Способ получения сополимеров тетрафторэтилена (варианты)
Использование: для получения химически стойких и термостойких сополимеров тетрафторэтилена (ТФЭ). Сущность изобретения: сополимеры ТФЭ получают следующим образом. Первый вариант: полимеризацией ТФЭ с одним или несколькими фторированными сомономерами с этиленовоненасыщенными связями в водной эмульсии в присутствии диспергаторов, неорганического перекисного инициатора и переносчика цепи - асимметричного дифторэтана CHF2-CH3, используемого в количестве 0,55 - 30 мол.% по отношению к смеси сомономеров, процесс проводят до получения сополимеров с нестабильными концевыми карбоксильными или карбоксилатными группами. Полимеризацию проводят в присутствии основания или основной соли в количестве, необходимом для получения сополимера с нестабильными карбоксилатными группами, например, соли натрия или калия, в количестве, необходимом для создания рH среды 7-10. В качестве перекисного инициатора используют персульфат натрия или калия. В качестве диспергатора используют соли калия или натрия перфторалкилкарбоновых кислот или соли натрия или калия перфторалкоксиэфирных кислот. Полимеризацию проводят в присутствии водной эмульсии или микроэмульсии перфторполиэфиров с концевыми перфторалкиловыми группами, содержащей перфторированный диспергатор. Второй вариант: способ осуществляют аналогично первому варианту, но процесс проводят в присутствии основания или основной соли калия или натрия при рH 7-8 с получением сополимеров с нестабильными концевыми карбоксилатными группами, которые затем подвергают термообработке при 180-300oC до получения сополимера со стабильными концевыми группами - CF2H. Третий вариант: способ осуществляют аналогично первому варианту до получения сополимеров с нестабильными концевыми карбоксилатными группами, затем сополимер обрабатывают основанием или основной солью калия или натрия до установления рH среды 7-8 и затем подвергают термообработке при 180-300oC и процесс проводят до получения сополимера со стабильными концевыми группами - CF2H. Четвертый вариант: способ осуществляют аналогично первому варианту, но процесс проводят в присутствии основания или основной соли в количестве, необходимом для поддержания рH среды до 7-9, и водного раствора аммиака, взятого в избытке по отношению к стехиометрическому количеству, необходимому для превращения нестабильных концевых групп в стабильные - CONH2 группы. Асимметричный дифторэтан используют в количестве 0,55-10 мол.% по отношению к смеси мономеров. В качестве неорганического перекисного инициатора используют персульфат аммония, в качестве основания или основной соли - основную соль аммония, а в качестве диспергатора - аммониевую соль перфторалкилкарбоновой кислоты или перфторалкоксиэфирной кислоты. Полимеризацию проводят в присутствии водной эмульсии или микроэмульсии перфторполиэфиров с концевыми перфторалкильными группами, содержащей перфторированный диспергатор. 4 с.п. и 10 з.п. ф-лы, 4 табл.
Изобретение относится к области химии полимеров и касается способа получения сополимеров тетрафторэтилена с другими перфторированными мономерами, имеющими очень высокую химическую стойкость и термостойкость.
