натрия или их смесь с тетрабутоксититаном (0,05-0,1% от массы полимера). Образовавшийся продукт подвергают поликонденсации при остаточном давлении 0,1 мм рт.ст. и интервале температур 220-250°С. Повышенная термостойкость получаемых полиэфиров позволяет использовать более интенсивные способы переработки из расплава. 2 табл.
Изобретение относится к химии полимеров, а точнее к новому способу получения сложных полиэфиров и сополиэфиров с повышенной термостойкостью и пониженной горючестью, которые могут использоваться в производстве волоконно-оптических кабелей, а также в качестве конструкционных и электроизоляционных полимерных материалов в машиностроении, приборостроении, электротехнике, кабельной и других отраслях промышленности.
Сложные полиэфиры и сополиэфиры с высокой молекулярной массой и повышенной термостойкостью синтезируют в присутствии борной кислоты, или борного ангидрида, или бората натрия, или их смеси с тетрабутоксититаном, а также синергической термостабилизирующей системы, состоящей из пространственно затрудненного тетрафенола пентаэритрилтетрабис-(3,5-дитребутил-4-оксифенил)-пропионата (Ирганокс 1010), тринонилфенилфосфита (Иргафос TNPP) или три(2,4-дитретбутилфенил)фосфита (Иргафос 168), натриевой или кальциевой соли фосфорноватистой кислоты, и органомодифицированных глин в количестве от 1 до 10% от массы полиэфира.
Известен способ получения полибутилентерефталата и сополимеров на его основе путем взаимодействия диметилтерефталата и 1,4-бутандиола, а также смеси диметилтерефталата с диметиладипинатом, диметилглутаратом или диметилсукцинатом в присутствии в качестве катализатора тетрабутоксититана и термостабилизатора, выбранного из группы трифенил-, тринонилфенил-, трикрезилфосфата или -фосфита /патент США №5134222,1989/.
Известен способ получения сложных полиэфиров в присутствии смеси двух термостабилизаторов /патент Российской Федерации 2002772, 1993/ в количестве 0,2-1,0% от массы компонентов смеси три(2,4-дитретбутилфенил)фосфита и дистеарилпентаэритролдифосфита при их массовом соотношении 1:2-2:1.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения полиэфиров с высокой молекулярной массой в присутствии борной кислоты, или борного ангидрида, или бората натрия, или их смеси с тетрабутоксититаном /патент Российской Федерации 2268901, 2006/.
Однако получаемые такими способами полимеры обладают недостаточно высокой термостойкостью, что ограничивает переработку их высокоскоростной экструзией (недостаточная прочность расплава).
Задачей предлагаемого изобретения является получение сложных жирно-ароматических полиэфиров и сополиэфиров с высокой молекулярной массой и повышенной термостойкостью.
Поставленная задача решается благодаря тому, что синтез сложных полиэфиров и сополиэфиров путем взаимодействия на первой стадии реакции диметилового эфира терефталевой кислоты с 1,4-бутандиолом в расплаве при температурах 150-220°С проводят в присутствии органомодифицированных глин в количестве от 1 до 10% от массы полиэфира, в качестве термостабилизирующей системы с синергическими свойствами используют пространственно затрудненный фенол в количестве 0,1% от массы полимера, тринонилфенилфосфит или три(2,4-дитретбутилфенил)фосфит в количестве 0,35% от массы полимера, гипофосфит кальция в количестве 0,05% от массы полимера, в качестве катализатора используют борную кислоту, борный ангидрид, борат натрия или их смесь с тетрабутоксититаном в количестве 0,05-0,1% от массы полимера.
Первая стадия - реакция переэтерификации осуществляется в токе инертного газа (азот, аргон, гелий) в интервале температур от 150 до 220°С и сопровождается отгонкой метилового спирта. Вторая стадия - реакция поликонденсации осуществляется при остаточном давлении 0,1 мм рт.ст. и интервале температур от 220 до 250°С и сопровождается отгонкой избыточного реакционного бутандиола, этиленгликоля или их смеси. После завершения второй стадии процесса полимер извлекают из реактора под давлением инертного газа, стренги охлаждают в воде и измельчают в гранулы диаметром 2-4 мм. Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения.
