含三苯基氧磷结构聚芳醚醚酮酮的合成与表征

刘勇军 ,  钟鸣 ,  宋琤 ,  盛寿日 ,  侯豪情 ,  宋才生

引用本文: 刘勇军, 钟鸣, 宋琤, 盛寿日, 侯豪情, 宋才生. 含三苯基氧磷结构聚芳醚醚酮酮的合成与表征[J]. 应用化学, 2018, 35(11): 1289-1294. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.11.170409 shu
Citation:  LIU Yongjun, ZHONG Ming, SONG Cheng, SHENG Shouri, HOU Haoqing, SONG Caisheng. Synthesis and Characterization of Poly (aryl ether ether ketone ketone) Containing Phenyl Phosphine Oxide[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2018, 35(11): 1289-1294. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.11.170409 shu

含三苯基氧磷结构聚芳醚醚酮酮的合成与表征

    通讯作者: 宋琤, 副教授; Tel/Fax:0791-88120380;E-mail:sonyia416@gmail.com; 研究方向:功能高分子材料和纳米材料
  • 基金项目:

    国家自然基金(51663011),江西省高等学校科技落地计划项目(KJLD14022),江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ12214)资助

摘要: 以苯酚、对二溴苯及苯基磷酰二氯为原料合成出二(4-苯氧基苯基)苯基氧磷(BPOPPO)。三氯化铝(AlCl3)为催化剂,通过缩聚反应,BPOPPO与对苯二甲酰氯(TPC)反应制备出一种含有三苯基氧磷结构的聚醚醚酮酮(P-PEEKK)树脂。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)和广角X射线衍射(WAXD)等技术手段对P-PEEKK树脂的结构和性能进行表征。结果表明,P-PEEKK树脂属于非晶聚合物,玻璃化转变温度(Tg)较高,为190.5℃;热分解温度(T5%)为515℃,耐热性能较好;极限氧指数(LOI)为42,阻燃性能好,为难燃材料;易溶解于氯仿、1,2-二氯乙烷、N,N-二甲基乙酰胺等有机溶剂中,溶解性能较好,便于涂膜加工;拉伸强度为62 MPa,力学性能较好。

English

  • 聚芳醚酮(PAEK)作为一类具有高力学性能、高尺寸稳定性、高耐热性、耐化学腐蚀性、耐溶剂性、阻燃和防辐射等优良性能的特种高分子材料,适用于特种工程塑料和高性能复合材料树脂基体,在航空航天、电子信息、高新技术和先进武器等领域具有很好的应用[1-2]。PAEK作为一种半结晶聚合物,其熔融温度和熔体粘度高,成型加工过程相对较难,从而限制了其应用。近年来,针对PAEK树脂的高熔融温度和低断裂韧性等不足,许多新的结构和优良的PAEK树脂相继被开发出来[3-5]。目前,科研工作者已经根据各种应用场合制备出了各种不同结构的聚醚酮(PEK)树脂,然而均未能很好地解决既保持PAEK树脂优异的耐热性能,又使其具有较好加工成型性的问题。

    三苯基磷氧基团是一种扭曲的非共平面结构,将这种结构引入到PAEK分子链,可以破坏分子链的规整性,使其同时具有良好的溶解性和较高的玻璃化转变温度,而且磷原子的引入还可以一定程度上提高PAEK的阻燃性能[6-11]。从分子设计的角度出发,在主链上引入了体积较大、有一定极性的三苯基氧磷结构,PAEK树脂的溶解性将会提高,为加工提供了便利,拓展其使用范围;另外,在高分子链上引入磷,将进一步提高聚合物的耐热性能。本文由商品化且价格便宜的原料合成单体二(4-苯氧基苯基)苯基氧磷,与对苯二甲酰氯(TPC)进行亲电取代缩聚,合成含三苯基氧磷结构的PAEK树脂,并对其性能和结构进行了研究。

    苯基磷酰二氯购自成都西亚试剂有限公司,使用前重蒸;苯酚购自上海润捷化学试剂有限公司;N-甲基吡咯烷酮(NMP)购自于西陇化工股份有限公司;对二溴苯购自成都西亚试剂有限公司,重结晶后mp 88~90 ℃;镁屑购自天津福晨化学试剂,抛光后切成粉末;铜粉自制,用铁粉还原硫酸铜制备;四氢呋喃购自上海阿拉丁试剂公司,使用前用金属钠除水。以上试剂纯度均为分析纯。

