稳定化的磺化聚苯乙烯溶液的制作方法

文档序号:18188166发布日期:2019-07-17 05:27阅读:393来源:国知局
本发明涉及一种包含磺化聚苯乙烯的聚合物或共聚物与酚衍生物的水性组合物。本发明还提供一种用于稳定化尤其呈酸性形式的磺化聚苯乙烯水溶液的方法。发明背景磺化聚苯乙烯(sulfonatedpolystyrene,sps)或具有磺化聚苯乙烯单元的共聚物用于诸多应用中。其用作水泥中的超塑化剂、用作棉花的染料改进剂以及在燃料电池应用中用作质子交换薄膜。呈酸形式的聚苯乙烯磺酸(pssa)树脂在有机合成中用作固体酸催化剂且作为导电膜的成分对电子工业特别重要。对于所有这些应用,分子量与使用(共)聚合物的应用中的该(共)聚合物的性质相关。利用现今的现代聚合技术有可能良好地控制分子量,以使得可制备满足现有应用的确切要求的磺化聚苯乙烯。然而,pssa及具有苯乙烯磺酸基的共聚物在水溶液中特别不稳定且需要在低温下储存以保持其生成时的分子量。因此,自制造商运送至配制者的主要方法为采取盐形式,如聚苯乙烯磺酸盐(pss)。这是因为pss在水溶液中更稳定。可通过添加中和剂使pssa转化为pss。碱金属或碱土金属氢氧化物将在水性介质中进行此转换(利用这些碱的酸中和产生无机盐及水)。然而,在电子工业中,无机盐的存在一般视为不合需要的,因为其会导致腐蚀且将对系统的导电性具有较大影响,导电性会随浓度而变化。为了在运送之后将pss转化回pssa,必须添加强酸至聚合物溶液中以驱动平衡朝向聚合酸。此通常通过添加硫酸至pss中来完成,这产生碱金属或碱土金属硫酸盐,即额外的无机盐。必须使用一种方法(如离子交换)自聚合物溶液移除这些盐,且随后需要第二步骤以移除任何过量的酸。这些步骤皆需要操作、特定设备及处理时间,且对于配制者而言实施成本高。需要提供pssa(共)聚合物水溶液而不需要低温冷藏或要求配制者进行所有后续处理步骤,同时确保呈溶液状态的聚合物尚未经历聚合物降解。发明概述本发明的一个目的为至少部分地满足此项技术中上文所提及的需要且提供呈溶液状态的稳定化形式的pssa(共)聚合物,其可以无需低温冷藏来运输及储存,同时保持该聚合物的分子量。本发明涉及一种通过添加酚化合物来稳定化pssa溶液的方法,该酚化合物的量将有效地阻挡任何与pssa聚合物相关的副反应。作为此目的的一部分,本发明容许生产提供极佳的机械及电学性质的高分子量pssa(共)聚合物。此外,在减少或消除这些副反应的情况下,可获得更纯的聚合物溶液且使其可供下游配制者使用。本发明的又一目的为提供“不含无机盐的”且“不含无机酸的”pssa溶液,其将在电子器件生产中极其有用。发明详述本发明涉及将为呈其酸形式的磺化聚苯乙烯(sps)聚合物及共聚物的水溶液提供稳定性的组合物。出于本发明的目的,术语磺化聚苯乙烯(sps)意欲意谓任何含有苯乙烯残基的聚合物,所述苯乙烯残基已经处理以产生磺酸基或直接连接至苯乙烯环的磺酸的相应的盐。在下文中术语聚苯乙烯磺酸(pssa)意谓仅含有直接连接至苯乙烯环的磺酸的聚合物及共聚物,而聚苯乙烯磺酸盐(pss)用于大体上代表其中磺酸盐连接至苯乙烯环的那些(共)聚合物。磺酸盐可为磺酸与碱金属(第1族金属)碱、碱土金属(第2族金属)碱或铵盐的产物。优选磺酸盐为钠、锂、钾和铵。如针对本发明所定义,磺化苯乙烯也可包括由经取代的苯乙烯制备的磺化聚合物。这种经取代的苯乙烯单体的非限制性实例为2-氯苯乙烯、2,6-二氯苯乙烯、4-甲基苯乙烯、4-叔丁基苯乙烯、4-乙烯联苯、2-乙烯萘、1-乙烯萘或4-二苯甲基苯乙烯。除了聚合物链中含有磺化苯乙烯残基之外,磺化苯乙烯共聚物也在本发明的范畴及广度内。该共聚物中的其他单体残基可来自苯乙烯与任何能够与该苯乙烯共聚合的丙烯酸系或乙烯系单体的共聚合反应。