一种具有宽分子量分布的聚芳醚酮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有宽分子量分布的聚芳醚酮及其制备方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

聚醚醚酮是高性能的热塑性塑料，其具有优异的机械性能和高结晶，并且具有143℃的玻璃化转变温度(Tg)和343℃的熔点(Tm)。为了减少加工难度，我们需要具有较宽分子量分布的聚醚醚酮，但现有的具有较宽分子量的聚醚醚酮是因提高了分子链的支化程度而得到的，而链支化的产生会使得聚合物的拉伸强度变低同时也使得产物的凝胶率变高，当高聚物的凝胶率过高时，会使得材料的黏度变大，材料的高温稳定效果也会变差，这是不利于材料的加工的，而且在材料加工完成后缺陷会明显多于凝胶更少的材料，这对力学性能是有影响的，且在制备薄膜制品时，过高的凝胶会在膜上产生鱼眼，品质下降。因此，需要提供一种新的具有宽分子量分布的聚芳醚酮的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有宽分子量分布的聚芳醚酮，本发明通过高分子量与低分子量聚芳醚酮共混的方式制备具有较宽分子量分布的聚芳醚酮，具体采用了挤出共混和溶液共混的方式，本发明提供的聚芳醚酮具有较宽的分子量分布，且不具有较高的支化程度。

本发明提供的聚芳醚酮，其Tg至少达143℃，Tm至少达330℃，结晶度至少为20％，PDI为2.5～2.9，凝胶含量最低至0.2％；

所述聚芳醚酮具有以下化学式的重复单元：

-O-Ph-O-Ph-CO-Ph-

其中，Ph代表亚苯基部分；每个重复单元的苯基部分与其所连接的原子之间可以独立的以1,4-连接键或1,2-连接键连接，当一个苯基部分包括1,2-连接键时，该部分处将处于该聚合物的非晶相中，晶体相会包括具有1,4-连接键的苯基部分，在众多情况下，优选为晶体相，且相应的，优选为包括具有1,4-连接键的苯基部分。

优选地，化学式重复单元中每个Ph部分与其连接的部分之间以1,4-连接键连接。

优选地，所述聚芳醚酮含有如下重复单元，

本发明聚芳醚酮优选为聚醚醚酮。

本发明提供了一种通过挤出共混的方式制备具有宽分子量分布的聚芳醚酮的方法，具体包括如下步骤：

S1、在惰性气氛下，在碱金属碳酸盐存在的条件下，有机二卤化物与双酚进行亲核缩聚；同时进行两组所述亲核缩聚的反应；

S2、向步骤S1的两组反应体系中均加入盐进行终止反应；

S3、向步骤S2的两组反应体系中均加入有机卤化物进行封端；

S4、冷却步骤S3的两组反应体系后经提纯分别得到高分子量的聚芳醚酮和低分子量的聚芳醚酮；

S5、将所述高分子量的聚芳醚酮和所述低分子量的聚芳醚酮混合后进行挤出共混，即得到所述聚芳醚酮。

本发明同时还提供了一种通过溶液共混的方式制备具有宽分子量分布的聚芳醚酮的方法，具体包括如下步骤：

SⅠ、在惰性气氛下，在碱金属碳酸盐存在的条件下，有机二卤化物与双酚进行亲核缩聚，进行两组所述亲核缩聚的反应，控制两组所述亲核缩聚同时结束；

SⅡ、在步骤SⅠ的两组反应体系中均加入盐进行终止反应，随后加入有机卤化物进行封端；

SⅢ、将步骤SⅡ的两组反应体系混合于熔融的芳族砜中，进行搅拌，恒温15～30min后，依次经冷却和纯化即得所述聚芳醚酮。

上述的制备方法中，步骤S1或SⅠ中，所述碱金属碳酸盐为碳酸钠与碳酸钾；

所述碳酸钠与所述双酚的摩尔比为1.001～1.14；

所述碳酸钾与所述碳酸钠的比为0.020～0.035，此优选范围内可提供较高的反应速率，并且可有效降低无益的副反应，抑制了可能存在的过度链支化；

所述亲核缩聚采用的溶剂为芳族砜，所述芳族砜可为二苯砜、二苯并噻吩二氧化物、吩噁噻二氧化物和4-苯基磺酰基联苯，优选为二苯砜。

上述的制备方法中，步骤S1或SⅠ中，所述有机二卤化物为4,4’-二氟二苯甲酮、2,4’-二氟二苯甲酮、4-氯-4’-氟二苯甲酮、4,4’二氯二苯甲酮、1,4-双(4’-氟苯甲酰基)苯或其混合物，优选4,4’-二氟二苯甲酮、2,4’-二氟二苯甲酮或其混合物；