Для производства сополимеров тетрафторэтилена с другими перфторированными мономерами путем полимеризации в водной эмульсии применяют перекисные инициаторы, переносчики цепей и диспергаторы. Известно, что перекисный инициатор и переносчики цепей вызывают образование нестабильных концевых групп в полимерных цепях. Эти нестабильные группы могут создавать проблемы во время обработки полимера с образованием пузырей в изделиях или их окрашиванием. Кроме того, может наблюдаться выделение ионов из изготовленного вручную изделия (трубки, электронные детали); поэтому для тех применений, где требуется высокая степень чистоты упомянутых сополимеров, необходимо уменьшить, по возможности значительно, количество ненасыщенных концевых групп. Известен способ получения сополимеров тетрафторэтилена с другим фторсодержащим ненасыщенным мономером в присутствии неорганического перекисного инициатора, диспергатора и переносчика цепи 1,1,1,2-тетрафторэтана, используемого в количестве 2,5-20 мол. [1] Анализ этого патента показывает, что по данному известному способу получают полимеры, имеющие концевые группы CF CF2 и CONH2. Предложенный способ заключается в эмульсионной сополимеризации тетрафторэтилена (ТЭФ) с другим фторсодержащим мономером в присутствии неорганического перекисного инициатора, диспергатора и переносчика цепи асимметричного дифторэтана в количестве 0,55-30 мол. от смеси мономеров. Согласно изобретению получают сополимер с нестабильными и стабильными группами. Пункты 1-9 формулы изобретения относятся к способу получения сополимера с нестабильными концевыми группами, а пункты 10, 11 и 12 15 представляют собой варианты способа получения сополимеров со стабильными группами. Сравнительный анализ показал, что предложенный способ отличается от известного тем, что в качестве переносчика цепи используют дифторэтан в количестве 0,55-30 мол. от суммы мономеров. Известно использование фторсодержащих этиленов, к каковым относится и дифторэтилен, в качестве переносчиков цепи при получении сополимеров ТФЭ [2] Заявка Японии N 57-22043 раскрывает способ получения химически и термически стабильного полимера тетрафторэтилена с помощью полимеризации тетрафторэтилена в жидкой среде в присутствии фторалканов или хлорфторалканов, имеющих 1-3 атома углерода в качестве телогена. В этой ссылке отсутствует раскрытие или даже простое упоминание наличия перекисных соединений. Более того, в этом документе раскрывается использование типичных фторалканов с 1-3 атомами углерода, а настоящее изобретение, напротив, основано на использовании исключительно асимметричных дифторэтанов. Фактически, прочие фторалканы, отличные от асимметричного тетрафторэтана, не позволяют получить желаемые результаты (см. сравнительные примеры 1 и 4 изобретения). Сравнительные испытания показывают, что использование симметричных дифторэтанов (CH2F CH2F) приводит к образованию полимеров, имеющих группы, отличные от желательных нестабильных -COOH групп. Объектом данного изобретения является способ получения сополимеров тетрафторэтилена с одним или несколькими фторированными сомономерами с этиленово-ненасыщенными связями путем полимеризации мономеров в водной эмульсии, в присутствии диспергаторов, неорганического перекисного инициатора и фторалкана в качестве переносчика цепи, отличающийся тем, что в качестве переносчика цепи используют асимметричный дифторэтан CHF2-CH3 в количестве 0,55-30 мол. по отношению к смеси сомономеров с нестабильными концевыми карбоксильными или карбоксилатными группами. В способе по изобретению асимметричный дифторэтан используют предпочтительно в количестве 0,55-10 мол. по отношению к смеси мономеров. Предпочтительно в способе по изобретению полимеризацию проводят в присутствии основания или основной соли в количестве, необходимом для получения сополимера с нестабильными карбоксилатными группами. В способе по изобретению в качестве основной соли предпочтительно используют соль натрия или калия. В способе по изобретению предпочтительно основание или основную соль используют в количестве, необходимом для создания pH полимеризационной среды 7-10. В качестве неорганического перекисного инициатора согласно изобретению