这些包括但不限于丙烯酸及甲基丙烯酸及其简单酯、乙酸乙烯酯及其他乙烯酯、丁烯酸、马来酸及丁二酸及其酐、丙烯酰胺、辛基丙烯酰胺、叔丁基丙烯酰胺及含有三级或四级氨基的单体。也可包括将产生交联聚合物的单体,如二乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯(degda)、n,n-二烯丙基丙烯酰胺、2,2-双-[4-(2-丙烯酰氧乙氧基)苯基]丙烷、1-(丙烯酰氧基)-3-(甲基丙烯酰氧基)-2-丙醇、三乙二醇二丙烯酸酯(triegda)及三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯。本发明也包括可并入至共聚物中的单体,这些单体将容许聚合物稍后进行进一步改性(如衍生化或交联)。通过使用如烯丙基缩水甘油醚、烯丙基及乙烯基硅烷及硅氧烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三烷氧基硅烷的单体及其他含有潜在官能团的单体将这些单体残基并入至该聚合物中。虽然普遍公认sps是由含有苯乙烯的聚合物制备且随后经硫酸或三氧化硫处理,但已报导其他用于生产sps的方法。一种此类用于将磺化苯乙烯残基并入至聚合物中的方法为受保护的苯乙烯磺酸盐的原子转移自由基聚合(atrp)(参见例如“polymerizationofstyrenesulfonateethylesterbyatrp:synthesisandcharacterizationofmacromonomersforsuzukipolycondensation”,macromolecularchemistryandphysics207(22):2006)。不管磺化苯乙烯残基是如何并入至聚合物或共聚物中,其全部在本发明的范畴内。现在已发现当经引入至pssa水溶液中时,使用某些酚化合物会为聚合物或共聚物的分子量提供稳定化作用,该分子量在周围温度或高温条件下保持相当长的时间段。在约25℃下已储存样品长达一年而分子量无任何可辨的变化。周围条件定义为约5至约50℃且近于大气压(1巴或约100,000帕)。在一个实施方案中,温度将在约10与40℃或约20与30℃之间。pssa水溶液通常在水中含有约1%至约50%聚合物(以干重计)。在本发明的一个实施方案中,pssa溶液在水溶液中含有约5重量%至约40重量%,约7重量%至约30重量%,或约10重量%至约20重量%聚合物。酚类稳定化化合物可为一系列经取代的酚化合物中的一个。酚类稳定化化合物的非限制性实例为丁香酚、五倍子酸、丁香酸、香旱芹酚、瑞香草酚、2-甲氧苯酚、4-甲氧苯酚及对亚硝苯酚及二硝基-邻甲酚、2,4-二硝基-6-仲丁基酚、2,4-二硝基酚、丁基化羟基甲苯(bht)及2,4-二硝基-对甲酚。在选择pssa溶液稳定剂时需要考虑两个因素。第一个因素为稳定剂在水相中的可溶性。虽然聚合物溶液中并不需要高浓度稳定剂来得到稳定的聚合物分子量,但重要的是,稳定剂在一段时间后不会发生相分离或自溶液中结晶出来。第二个因素为酚衍生物的电子。在本发明的实施方案中,使用具有供电子基团的酚衍生物。pssa溶液稳定剂优选为4-甲氧苯酚。pssa溶液稳定剂的选择将随周围温度、聚合物浓度及储存持续时间以及其他可能性变量而变化。为此目的,需要向溶液中添加有效量的稳定剂以防止降解,同时优选使用最低含量以降低干扰聚合物效能的可能性(在较高量下,这些稳定剂可充当塑化剂及松解剂(de-bonder))。以溶液的总重量计,稳定剂的有效含量将在50与5000ppm之间。在本发明的一个实施方案中,稳定剂将以约100至约2500ppm存在于溶液中。在又一个实施方案中,以溶液的总重量计,稳定剂将以约75至4000ppm,85至3000ppm,100至约1000ppm或500至1000ppm的浓度存在。