所述双酚为对苯二酚，4,4’-二羟基联苯、4,4’-二羟基二苯甲酮、4,4’二羟基二苯醚、1,4-二羟基萘、2,3-二羟基萘或其混合物，优选对苯二酚；

所述有机二卤化物与所述双酚的摩尔比为1.002～1.03，可通过调节该摩尔比实现对产物分子量的控制，在本发明的背景下，该摩尔比越大，得到的产物的分子量越小。

上述的制备方法中，步骤S1或SⅠ中，所述亲核缩聚的反应温度为180℃～300℃，反应时间为7.5h～8h，可通过调节反应时间实现对产物分子量的控制，通常来说，反应时间越长，得到的产物的分子量越大。

上述的制备方法中，步骤S2或SⅡ中，所述盐为碱金属盐，选自碳酸锂、氯化锂、碘化锂、溴化锂或硫酸锂；

所述盐与所述双酚的摩尔比为0.02～0.18:1；

步骤S3或SⅡ中，所述有机卤化物可为单氟取代的卤化物，一个芳基上的取代基为氟，另一个芳基上的取代基为氢原子、-SO

优选加入所述盐后的15min，再加入所述有机卤化物；

添加所述盐和所述有机卤化物的时间控制为2min以内或者更短；

所述封端在如下条件下进行：

温度为290～315℃；

时间为15～45min；

步骤S4中，通常将反应产物放置在不锈钢板上进行冷却；

在所述冷却之后，将冷却物研磨成粗粉，优选的，最大尺寸小于1.3mm，最小尺寸大于0.22mm，采用合适的分离装置取出有机溶剂，通常使用索氏抽提器进行分离，优选采用部分与水混容的有机溶剂来进行萃取以除去溶剂如二苯砜，优选溶剂如丙酮。接着使用超纯水或者去离子水洗去水溶性有机溶剂如丙酮，紧接着使用去离子水或纯水进行漂洗，并对共混物进行加热，优选温度为50～60℃，反复五次洗涤以除去水溶性残余物如钾盐和钠盐，此过程可通过检测洗涤水的电导率来进行把控，一旦达到可要求范围，就可立即从洗涤水中过滤产物，干燥过滤的材料以获得可回收的PAEK，得到的PAEK里残留的溶剂残余应少于0.03％。

上述的制备方法中，步骤S5中，所述挤出共混的步骤如下：

将所述高分子量的聚芳醚酮与所述低分子量的聚芳醚酮混合，通过挤出机进行造粒；

所述挤出机为同向平行双螺杆挤出机。

上述的制备方法中，步骤S5中，所述高分子量的聚芳醚酮与所述低分子量的聚芳醚酮的质量比为2～9:1～8，优选9:1、8:2、7:3、3:7或2:8，最优选7:3。

所述方法还包括1～3次挤出造粒的步骤，以使两种聚芳醚酮混合的更加充分，提高分散性，进而提高分子量分布。

上述的制备方法中，步骤SⅡ中，以所述有机二卤化物的质量计，两组反应体系的配比为2～9:1～8，优选9:1、8:2、7:3、3:7或2:8，最优选7:3。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的聚芳醚酮在低剪切强度下的黏度相同时在高剪切强度下的黏度更小，可以显著地使得产品的加工难度降低，使得产品的可适用范围增多。

本发明提供的聚芳醚酮的凝胶含量明显减少，在制备模制品时加工过程更加简洁，不会由于凝胶的聚集而使得在薄膜上出现显著的鱼眼。

附图说明

图1为实施例1-8和对比例2制备的聚醚醚酮的高剪切和低剪切下的黏度曲线。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中各测试方法如下：

1、黏度的测试方法

黏度为剪切应力与剪切速率之比，单位为Pa.s。

采用毛细管流变仪测定塑料的流动性的方法，也可称之为表观黏度的测试方法，根据GB/T 25278-2010，ISO 11443，ASTM D3835标准，使用Dynisco实验室毛细管流变仪LCR7001进行的一种测试方法。该方法使塑料熔体被挤压通过已知尺寸的毛细管口模，在规定体积流动速率的条件下，测试试验压力。

