2436803 - Способ получения цианэтиловых эфиров полимеров винилового спирта

Способ получения цианэтиловых эфиров полимеров винилового спирта

Изобретение имеет отношение к способу получения цианэтиловых эфиров полимеров винилового спирта. Способ включает цианэтилирование твердых полимеров винилового спирта жидким акрилонитрилом в присутствии катализатора гидроксида натрия при температуре (50-70)°C с получением раствора цианэтилового эфира и последующего высаждения полимера жидким осадителем. Цианэтилирование ведется в избытке акрилонитрила при мольном соотношении акрилонитрил : полимер винилового спирта, равном (1,2-1,5):1, до получения раствора эфира в акрилонитриле с вязкостью (75-450) Па·с. Указанное значение вязкости раствора поддерживают добавлением ацетона до полного растворения полимера. В качестве осадителя используют (0,4-1,3)%-ный водный раствор сополимера винилового спирта с винилацетатом, содержащего (8-12)% масс. ацетатных групп. Технический результат - получение цианэтиловых эфиров с высокими диэлектрическими и хорошими вибропоглощающими свойствами. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Реферат

Заявляемое изобретение относится к химии полимеров, а именно к цианэтиловым эфирам полимеров винилового спирта. Указанные продукты могут найти применение для изготовления изделий радиоэлектронного и электротехнического назначения, функционирующих в условиях значительных вибрационных нагрузок в диапазоне температур от 13 до 57°С. Для успешной эксплуатации материалы должны обладать одновременно высокими значениями показателей диэлектрической проницаемости (ε) и вибропоглощающих характеристик при температуре использования.

Известны способы получения высокоэффективных в указанном диапазоне температур вибропоглощающих материалов на основе сополимеров винилацетата с бутилакрилатом [RU №1637284, МКИ⁴ C08F 218/08, 1994; RU №1771191, МКИ⁴ C08F 218/08, 1994]. Однако диэлектрическая проницаемость этих вибропоглощающих материалов не превышает 2,2. Более высокие значения ε свойственны цианэтиловым эфирам полимеров винилового спирта.

Известен способ получения цианэтилового эфира поливинилового спирта (ПВС) [US №2341553, НКИ 260-90, 1944] путем цианэтилирования твердого ПВС в жидкой фазе акрилонитрила (АН) в присутствии катализатора гидроксида или цианида натрия при температуре (50-100)°С с получением раствора цианэтилового эфира ПВС в АН и последующего высаждения полимера жидким осадителем. В качестве осадителя использовали воду или смесь воды с этанолом, или диэтиловый эфир. Лучший результат диэлектрической проницаемости (ε=8,0) достигнут при соотношении АН: ПВС, равном 4,9:1. Однако вибропоглощающие свойства указанного продукта низки (смотри пример 10 К таблиц 1 и 2).

Также известен [US №3067141, НКИ 252-63.2, 1962] способ получения цианэтилового эфира поливинилового спирта (ЦЭПС) путем цианэтилирования твердого ПВС в избытке жидкого АН в присутствии катализатора гидроксида натрия при температуре 50°С с последующим высаждением полимера жидким осадителем. Реакцию вели при мольном соотношении АН:ПВС, равном 18,25:1, а в качестве жидкого осадителя использовали кипящую воду. Избыточный АН отгоняли с водяным паром, высажденный ЦЭПС дважды переосаждали в системе ацетонитрил (растворитель) - метанол (осадитель), промывали водой и сушили при 130°С. Продукт, содержащий 12,1% масс. связанного азота, имел значение ε, равное 12,6, однако вибропоглощающие свойства полимера низки (смотри пример ПК таблиц 1 и 2).

Известен также [авт. свид. SU №802.294, МКИ³ C08F 16/06, 1981] способ получения ЦЭПС, включающий реакцию цианэтилирования твердого ПВС в избытке АН при мольном соотношении АН: ПВС, равном 5,0:1, в присутствии катализатора гидроксида натрия при температуре 77°С с последующим добавлением в реакционную массу диметилформамида, отгонкой непрореагировавшего АН и высаждением полимера из раствора в пятикратный избыток охлажденной до температуры (2-4)°С воды. ЦЭПС очищался переосаждением в системе ацетон (растворитель) - вода (осадитель), промывался водой и сушился при (40-60)°С.

К недостаткам указанного способа относится то, что готовый полимер, содержащий 14% масс. связанного азота, характеризуется низкими значениями диэлектрической проницаемости (ε=3,1) и вибропоглощающих свойств (смотри пример 12 К таблиц 1 и 2).

Также известен [патент Китая №1528799, МКИ⁷ C08F 261/04, 2004] способ получения ЦЭПС, включающий реакцию цианэтилирования твердого ПВС со степенью полимеризации от 600 до 2000 в избытке АН при мольном соотношении АН: ПВС=(9,1-11,6):1 в присутствии в качестве катализатора (8-12)% масс. от ПВС гидроксида натрия с последующим высаждением полимера из полученного раствора жидким осадителем - водой, отгонку непрореагировавшего АН, двойную очистку ЦЭПС переосаждением в системе ацетон (растворитель) - вода (осадитель) и вакуумную сушку при температуре (80-90)°С. Особенностью реакции цианэтилирования является проведение ее в две стадии, на первой из которых температура поддерживается в диапазоне (50-70)°С, а на второй - на (2-10)°С ниже. Длительность первой стадии составляет (30-70) минут, а второй - (60-120) минут.