предпочтительно используют персульфат натрия или калия. Предпочтительно в способе по изобретению в качестве диспергатора используют соединения, выбранные из группы, включающей соли натрия или калия перфторалкилкарбоновых кислот, соли натрия или калия перфторалкоксиэфирных кислот. По способу согласно изобретению полимеризацию проводят в присутствии водной эмульсии или микроэмульсии перфторполиэфиров с концевыми перфторалкиловыми группами, содержащей перфторированный диспергатор. Другим объектом изобретения является способ получения сополимеров тетрафторэтилена с одним или несколькими фторированными сомономерами с этиленово-ненасыщенными связями путем полимеризации в водной эмульсии в присутствии диспергаторов, неорганического перекисного инициатора и фторалкана в качестве переносчика цепи, отличающийся тем, что в качестве переносчика цепи используют асимметричный дифторэтан CHF2-CH3 в количестве 0,55-30 мол. по отношению к смеси сомономеров, причем полимеризацию осуществляют в присутствии основания или основной соли калия или натрия при величине pH 7-8 с получением сополимеров с нестабильными концевыми карбоксилатными группами, которые затем подвергают термообработке при 180-300oC, и процесс проводят до получения сополимера со стабильными концевыми группами -CF2H. Еще одним объектом изобретения является способ получения сополимеров тетрафторэтилена с одним или несколькими фторированными сомономерами с этиленово-ненасыщенными связями путем полимеризации в водной эмульсии в присутствии диспергаторов, неорганического перекисного инициатора и фторалкана в качестве переносчика цепи, отличающийся тем, что в качестве переносчика цепи используют асимметричный дифторэтан CHF2-CH3 в количестве 0,55-30 мол. по отношению к смеси сомономеров с получением сополимеров с нестабильными концевыми карбоксилатными группами, затем доводят начение pH среды до 7-8 и подвергают термообработке при 180-300oC и процесс проводят с получением сополимеров с нестабильными концевыми карбоксильными группами, полученный сополимер обрабатывают основанием или основной солью натрия или калия до установления pH среды 7-8 и затем подвергают термообработке при 180-300oC и процесс проводят до получения сополимера со стабильными концевыми группами -CF2H. Еще одним объектом изобретения является способ получения сополимеров тетрафторэтилена с одним или несколькими фторированными сомономерами с этиленовоненасыщенными связями путем полимеризации в водной эмульсии в присутствии диспергаторов, неорганического перекисного инициатора и фторалкана в качестве переносчика цепи, отличающийся тем, что в качестве переносчика цепи используют асимметричный дифторэтан CHF2-CH3 в количестве 0,55-30 мол. по отношению к смеси сомономеров, и процесс проводят в присутствии основания или основной соли в количестве, необходимом для поддержания pH среды до 7-9, и водного раствора аммиака, взятого в избытке по отношению к стехиометрическому количеству, необходимому для превращения нестабильных концевых групп в стабильные группы -CONH2. В указанном способе по изобретению асимметричный дифторэтан предпочтительно используют в количестве 0,55-10 мол. по отношению к смеси мономеров. Предпочтительно в указанном выше способе по изобретению в качестве неорганического перекисного инициатора используют персульфат аммония, в качестве основания или основной соли используют основную соль аммония, а в качестве диспергатора аммониевую соль перфторалкилкарбоновой кислоты или перфторалкоксиэфирной кислоты. В указанном выше способе по изобретению полимеризацию проводят в присутствии водной эмульсии или микроэмульсии перфторполиэфиров с концевыми перфторалкильными группами, содержащей перфторированный диспергатор. В рамках данной заявки сополимер тетрафторэтилена с другими перфторированными мономерами считается стабильным, если изделие, полученное из таких сополимеров, показывает низкий уровень выделения F- (ниже, чем 2 част./млн) в смеси воды с метанолом и, если количество HF, выделяемого из изделия при высокой температуре, незначительное (меньше, чем 50 част./млн). Таким образом согласно изобретению предложен способ эмульсионной сополимеризации тетрафторэтилена с