    Perkin-Elmer SP one型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR,美国PE公司);Bruker Vance 400 MHz型核磁共振仪(NMR,瑞士布鲁克公司);DMAX-ⅢA型广角X射线衍射仪(WAXD,日本理学公司);NETZSCH DSC 200 PC型差示扫描量热仪(DSC,德国耐驰公司),N2气气氛,流速为20 mL/min,升/降温速率为10 ℃/min;NETZSCH TG209 F1型热失重仪(TGA,德国耐驰公司),升温速率为10 ℃/min,N2气气氛;Waters-410型凝胶渗透色谱(GPC, 美国Waters公司),N, N-二甲基甲酰胺(DMF)为流动相,聚苯乙烯为标样;XYG-75型氧指数测定仪(济南天辰试验机制造有限公司);CMT-8102型电子万能试验机(中国MTS系统公司),拉伸速率为5 mm/min。

    1.2.1   4-溴二苯醚

    在装有机械搅拌器、N2气保护和分水器的三口烧瓶中,依次加入37.6 g(0.4 mol)苯酚,16 g(0.4 mol)氢氧化钠,120 mL甲苯,80 mL NMP,加热回流脱完水后,回收甲苯,稍冷却后,加入99.1 g(0.42 mol)对二溴苯和1.0 g新制的铜粉,于190 ℃反应4 h后,升至200 ℃反应1 h,减压蒸馏回收溶剂NMP,最后将反应液倒入200 mL冷水中,用100 mL二氯乙烷(DCE)萃取,并抽滤去除铜粉催化剂,溶液依次用稀碱和去离子水洗涤数次,蒸出DCE,再减压蒸出过量的对二溴苯,收集155~158 ℃/10 mmHg馏分,获得高纯的4-溴二苯醚,bp 300 ℃, Tm 18 ℃(文献值[12],bp 305 ℃, Tm 18 ℃)。

    IR(KBr),σ/cm-1:3066,1578,1482(C6H4—H),1238(C6H4—O—C6H4),827(Ar—H);1H NMR(400 MHz, CDCl3 ), δ:6.88(d,2H),7.00(d,2H),7.11(t,1H),7.33(t,2H),7.40(t,2H)为典型的苯环氢的特征吸收峰。

    1.2.2   二(4-苯氧基苯基)苯基氧磷(BPOPPO)

    在带有N2气保护、恒压滴液漏斗和磁力搅拌的三口烧瓶中加入4.80 g(0.20 mol)镁屑,以N2气换气3次,加入少量的无水四氢呋喃浸没镁屑,滴加少量的四氢呋喃和4-溴二苯醚49.80 g(0.20 mol)的混合溶液引发反应,在微回流下,缓慢滴加混合液,滴完后待没有回流时,加热回流,反应0.5 h,停止加热并改冰浴。在0 ℃左右,滴加15.3 g(0.10 mol)苯基磷酰二氯溶液,滴加完后改油浴加热回流0.5 h。蒸出溶剂,用20 mL甲醇处理未反应完的格氏试剂,并以二氯乙烷(DCE)萃取,有机层经过滤后用稀盐酸洗涤1次,水洗数次至中性,蒸出二氯乙烷,得二(4-苯氧基苯基)苯基氧磷,用乙醇重结晶提纯,产率达72%(以苯基磷酰二氯计)。其合成路线如Scheme 1。

    Scheme 1

    Scheme 1.  Synthesis of monomer BPOPPO

    在带有机械搅拌器和N2气保护的干燥三口烧瓶中,加入6.5 g无水三氯化铝(AlCl3)、20 mL DCE,在冰水浴下滴加DMF(0.5 mL)的DCE(10 mL)混合液,搅拌至混合液变澄清后,用冰盐水冷却至-10 ℃左右,依次加入4.62 g(10 mmol)BPOPPO、2.03 g(10 mmol)TPC,低温反应1 h后,撤去冰盐浴,升温至室温下搅拌反应7 h后,滴加少量二苯醚进行封端,最后用100 mL甲醇猝灭反应,聚合产物经捣碎机捣碎后依次用稀HCl和甲酸洗涤1次,去离子水洗多次至中性,用甲醇抽提,真空烘干,得白色粉末状聚合物,收率94%以上。其合成路线如Scheme 2。