Полученный ЦЭПС с содержанием связанного азота 14% масс. имеет диэлектрическую проницаемость 14,9, однако вибропоглощающие свойства его низкие (смотри пример 13 К таблиц 1 и 2).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ получения цианэтилового эфира сополимеров винилового спирта с олефинами [US №4413090, МКИ⁴ C08F 8/30, 1983]. Согласно этому способу твердый сополимер винилового спирта цианэтилируют жидким АН в присутствии катализатора гидроксида натрия при температуре 50°С с высаждением продукта жидким осадителем. Сополимеры винилового спирта с этиленом (СВСЭ) содержали (32-45)% мольных этилена и характеризовались среднечисленной степенью полимеризации 1500. Цианэтилирование вели при мольном соотношении АН: СВСЭ=3,9:1. В качестве жидкого осадителя использовали воду. Непрореагировавший АН отгоняли под вакуумом. Полученный цианэтиловый эфир сополимера винилового спирта с этиленом (ЦЭСВСЭ) содержал 12,9% масс. связанного азота и имел значение ε, равное 19,5; однако вибропоглощающие свойства его низкие (смотри пример 14 К таблиц 1 и 2).

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в получении продукта, обладающего наряду с высокой диэлектрической проницаемостью, хорошими вибропоглощающими свойствами в диапазоне температур от 13 до 57°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения цианэтиловых эфиров полимеров винилового спирта, включающем цианэтилирование твердых полимеров винилового спирта жидким акрилонитрилом в присутствии катализатора гидроксида натрия при температуре (50-70)°С с получением раствора цианэтилового эфира и последующее высаждение продукта жидким осадителем, цианэтилирование ведется при мольном соотношении акрилонитрил : полимер винилового спирта, равном (1,2-1,5):1, до получения раствора эфира в акрилонитриле с вязкостью (75-450) Па·с, после чего поддерживается указанное значение вязкости раствора добавлением ацетона до полного растворения полимера, а в качестве осадителя используют (0,4-1,3)%-ный водный раствор сополимера винилового спирта с винилацетатом, содержащего (8-12)% масс. ацетатных групп.

В качестве полимера винилового спирта может быть использован поливиниловый спирт или сополимер винилового спирта с (9-26)% мольными этилена.

Указанные полимеры выпускаются промышленностью: ПВС со степенью полимеризации от 500 до 1800 по ГОСТ 10779-78; сополимеры винилового спирта с этиленом со степенью полимеризации 800-2000 путем гидролиза сополимеров винилацетата с этиленом по ТУ 6-05-1898-80.

Сополимер винилового спирта с винилацетатом, содержащий (8-12)% масс. ацетатных групп, выпускается промышленностью под маркой ПВС 18/11 по ГОСТ 10779-78 и известен под наименованием «сольвар». Он широко применяется в качестве стабилизатора при суспензионной полимеризации стирола, винилацетата и т.д.

Вязкость 4%-ного водного раствора этого сополимера составляет (1,7-2,0) Па·с.

Заявляемое изобретение иллюстрируется примерами, но не ограничено ими.

Пример 1. Получение ЦЭПС

В трехлитровый реактор - стеклянную 4-тубусную колбу, снабженную стеклянной мешалкой с переменным числом оборотов, форштосом и обратным холодильником, загружали 200 г сухого ПВС, содержащего 1% масс. ацетатных групп, со среднечисленной степенью полимеризации 1200 и 340 г АН. Мольное соотношение АН: ПВС=1,4:1. Температуру в реакторе поднимали до 70°С и при постоянном перемешивании вводили в реакционную массу 20 г 10%-ного водного раствора гидроксида натрия (2 г в расчете на сухой NaOH; 1% масс. в расчете на ПВС). Практически сразу начиналось кипение АН, которое продолжалось 60 минут. Затем температура в реакторе самопроизвольно начала снижаться и резко стала нарастать вязкость реакционной массы. По достижении значения вязкости 75 Па·с в реактор начинали дозировать ацетон (АЦ) в количестве 430 г за 5 приемов равными порциями в течение 30 минут, тем самым поддерживали вязкость системы в области (85-95) Па·с до полного растворения ПВС и получения однородной желто-янтарной массы. С последней порцией АЦ в реактор ввели 2 г 37%-ной соляной кислоты для нейтрализации щелочи и таким образом завершили реакцию цианэтилирования.

Далее при работающей мешалке и температуре 50°С в реактор загрузили 800 мл 0,5%-ного водного раствора сополимера винилового спирта с винилацетатом (сольвара), характеризующегося содержанием ацетатных групп 10,1% масс. (вязкостью 4%-ного раствора в воде 1,8 Па·с). Полученную смесь перемешивали при температуре 50°С в течение 120 минут, во время которых из раствора выделяется ЦЭПС в виде мелких гранул. Полимер отделяли от жидкой фазы и три раза промывали обессоленной водой, после чего сушили при температуре 20°С в вакууме 400 Торр до постоянного веса.