Пример 1. В 500 мл металлический реактор с электрообогревом, снабженный механической мешалкой рамного типа, из расчета на 200 г полимера загружают 176,355 г (0,908 г-моль) диметилтерефталата, 122,750 г (1,362 г-моль) 1,4-бутандиола, смесь 0,2 г (0,1% от массы полимера) Ирганокса 1010, 0,7 г (0,35% от массы полимера) Иргафоса (TNPP) и 0,1 г (0,05% от массы полимера) Са(Н2PO2)2, 0,15 г (0,075% от массы полимера) борной кислоты, 2 г органомодифицированного нальчикита (нальчикит-М), что составляет 1% от массы полимера. Реакционную смесь нагревают в атмосфере азота до 150°С и проводят реакцию с отгоном метанола путем постепенного подъема температуры до 220°С в течение 1 часа 30 минут.
Вторую стадию процесса (поликонденсацию) проводят путем постепенного подъема температуры от 220 до 250°С и с одновременным снижением давления до достижения остаточного давления 0,1 мм рт.ст. В ходе реакции контролируется отгон бутандиола и нагрузка на мешалку. Через 2 часа, когда нагрузка на мешалку достигает максимума, отключают мешалку, создают давление азотом, выдавливают расплав полимера через донный клапан в воду, полученные стренги измельчают в гранулы размером 2-4 мм.
Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,90 дл/г.
Пример 2. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют нальчикит-М в количестве 6 г (3% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,92 дл/г.
Пример 3. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют нальчикит-М в количестве 10 г (5% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,88 дл/г.
Пример 4. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют нальчикит-М в количестве 14 г (7% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,95 дл/г.
Пример 5. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию, переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют нальчикит-М в количестве 20 г (10% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,90 дл/г.
Пример 6. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют бентонит-128 в количестве 2 г (1% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,85 дл/г.
Пример 7. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют бентонит-42 в количестве 6 г (3% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,80 дл/г.
Пример 8. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют бентонит-42 в количестве 10 г (5% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,86 дл/г.
Пример 9. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют бентонит-42 в количестве 14 г (7% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,82 дл/г.
Пример 10. Аналогично примеру 1 последовательно проводят реакцию, переэтерефикации, поликонденсации в расплаве. При этом в качестве ОМСС используют бентонит-42 в количестве 20 г (10% от массы полимера). Характеристическая вязкость, измеренная при 30°С в дихлоруксусной кислоте, составляет 0,89 дл/г.
Строение полученных полимеров подтверждено методами ИК- и ПМР-спектроскопии. Оценку термической стабильности полученных полибутилентерефталатов проводили с использованием известных технологических методов - определение показателя текучести расплава (ПТР) и термогравиметрический анализ (ТГА). Показатели текучести расплава (ПТР) определяли на приборе ИИРТ-М с капилляром диаметром 2 мм, длиной 10 мм и нагрузкой на поршень, равной 2,16 кг, после 5-, 15- и 30-минутной выдержки. Термогравиметрические исследования выполняли на дериватографе марки Q-1500D (фирма «MOM», Венгрия). Нагрев испытуемого полимера проводили со скоростью 57 мин на воздухе в температурном диапазоне 20-600°С. Как видно из таблицы 1, для полибутилентерефталатов происходит повышение термостабильности расплавов при введении органомодифицированных слоистых силикатов. Это может быть объяснено двумя путями, с одной стороны увеличение термической стабильности полибутилентерефталатов связано с барьерными свойствами самого слоистого силиката, с другой стороны пластинка слоистого силиката может выступить в роли связующего мостика между двумя макромолекулами полимера, что может стать следствием удлинения макромолекулы полимера.