    Scheme 2

    Scheme 2.  Synthesis of polymer P-PEEKK

    将树脂溶于NMP溶液,配成质量浓度(ρ)为2 g/L的溶液用于25 ℃用乌氏粘度计测定,按式(1)计算:

    $ {{\eta }_{\text{inh}}}={{\rho }^{-1}}\text{ln}\ {{\mathit{t}}_{1}}/{{\mathit{t}}_{0}} $

    (1)

    式中,t0、t1分别为溶剂和溶液的流出时间(s)。

    图 1为BPOPPO的1H NMR谱图,在高场区没有产物的吸收峰出现,其化学位移与化学结构的对应位置如图 1所示。苯环的氢质子的化学位移在7.67~7.04之间,其中,7.25处为溶剂峰。

    图 1

    图 1.  单体BPOPPO的1H NMR谱图
    Figure 1.  1H NMR spectrum of monomer BPOPPO

    单体BPOPPO红外光谱如图 2所示。可见,苯环Ar—H的伸缩振动特征吸收峰出现在3015 cm-1处,苯环C=C骨架振动特征吸收峰出现在1581、1488和1417 cm-1处,而1167 cm-1的特征峰为P=O伸缩振动特征吸收峰,1115 cm-1处的特征峰为苯基磷Ar—P伸缩振动收峰,1232 cm-1的特征峰为芳醚Ar—O—Ar伸缩振动吸收峰。

    图 2

    图 2.  BPOPPO和P-PEEKK的FT-IR谱图
    Figure 2.  FT-IR spectra of BPOPPO and P-PEEKK

    a.BPOPPO; b.P-PEEKK

    聚合物P-PEEKK的红外光谱(见图 2)。3015 cm-1处出现了苯环Ar—H的伸缩振动特征吸收峰,1652 cm-1为芳酮的特征吸收峰,1581、1488和1417 cm-1处为苯环C=C骨架振动特征吸收峰,而1167 cm-1为P=O伸缩振动特征吸收峰,1115 cm-1为苯基磷Ar—P伸缩振动收峰,1232 cm-1为芳醚Ar—O—Ar伸缩振动吸收峰。由此可知,单体BPOPPO与TPC之间发生了缩聚反应,生成了预期结构的P-PEEKK。

    图 3为聚合物P-PEEKK的1H NMR谱图,同样在高场区没有聚合物的吸收峰出现,其化学位移与化学结构的对应位置如图中所示。苯环的氢质子的化学位移7.88~7.12之间,其中,7.25处为溶剂峰。

    图 3

    图 3.  聚合物P-PEEKK的1H NMR谱图
    Figure 3.  1H NMR spectrum of polymer P-PEEKK

    聚合物P-PEEKK的对数比浓粘度和GPC数值列于表 1中。从表 1可以看到,P-PEEKK的对数比浓粘度为0.65,数均和质均相对分子质量分别为30121和47168,多分布性指数为1.56,属于高分子量聚合物。

    表 1

    表 1  P-PEEKK的性能
    Table 1.  Performance of P-PEEKK
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    Sample ηinh/(dL·g-1) Mn Mw PDI Tg/℃ Td/℃a
    P-PEEKK 0.65 30121 47 168 1.56 193 515
    a.Temperature at 5% mass loss by TG.

    P-PEEKK的DSC和TGA结果分别见表 1及图 4和图 5。结果显示,P-PEEKK具有较高的玻璃化转变温度,达到了190.5 ℃。另外,DSC曲线上未出现结晶熔融峰,P-PEEKK为非晶态。这可能是由于较大体积的三苯基氧磷结构的存在,大分子链的内旋转受到了阻碍,同时其扭曲的非共平面结构又使得分子链排列不紧密的缘故。

    图 4

    图 4.  P-PEEKK的DSC曲线
    Figure 4.  DSC curve of polymer P-PEEKK

    图 5

    图 5.  P-PEEKK的TGA曲线
    Figure 5.  TGA curve of polymer P-PEEKK

    从聚合物P-PEEKK失重率为5%的热分解温度Td(表 1和图 5)可以看到,P-PEEKK的Td为515 ℃,具有良好的耐热性,这是由于P-PEEKK为全芳香的分子结构。将聚合物薄膜按国标GB/T2406.93的标准程序测得P-PEEKK的极限氧指数(LOI)为42,表明聚合物具有良好的阻燃性。