Выход готового продукта составил 408,4 г; содержание связанного азота 12,9% масс.

Полученный продукт ЦЭПС испытывали для определения диэлектрических и вибропоглощающих показателей.

Пленки из раствора полученного полимера толщиной (30-35) мкм для измерения диэлектрической проницаемости изготавливали методами трафаретной печати и полива с использованием 30%-ных растворов ЦЭПС в смеси растворителей - диметилформамида и монометилового эфира этиленгликоля, взятых в соотношении 1:1. При трафаретной печати раствор продавливали ракелем через сетчатый полимерный фильтр №78 (78 линий на 1 см, толщина нити 40 мкм, отверстие 80 мкм) и через открытые печатающие элементы он проникал на поверхность подложки. Полив производили через фильеру с зазором 100 мкм. После нанесения на подложку пленки сушили на воздухе в течение суток, а затем в сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 1 часа. Диэлектрическую проницаемость пленок определяли с использованием моста переменного тока Р5010 в соответствии с ГОСТ 6433.4-71.

В качестве вибропоглощающих показателей определяли коэффициент механических потерь пленки и коэффициент механических потерь трехслойного металлополимерного материала.

Коэффициент механических потерь пленки (КМП_пл) измеряли методом вынужденных колебаний в соответствии с методикой, описанной в [Ю.И.Поликарпов, А.П.Рудаков, М.И.Бессонов. Установка для измерения комплексного динамического модуля Юнга полимеров. - Заводская лаборатория, т.42, №12, 1976, с.1517-1520]. Пленки изготавливали прессованием при 120°С и удельном давлении 100 ати.

Коэффициент механических потерь трехслойного металлополимерного материала (КМП_мпм) определяли в соответствии с техническими условиями ТУ 6-05-041-560-77 «Пленка термопластичная пластифицированная». Образцы трехслойного материала в виде пластин размером 500×25 мм готовили прессованием при температуре 100°С и удельном давлении 10 ати. В качестве наружных металлических слоев использовали листы из алюминиевого сплава АМГ толщиной 1,8 мм.

Результаты измерения свойств готового ЦЭПС представлены в таблицах 1 и 2.

Пример 2. Получение ЦЭПС

Процесс получения ЦЭПС осуществляли как в примере 1, используя ПВС со среднечисленной степенью полимеризации 500 (вязкость 4%-ного водного раствора 0,6 Па·с, содержание винилацетатных звеньев 0,7% масс.). Навески ПВС и АН составляли 200 г и 289 г соответственно. Мольное соотношение АН: ПВС=1,2:1. Количество АЦ, подаваемого на второй стадии, составляло 460 г. Вязкость реакционной массы на второй стадии поддерживалась в диапазоне (75-83) Па·с. ЦЭПС высаждали 0,4%-ным водным раствором сольвара, характеризующегося содержанием винилацетатных звеньев 8,0% масс. и вязкостью 4%-ного водного раствора 1,7 Па·с.

Выход готового продукта - 403,5 г. Содержание связанного азота и свойства ЦЭПС представлены в таблицах 1 и 2.

Пример 3. Получение ЦЭПС

Процесс получения ЦЭПС осуществляли по примеру 1, используя ПВС со среднечисленной степенью полимеризации 1800 (вязкость 4%-ного водного раствора 2,4 Па·с, содержание винилацетатных звеньев 0,5% масс.). Навески ПВС и АН составляли 200 г и 361 г соответственно. Мольное соотношение АН:ПВС=1,5:1. Количество АЦ, подаваемого на второй стадии, составляло 400 г. Вязкость реакционной массы на второй стадии поддерживалась в диапазоне (136-250) Па·с. ЦЭПС из раствора высаждали 0,7%-ным водным раствором сольвара, характеризующегося содержанием винилацетатных звеньев 12% масс. и вязкостью 4%-ного водного раствора 2,0 Па·с.

Выход готового продукта - 405,3 г. Содержание связанного азота и свойства ЦЭПС представлены в таблицах 1 и 2.

Пример 4. Получение ЦЭСВСЭ

Процесс получения ЦЭСВСЭ осуществляли как в примере 1, но использовали 200 г сухого порошкообразного сополимера винилового спирта с этиленом с содержанием звеньев этилена 14,5% мол. и винилацетата 0,3% мол., со среднечисленной степенью полимеризации 1200 (вязкость 4%-ного водного раствора 1,6 Па·с). Количество АЦ, вводимого на второй стадии, составляло 480 г. Вязкость реакционной массы поддерживали в диапазоне (95-105) Па·с до полного растворения СВСЭ и получения однородной желто-янтарной массы. ЦЭСВСЭ высаждали 0,6%-ным водным раствором сольвара с содержанием ацетатных групп 10,1% масс. и вязкостью 4%-ного раствора в воде 1,8 Па·с.

Выход готового продукта составил 385,2 г.