当向pssa溶液中添加有效量的稳定剂时,随时间推移,聚合物的分子量最低程度地变化。分子量在本文中论述为重量平均分子量,mw。分子量的变化百分比定义为原始分子量与新分子量之间的差值除以该原始分子量,其可例如通过(初始mw-新mw)/初始mw×100来计算。如通过gpc所测量来计算分子量。在不添加稳定剂的情况下,呈溶液状态的pssa会随时间推移损失其初始分子量的相当大的量。在添加有效量的稳定剂的情况下,在25℃下储存90天之后,分子量的变化优选小于约25%初始分子量。在本发明的一个实施方案中,在25℃下12个月之后,分子量将下降小于约10%。在本发明的一个实施方案中,在25℃下12个月之后,分子量将下降小于约25%。在另一个实施方案中,在25℃下12个月之后,分子量的变化将小于约10%。在本发明的又一个实施方案中,在25℃下12个月之后,分子量将下降小于约5%初始分子量。在本发明的又一个实施方案中,在25℃下储存90天、2个月或12个月之后,呈溶液状态的pssa的初始mw并不降低。除非以不同方式提及,否则当给出比率或量时,其以重量计。若相关性质的数值并不降低或降低小于10%,则参数的降低视为不存在。本发明现将利用以下非限制性实施例说明。贯穿本文件,除非以不同方式指示,否则组合物的重量百分比以组合物的总重量计,其中该组合物的总重量为100重量%。术语水可溶是用于在25℃下以每公升去矿物质水至少1g的量溶解的材料。在使用的情况下,术语“由……组成”也涵盖“基本由……组成”,但可任选地受限于其“完全由……组成”的严格的意义。贯穿本说明书的实施方式及申请专利范围,词语“包含(comprise)”及“含有(contain)”及例如“包含(comprising)”及“包含(comprises)”的这些词语的变体意谓“包括但不限于”且不排除其他部分、添加物、组分、整体或步骤。此外,除非上下文另有要求,否则单数涵盖复数:具体而言,除非上下文另有要求,否则在使用不定冠词的情况下,本说明书应理解为涵盖复数以及单数。在对于一种性质,例如对于组分的浓度引用上限及下限的情况下,则也可蕴含由上限中的任一个与下限中的任一个的组合界定的值的范围。也应理解,来自本发明的不同方面及实施方案的特征可与来自本发明的任何其他方面及实施方案的特征组合。实验所有聚苯乙烯磺酸样品是在实验室中通过用液体三氧化硫直接磺化聚苯乙烯来新制备的。历时两年时间段,在不同的时间测试5个单独批次的mw为约1,000,000道尔顿的pssa及2个单独批次的mw为约200k道尔顿的pssa。使用具有紫外线探测器的agilentlc1260系统来完成重量平均分子量(mw)的测定。管柱为zorbaxpsm300及zorbaxpsm1000(6.2mm×250mm,5μm粒度,均购自agilenttechnologies,5301stevenscreekblvd,santaclara)。通过添加25毫摩尔甲酸铵至80%水与20%乙腈的混合物中来制备溶剂。经过该塔的流动速率为0.75ml/min且该紫外线探测器设定为254nm。每次运作的注入样品体积为10μl。制备三个约2.0mg/ml的聚苯乙烯磺酸盐标准品(订单编号std20100,jordilabsllc,bellingham,massachusetts):m679kpss+65.4kpss+6.43kpss;305kpss+33.5kpss+3.42kpss;1020kpps+0.891kpps。3次回归用于校准。实施例1-无稳定剂的高mw比较样品的降解在蒸馏水中以约5重量至10重量%聚合物新制备非稳定化pssa溶液样品(标记为无水以干粉形式测试的样品除外)且随后储存在指定条件下。高mw样品a的初始mw为约1,065(kda),且高mw样品b的初始mw为约1,097(kda)。也制备初始mw为约1116(kda)的固体无水样品c。