другими перфторированными мономерами с использованием переносчика цепей, который уменьшает скорость полимеризации до очень ограниченной степени, причем также в том случае, когда необходимо получить сополимеры с относительно низкой молекулярной массой. Кроме того, согласно изобретению, регулятор степени полимеризации дает нестабильные концевые группы, однако все они одного типа и соответствуют тем, которые образуются инициатором, таким образом обработку для их стабилизации можно эффективно осуществлять только на одной стадии. Таким образом, согласно изобретению предлагается способ, в котором стабилизацию можно проводить, при необходимости во время самой полимеризации, в результате образуются стабильные концевые группы CONH2. В качестве фторированных сомономеров можно указать: перфторалкены, например, гексафторпропен; перфторалкилвиниловые эфиры, например, перфторпропилвиниловый эфир; перфтордиоксолы, перфторметилвиниловые эфиры в комбинации с другими линейными или циклическими перфторалкилвиниловыми эфирами, содержащими один или несколько атомов эфирного кислорода. Сополимеры, получаемые упомянутым способом, обычно содержат 0,05-10 мол. указанных сомономеров. Также настоящее изобретение относится к следующим сополимерам: этилена-тетрафторэтилена с концевыми группами-COOH или -CONH2; поливинилиденфторида с -CONH2 концевыми группами; сополимеры или термополимеры на основе ВДФ, содержащего ТФЭ и/или НФП, возможно модифицированного перфторалкилвиниловыми эфирами и олефинами с -CONH2 концевыми группами; сополимеры этилена хлортрифторэтилена с -COOH концевыми группами или с -CONH2 концевыми группами. Инфракрасный анализ концевых групп и оценку химической стабильности сополимеров проводили следующим образом: Инфракрасный анализ. Определение присутствия концевых групп осуществляют на пленках, полученных посредством формования гранулированного продукта при комнатной температуре. Пленки исследуют в инфракрасном спектрометре. В качестве контрольного материала применяют полимер, имеющий только фторированные парафиновые концевые группы, полученные только фторированием. Этот материал обрабатывают и исследуют так же, как и исследуемый образец, и его спектр поглощения определяют по спектру образца, применяя программу системы программного обеспечения. Дополнительную полосу (цветовой тон) -CN2 групп при 2367 см-1 используют для компенсации различия в толщине между пленкой образца и эталоном. Спектр различий исследуют в диапазоне от 4000 до 2700 см-1 и от 2000 до 1500 см-1, и оптическую плотность концевых групп измеряют на их длине волны поглощения. Концентрацию концевой группы вычисляют по следующей формуле:
где C концентрация концевой группы (моль/кг-1);
D оптическая плотность полосы поглощения группы;
S поверхность пленки (см2);
W масса пленки (г);
E молярный коэффициент извлечения группы (см-1/моль-1). Коэффициент молярного затухания вычисляют с использованием стандартных соединений. Содержание экстрагируемого фтора. Для определения содержания выделяемого фтора изготавливают спираль посредством литья под давлением при 380oC. Затем спираль режут на отрезки размером 6 см; 10 г кусочков помещают в полиэтиленовый сосуд, в который добавляют смесь воды/метанола при объемном отношении 1:1, после этого также добавляют 10 мл жидкости для корректирования ионной силы Ni SAB. Присутствие метанола упрощает экстракцию иона фторида из образца. Спиртовую смесь плавно перемешивают в течение 24 ч; затем концентрацию иона фторида определяют непосредственно в смеси, применяя заранее калиброванный особый ионный электрод. Способ применим для образцов с содержанием гидролизуемого фтора >1 мг/кг; значения гидролизуемого фтора ниже, чем 1 часть/млн. определяют ионной хроматографией. Выделение HF при высокой температуре. Образец гранул примерно 200 мг вводят в держатель образца в печи. Образец оставляют на 2 ч при 360oC в потоке сухого азота, при этом выделяемый газ собирают в щелочном растворе. Определение содержания F- в собранном растворе достигается посредством ионной хроматографии. Определение показателя вязкости расплава. ИТР (индекс текучести расплава) определяли в соответствии со стандартом AS ТМД 3307-86 в примерах 