    图 6是聚合物P-PEEKK在230 ℃进行热处理30 min后所获得的广角X射线衍射图。从图 6可以看到衍射峰为弥散的,未出现结晶衍射峰。这表明在分子主链上引入扭曲的非共平面的三苯基氧磷结构,破坏了P-PEEKK分子链的规整性,使大分子链堆砌难以达到结晶所需的有序结构,这与上述DSC表征结果一致。

    图 6

    图 6.  聚合物P-PEEKK的X射线衍射图
    Figure 6.  X-ray diffraction pattern of polymer P-PEEKK

    表 2为P-PEEKK树脂的溶解性测试结果。从表 2可以看到,该聚合物易溶于1, 2-二氯乙烷(DCE)、氯仿(CHCl3)、NMP、N, N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲亚砜(DMSO)和四氢呋喃(THF)等普通溶剂中。表明在主链上引入体积较大、扭曲的非共平面的三苯基氧磷结构,较大程度地破坏了大分子链的规整性,同时使大分子链堆砌不紧密,有利于溶剂小分子渗入,起到增溶的作用。以NMP为溶剂,将聚合物制成厚约100 μm的薄膜,测得其拉伸强度为62 MPa,弹性模量为2.1 GPa,断裂伸长率为13%,表明P-PEEKK具有较好的力学性能。

    表 2

    表 2  P-PEEKK的溶解性能
    Table 2.  Solubility of P-PEEKK
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    Solvent DCE CHCl3 NMP DMAC DMSO THF H2SO4(conc.)
    Solubility + + + + + + +
    Note:+:soluble; testing temperature:30 ℃.

    以二(4-苯氧基苯基)苯基氧化磷单体与对苯二甲酰氯进行缩聚,制备出含三苯基氧磷结构的聚芳醚醚酮酮树脂。由于分子主链上引入了体积较大、扭曲的非共平面结构的三苯基氧磷,该树脂为非晶聚合物,玻璃化转变温度为190.5 ℃,热分解温度为515 ℃,具有较高耐热性,且易溶解于1, 2-二氯乙烷、氯仿、N, N-二甲基乙酰胺等有机溶剂中,可进行涂膜等加工。该树脂拉伸强度为62 MPa,弹性模量为2.1 GPa,具有良好的力学性能;其极限氧指数为42,具有良好的阻燃性能。该树脂可望作为是高温微电子器件的潜在候选材料。

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  • Scheme 1  Synthesis of monomer BPOPPO

    Scheme 2  Synthesis of polymer P-PEEKK

    图 1  单体BPOPPO的1H NMR谱图

    Figure 1  1H NMR spectrum of monomer BPOPPO

    图 2  BPOPPO和P-PEEKK的FT-IR谱图

    Figure 2  FT-IR spectra of BPOPPO and P-PEEKK

    a.BPOPPO; b.P-PEEKK

    图 3  聚合物P-PEEKK的1H NMR谱图

    Figure 3  1H NMR spectrum of polymer P-PEEKK

    图 4  P-PEEKK的DSC曲线

    Figure 4  DSC curve of polymer P-PEEKK

    图 5  P-PEEKK的TGA曲线

    Figure 5  TGA curve of polymer P-PEEKK

    图 6  聚合物P-PEEKK的X射线衍射图

    Figure 6  X-ray diffraction pattern of polymer P-PEEKK

    表 1  P-PEEKK的性能

    Table 1.  Performance of P-PEEKK

    Sample ηinh/(dL·g-1) Mn Mw PDI Tg/℃ Td/℃a
    P-PEEKK 0.65 30121 47 168 1.56 193 515
    a.Temperature at 5% mass loss by TG.
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    表 2  P-PEEKK的溶解性能

    Table 2.  Solubility of P-PEEKK

    Solvent DCE CHCl3 NMP DMAC DMSO THF H2SO4(conc.)
    Solubility + + + + + + +
    Note:+:soluble; testing temperature:30 ℃.
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  • 发布日期:  2018-11-10
  • 收稿日期:  2017-11-14
  • 接受日期:  2018-02-05
  • 修回日期:  2018-01-12
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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