如下文表1所阐述,随时间推移分析这些样品a、b及c。新制备溶液的ph为约1。在周围光条件(远离直接日光,但并不隔离入射光)下将标记为rt的样品储存于实验桌上持续指定时间量。将40℃条件下的样品保持在无光源的烘箱中。在老化研究持续期间,还将在4℃及-12℃下的冷藏样品储存在暗处。在规定时间将该样品自其储存位置移出,且抽出10μl样品且通过gpc对其进行分析。结果显示于下表1中。表1-老化对无稳定剂的高mwpssa溶液的影响使用无水粉末的测试显示pssa的固有不稳定性。自表1中的数据,可看出比较样品在前6个月的过程中损失大量mw,在-12℃下以冷冻方式储存在暗处的样品除外。实施例2-酚稳定剂对高mwpssa样品的有效性如实验1中所描述(上文),以相同方式制备高分子量pssa溶液,且稳定剂以规定浓度添加至该初始溶液中。简单的机械搅拌用于混合该pssa溶液与该稳定剂。在周围光条件(远离直接日光,但不隔离入射光)下将该样品同样储存于该实验桌顶部上。如下表2中所报导,自小瓶移出小份等分试样材料以用于mw的gpc测量。表2-稳定剂对高mwpssa溶液的影响bht=丁基化羟基甲苯4mp=4-甲氧苯酚表2中的结果显示稳定剂可降低呈溶液状态的pssa聚合物的mw损失。吾等用2500ppmbht(丁基化羟基甲苯)处理的pssa样品在2个月的过程中损失约20%初始聚合物mw,而用4-甲氧苯酚处理的样品在相同时间范围内损失约10%初始mw。两种稳定剂皆显示出优于不含稳定剂的样品的显著改进。如表2中所显示,4-甲氧苯酚在介于2500与500ppm之间的较宽的浓度范围内有效。实施例3-无稳定剂的中等mw比较样品的降解除使用中等分子量pssa外,如实施例1中所描述制备且分析样品。中等mw样品d的初始mw为约219(kda)。还制备初始mw为约227(kda)的固体无水样品e。表3-老化对无稳定剂的中等mwpssa溶液的影响以无水粉末进行的测试显示pssa的固有不稳定性。上文结果显示在室温或高于室温下,在42天内损失约30%pssa聚合物初始分子量,然而在冷藏或冷冻条件下,该分子量保持超过6个月。实施例4-酚稳定剂对中等mwpssa样品的有效性如上文实施例1及2中所描述,制备且分析中等分子量pssa聚合物溶液样品。添加4-甲氧苯酚至该溶液中以使总浓度达到500ppm,且随后该样品在室温及周围光照条件下老化。简单的机械搅拌用于混合该pssa聚合物溶液与该4-甲氧苯酚。表4-稳定剂对中等mwpssa溶液的影响分析编号mw(kda)老化天数储存条件稳定剂含量样品d2190初始902033054mp/25℃/亮处500ppm911996024mp/25℃/亮处500ppm921787344mp/25℃/亮处500ppm932071124mp/25℃/亮处500ppm942032974mp/25℃/亮处500ppm9517211225℃/亮处0ppm9614229725℃/亮处0ppm自表4中的数据,证实含有500ppm4-甲氧苯酚的pssa聚合物溶液的稳定性约等效于以冷藏或冷冻方式储存超过6个月的那些的稳定性。实施例5-稳定化浓度对聚合物稳定性的影响如上文实验1和2,制备且分析高mwpssa样品。表5-稳定剂浓度对聚合物稳定性的影响分析编号mw(kda)老化天数稳定剂/温度稳定剂含量样品b10970初始976299025℃/亮处0ppm981070904mp/25℃/亮处100ppm1001013904mp/40℃/亮处500ppm991011904mp/25℃/亮处700ppm表5的结果显示利用含量为100ppm或高于100ppm的4-甲氧苯酚持续至少90天可获得极佳稳定性的高分子量pssa溶液。当前第1页12
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