1-4 и 9 и стандартом ASТМД 1238-65 T в примерах 5-8. Пример 1. Этот пример иллюстрирует, для сравнения, применение переносчика цепей (CHCL3) не в соответствии с настоящим изобретением для получения сополимера ТФЭ перфторполивиниловый эфир (ФПВЭ). Применяли хромированный стальной автоклав емкостью 5 л, оснащенный мешалкой, работающей со скоростью 650 об./мин. После вакуумирования последовательно вводят 3 л деминерализованной воды, ФПВЭ в количестве 3,7 г/л H2O и CHCl3 в количестве 1,23 г/л H2O и затем микроэмульсию перфторполиэфира, которую получают следующим образом. В стеклянный сосуд помещают 5 частей кислоты, имеющей структуру перфторполиэфира формулы:

где

-CF2H отсутствует
-COOH 4,4

CF2=CF2 1,1

CONH2 1

Пример 5. Этот пример иллюстрирует для сравнительных целей получение тетрафторэтиленового сополимера (ТФЭ) с C3F6 (НФП) без применения агента передачи цепи. 8 мл перфторполиэфира ( Garden


(где Rf, R1f CF3-; C2F5-; C3F7--), имеющего отношение n/m 40 и среднюю молекулярную массу 800, добавляют в 250 мл дистиллированной воды. Суспензию перемешивают в течение 5 мин при помощи мешалки Ультратуррекс


и ацидиметрическую молекулярную массу 690. Полученную эмульсию дополнительно гомогенизируют в течение 5 мин и затем загружают в стальной автоклав емкостью 4,2 л, в котором заранее создали вакуум. Затем добавляют дистиллированную воду до общего объема 2000 мл. Температуру в реакторе доводят до 95oC. После этого в реакторе создают давление 20 атм посредством газообразной смеси, содержащей 62 М. C3F6 и 38 М. ТФЭ. Затем в автоклав вводят 62 г раствора, приготовленного посредством растворения в 500 мл воды 1,46 г персульфата натрия. Как только давление в реакторе начнет уменьшаться, его восстанавливают посредством подачи компрессором газообразной смеси НФП/ТФЭ, содержащей 7,6% М. НФП. После 15 мин подают упомянутый раствор персульфата натрия со скоростью 88 мл/ч. Через 65 мин перемешивание прекращают, и реактор разгружают. Получают водную дисперсию, содержащую 230 г/л полимерной смолы. Дисперсию коагулируют посредством механического перемешивания и фильтруют. Твердое вещество повторно промывают дистиллированной водой и сушат в вентилируемой сушилке при 200oC. Получают 520 г сополимера, имеющего индекс текучести расплава 0,5, определенный в соответствии со стандартом ASNV Д1238-65Т (масса 5 кг, температура 372oC). Примеры 6-8. Повторяем пример 1 с применением CHF2-CH3 в качестве переносчика цепи, но при различном парциальном давлении. Результаты представлены в табл. 4. Пример 9. Этот пример относится к получению сополимера ТФЭ-ФПВЭ, содержащего стабильные концевые группы -CONH2. Применяли 5-литровый хромированный стальной автоклав AISI-316, оснащенный мешалкой, работающей при 650 об./мин. После вакуумирования последовательно вводили 3 л деминерализованной воды ФПВЭ в количестве 3,7 г/л H2O и 0,67 г/л H2O декагидроокиси тетрабората натрия и 1,6 мл/л H2O раствора NH3 при 28% и, наконец эмульсию перфторполиэфира (получена, как описано в примере 1 европейской заявки N 250767), причем смесь содержит 2 г/л H2O поверхностно-активного вещества. В автоклаве довели рабочую температуру до 75oC, затем загрузили агент передачи цепи CHF2-CH3 (соответствует 3 мол.) при парциальном давлении 3 бар; наконец, в системе довели абсолютное давление до 20 бар посредством смеси ТФЭ-ФПВЭ, при этом молярное отношение ТФЭ/ФПВЭ равнялось 54,55/1. При достижении рабочего давления непрерывно подавали 0,0062 М. раствор персульфата калия, при этом давление во время полимеризации поддерживали постоянное. По истечении 190 мин времени реакции получили 1400 г полимера. Реактор охладили до комнатной температуры, эмульсию выпустили и коагулировали посредством добавки HNO3 при концентрации 65% Полимер отделили, промыли водой и высушили. Данные, относящиеся к синтезу и характеристикам полимера, были следующими:
индекс текучести расплава (MF1) (г/10 мин) 7,
скорость полимеризации (полимер г/л воды в мин) 2,25. Пример 10. Повторяли пример 9, в котором используется 15 М. CHHF2-CH3 в качестве переносчика цепей. Полученный сополимер имеет индекс текучести расплава 50 г/10 мин.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1