| Таблица 1 | |||||
| Термическая стабильность расплавов полибутилентерефталатов | |||||
| Состав композита | ПТР5,*) г/10 мин | ПТР15**) г/10 мин | ПТР30, ***) г/10 мин | К15/5****) | К30/5*****) |
| ПБТ | 72 | 88 | 128 | 1,21 | 1,77 |
| ПБТ + 1% нальчикит-М | 80 | 79 | 76 | 0,99 | 0,95 |
| ПБТ + 3% нальчикит-М | 75 | 72 | 89 | 0,96 | 1,19 |
| ПБТ + 5% нальчикит-М | 82 | 91 | 76 | U1 | 0,93 |
| ПБТ + 7% нальчикит-М | 78 | 82 | 92 | 1,05 | 1,18 |
| ПБТ + 10% нальчикит-М | 80 | 85 | 95 | 1,06 | 1,19 |
| *) - значение ПТР после 5-минутной экспозиции в камере прибора; **) - значение ПТР после 15-минутной экспозиции в камере прибора; ***) - значение ПТР после 30-минутной экспозиции в камере прибора; ****) - К15/5 - отношение ПТР15 к ПТР5. *****) - К30/5 - отношение ПТР30 к ПТР5. |
Величина коэффициента термостабильности (К15/5, K30/5) для полиэфиров, полученных поликонденсацией в расплаве, в присутствии органомодифицированной глины, составляет 1÷1,2, тогда как у ПБТ, полученного в отсутствие органомодифицированной глины, величина коэффициента термостабильности составляет 1,2÷4,8.
Данные термогравиметрического анализа приведены таблице 2.
| Таблица 2 | ||
| Результаты термогравиметрического анализа полибутилентерефталатов | ||
| Состав композита | Температура начала деструкции, °С | Величина коксового остатка при 600°С, % |
| ПБТ | 370 | 1 |
| ПБТ + 1% нальчикит-М | 390 | 5 |
| ПБТ + 3% нальчикит-М | 400 | 8 |
| ПБТ + 5% нальчикит-М | 400 | 11 |
| ПБТ + 7% нальчикит-М | 395 | 12 |
| ПБТ + 10% нальчикит-М | 393 | 11 |
| ПБТ + 1% бентонит-42 | 390 | 6 |
| ПБТ + 3% бентонит-42 | 395 | 7 |
| ПБТ + 5% бентонит-42 | 395 | 10 |
| ПБТ + 7% бентонит-42 | 393 | 11 |
| ПБТ + 10% бентонит-42 | 393 | 10 |
Увеличение температуры деструкции наполненных полибутилентерефталатов связано с эффектом термозащиты, оказываемым на макромолекулы полимера со стороны силикатных слоев. В отличие от исходного полибутилентерефталата наполненные полибутилентерефталаты деструктируют с образованием коксового остатка, количество которого увеличивается с увеличением содержания слоистого силиката. Добавка слоистого силиката играет роль инициатора коксообразования вследствие оказываемых барьерных эффектов на летучие продукты, образующиеся в результате термической деструкции, а также и других явлений, связанных с изменением энтропии цепей макромолекул приповерхностного слоя наполненных полибутилентерефталатов.
Способ получения сложных полиэфиров с повышенной термостойкостью путем взаимодействия диметилового эфира терефталевой кислоты с 1,4-бутандиолом в расплаве при температуре 150-220°С в присутствии термостабилизирующей синергической сиситемы, включающей 0,1% от массы полимера пространственно затрудненного фенола, 0,35% от массы полимера тринонилфенилфосфита или три(2,4-дитретбутилфенил)фосфита и 0,05% от массы полимера гипофосфита кальция с использованием в качестве катализатора борной кислоты, борного ангидрида, бората натрия или их смеси с тетрабутоксититаном в количестве 0,05-0,1% от массы полиэфира, с последующей поликонденсаций в расплаве при остаточном давлении 0,1 мм рт.ст. и интервале температур от 220 до 250°С, отличающийся тем, что в качестве термостабилизирующей добавки используется органомодифицированная глина в количестве от 1 до 10% от массы полиэфира.