所用设备的口模具有以下尺寸：1mm直径以及20mm长度，口模的长径比(L/D)为20。

测定前，应对测试样品按照GB/T2918-1998的规定对样品进行状态调节，条件为温度23±2℃，湿度50±10％，时间24±0.5小时。

测试前，应保证让各部件在试验温度下达到热平衡，之后开始装料，将样品少量分次加入料筒，立即用柱塞压实以防止带入空气。装料至离料筒顶部约12.5mm，一般物料测量使用量为10～15g聚合物，在2分钟内完成装料。

加料后立即开始预热计时，预热5分钟，测试条件为400℃，剪切速率分别为100s

2、分子量分布测试方法

采用凝胶色谱测试PEEK分子量的步骤如下：

首先配置流动相，流动相选择使用1,2,4-三氯苯和4-氯苯酚；将PEEK进行溶解，将0.1g的PEEK溶于5ml的4-氯苯酚；将试剂瓶盖上铝盖，放置在加热振荡器上，温度180℃，加热至完全溶解；将试剂瓶冷却到室温，加入5ml1,2,4-三氯苯，使用注射器将溶液滤过0.45μm的玻纤过滤器；将滤液进行凝胶色谱测试，将得到的数据进行分析。

3、凝胶测试方法

凝胶测试使用砂芯漏斗，将40mlG4砂芯漏斗放置在烘箱内恒温150℃持续8小时，待冷却后取出静置，使用分析天平称重砂芯漏斗重量W1；用分析天平取0.1g PEEK样品放入试剂瓶中，加入5ml 4-氯苯酚，随后放入到震荡器中恒温180℃震荡2h，待完全溶解无残留物后，放置在操作台上冷却至室温，再向其中加入1,2,4-三氯苯静置5min；将同一批次5组溶液倒入砂芯漏斗中进行抽滤，再取10ml 4-氯苯酚洗涤试剂瓶和砂芯漏斗，抽滤，接下来再使用25ml无水乙醇洗涤砂芯漏斗抽滤，最后放入到烘箱内干燥2h。待冷却后取出漏斗，用分析天平称重W2；(W2-W1)/0.5g×100％即为PEEK凝胶的百分含量。

本发明将通过以下非限制性的实例进一步说明。除非另有说明，在这些实例中量值表示为按重量计的百分比。

实施例1、高分子量的聚醚醚酮的制备

使用一个3L的开口烧瓶，并配有四口盖、搅拌器、搅拌桨、氮气保护输入装置、热电偶温度探测装置和开口烧瓶夹子。向其中依次加入1425g(6.529mol)二苯砜，444.86g(纯度为99.9％、2.036mol)的4,4-二氟二苯甲酮、223.35g(2.029mol)对苯二酚、245g(2.312mol)精细研磨过的碳酸钠和6.5g(0.047mol)优级纯碳酸钾。使用高纯氮气以0.14L/min的速率吹扫保护20min，将烧瓶内空气排净。将温度在1h内缓慢升到140℃，此时物料融化，开启搅拌设备对物料开始搅拌。以2℃/min的升温速率将温度升到180℃，恒温保持60min；再以1℃/min的升温速率将温度提高至190℃，恒温30min；之后再以0.5℃的升温速率升温至200℃，再恒温30min；紧接着以1℃/min的升温速率将温度提至280℃，在此温度下保温60min。最后将温度以1℃/min的升温速率升至300℃，保持60min后向烧瓶中投入10.17g(0.24mol)氯化锂，接着搅拌10分钟后，投入6.64g(0.03mol)4-氟二苯甲酮进行封端。持续搅拌30min来进行终止反应。

最后将反应器内得到的产物混合物倾倒铺平在不锈钢板上进行放置，等待该混合物冷却到室温后。将所得到的反应物使用粉碎机粉碎研磨筛分，得到15-60目数之间的混合物颗粒。称取100g混合物颗粒加入索氏抽提器中，使用丙酮作为溶剂，提取粉末颗粒中的反应溶剂二苯砜及其他剩余有机物杂质，反复抽提1小时。接下来使用纯化水浸泡滤出的颗粒，加热时温度升至60℃后将去离子水倒出，用去离子水进行漂洗后再次加热，反复5次以上，直至电导率处于2～10μS。将水洗之后的产物放入真空干燥箱，将腔内温度设置为150℃，真空干燥12小时。

实施例2、低分子量的聚醚醚酮的制备

实施例2与实施例1的制备过程基本一致，不同的是在反应进行到280℃1小时的时候立即向体系中投入10.17g氯化锂，搅拌5分钟后，投入4-氟二苯甲酮封端。搅拌30min后倒出，冷却粉碎洗涤。

实施例1和实施例2制备的聚醚醚酮干燥后进行黏度测试，结果如表1所示。

表1实施例1和实施例2制备的聚醚醚酮的黏度

将实施例1和2得到的产物分别按照9:1、8:2、7:3的质量比共混后，使用同向平行双螺杆挤出机，螺杆直径为18mm，长径比32:1进行挤出造粒，黏度如表2所示。

表2实施例1和2制备的聚醚醚酮挤出共混后的黏度

对比例1、直接混合高分子量和低分子量的聚醚醚酮

将实施例1和实施例2得到的物料直接按7:3、8:2、9:1的质量比进行搅拌机混合，黏度如表3所示。

表3实施例1和2制备的聚醚醚酮直接混合后的黏度

实施例3、溶液混合法制备宽分子量分布的聚醚醚酮

按照实施例1和实施例2的合成方法进行合成，区别在于：反应物用量分别等比缩小，实施例1分别缩小到0.9，实施例2分别缩小到原来的0.1。通过控制反应开始时间使得两个反应同时结束，并将两个反应器内容物同时倒入一个10L的反应釜中，此时10L的反应釜温度为300℃，其中有2kg的熔融二苯砜，该反应釜配有涡轮搅拌桨，高速搅拌15分钟然后放出，进行冷却固化，纯化干燥。

实施例4、

重复实施例3，改变在于反应物用量等比缩小到原来的0.8和0.2。

实施例5、

重复实施例3，改变在于反应物用量等比缩小到原来的0.2和0.8。

实施例3-5制备的聚醚醚酮的黏度如表4所示。

表4实施例3-5制备的聚醚醚酮的黏度

对比例2、

重复实施例1，区别在于改变原料中氟酮的质量，制备分子量大小不同的产品。测试熔指和黏度，如表5中所示。

表5实施例6各条件下制备的聚醚醚酮的黏度

实施例6、

使用生产用5000L反应釜进行聚合反应。分别按照实施例1和实施例2进行放大，按照常规生产工序进行后处理，得到外观常规的粗粉颗粒，分别采用8:2、9:1的配比进行挤出造粒，黏度如表6所示。

表6实施例7制备的聚醚醚酮的黏度

实施例7、

将实施例6中的E

表7实施例7制备的聚醚醚酮的黏度

对比例3、

采用支化合成路线(与实施例1相同，但使用更低纯度的氟酮原料)进行合成实验，制备的聚醚醚酮进行黏度测试，黏度如表8所示。

表8对比例3制备的聚醚醚酮的黏度

支化合成路线与实施例1的不同在于改变氟酮的来源，常规合成的氟酮原料纯度达99.8％～99.9％，而支化法的氟酮原料纯度更低(为98.3％～98.9％)。其中，由于氟酮原料纯度更低，所以较实施例1氟酮过量。

对实施例1-7和对比例1-3的物料进行分子量分布测试和凝胶测试，结果如表9所示。

所得产物聚醚醚酮进行吸光度测试(吸光度测试：用浓硫酸溶解产物后用分光光度计测试在550nm下的吸光度)，测得的吸光度为0.09～0.10之间，而实施例1制备的聚醚醚酮的吸光度为0.22～0.23，通过吸光度的测试结果可以确定，支化合成路线制备的聚醚醚酮较少吸收在550nm波长下的光，表明其羰基支化水平较高，因此其具有较宽分子量是由于氟酮原料纯度降低使产物的支化度提升而带来的。

通过对比发现，按照常规工艺的对比例3得到的产物，可以看出混合挤出的材料在100s

实施例3-5通过直接将得到的反应釜内容物在添加终止剂后直接在溶液状态下混合搅拌，得到的产物通过测试发现也具有较宽的分子量分布效果。这说明溶液状态下的高速共混与得到物料之后再进行双螺杆挤出共混可以得到一致的结果。

通过将常规物料黏度曲线、与实施例趋势线进行对比可以看出，本发明的制造的PEEK与具有相同100s

并且在通过凝胶测试之后可以发现，本发明方法制备的聚醚醚酮的凝胶含量明显低于支化合成路线的产物，这反映了本发明制备的产物的支化度更低。

表9实施例1-7和对比例1-3制备的聚醚醚酮的黏度、PDI和凝胶含量