生产聚亚芳基硫的方法

专利名称：生产聚亚芳基硫的方法
技术领域：
本发明涉及生产聚亚芳基硫的方法。更特别地，本发明涉及连续生产分子量高且热稳定性优良的聚亚芳基硫的方法。
背景技术：
聚亚芳基硫(其后有时简称为“PAS”)，特别地聚苯硫(其后有时简称为“PPS”)以工程塑料著称，它的机械强度和耐热性等优良，且具有良好的电特性和高刚度。因此它被广泛用作各种材料如电子部件、电器部件和机械部件。尤其由聚苯硫和无机填料组成的树脂组合物的模塑制品用于各种应用目的。
关于在非质子有机极性溶剂如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，通过二卤代芳族化合物如对二氯苯与碱金属硫化物如硫化钠和硫化锂反应而生产PAS的常规方法，由于碱金属硫化物不溶于极性溶剂中，所以向该工艺中添加预定量的水。在该情况下，在水存在下，碱金属硫化物溶解在极性溶剂中，和部分碱金属硫化物通过水解变为碱金属氢硫化物。由此形成的碱金属氢硫化物抑制PAS分子量的改进，将聚合物的端基变为-SH基，从而引起诸如具有热稳定性变劣的PAS的生产之类的问题。
为了解决上述问题，提出赋予PAS高分子量的方法，它包括将水添加到反应物中，其后在低温下进行预聚(preliminarypolymerization){(参考日本专利申请特开No.9228/1989(昭和64)}；另一方法包括通过将小量水添加到反应物中进行预聚，以便增加碱金属硫化物的转化率，其后通过将水添加到反应物中进行缩聚{(参考日本专利申请特开No.7332/1986(昭和61)}和类似方法。
然而，任何和所有前述方法在获得高分子量和热稳定性优良的PAS方面仍不满意。
发明公开鉴于如上所述的问题作出了本发明。本发明的目的是提供连续生产分子量高且热稳定性优良的聚亚芳基硫的方法。本发明另一目的是提供分子量高且热稳定性优良的PAS，此外提供PAS的组合物。
考虑到上述问题，本发明者进行了深入广泛的研究和调查。结果发现，在极性溶剂中通过二卤代芳族化合物与硫源如金属硫化物反应生产PAS的情况下，通过进行聚合反应，同时将二卤代芳族化合物作为起始的原料组分分多次加入到反应体系中，可实现本发明的目的。基于上述发现和信息，从而完成本发明。也就是说，本发明的宗旨和概要在于生产聚亚芳基硫的方法，它包括使硫源与二卤代芳族化合物在非质子有机溶剂中反应，其特征在于在聚合反应时，分多次添加二卤代芳族化合物。
实施本发明的最优选模式以下将给出本发明更详细的说明。
1.生产PAS的方法根据本发明，生产聚亚芳基硫的方法包括使硫源与二卤代芳族化合物在非质子有机溶剂中反应，和其特征在于在聚合反应时，分多次添加上述的二卤代芳族化合物。
(1)起始物质组分①二卤代芳族化合物本发明的生产方法中使用的二卤代芳族化合物可例举二卤代苯如间二卤代苯和对二卤代苯、烷基取代的二卤代苯、环烷基取代的二卤代苯和类似物如2，3-二卤代甲苯、2，5-二卤代甲苯、2，6-二卤代甲苯、3，4-二卤代甲苯、2，5-二卤代二甲苯、1-乙基-2，5-二卤代苯、1，2，4，5-四甲基-3，6-二卤代苯、1-正己基-2，5-二卤代苯和1-环己基-2，5-二卤代苯、芳基取代的二卤代苯如1-苯基-2，5-二卤代苯、1-苄基-2，5-二卤代苯和1-对甲苯基-2，5-二卤代苯、二卤联苯如4，4’-二卤联苯、二卤萘如1，4-二卤萘、1，6-二卤萘和2，6-二卤萘和类似物，其中特别优选对二氯苯。
②非质子有机溶剂优选可用的非质子有机溶剂的实例通常包括有机极性溶剂如酰胺化合物、内酰胺化合物、脲化合物、有机硫化合物和环状有机磷化合物，能以单一溶剂或混合溶剂的形式使用它们。
在极性溶剂当中的上述酰胺化合物可例举N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N，N-二乙基乙酰胺、N，N-二丙基乙酰胺、N，N-二甲基苯甲酰胺等。
前述内酰胺化合物可例举N-烷基己内酰胺如己内酰胺、N-甲基己内酰胺、N-乙基己内酰胺、N-异丙基己内酰胺、N-异丁基己内酰胺、N-正丙基己内酰胺、N-正丁基己内酰胺和N-环己基己内酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、N-乙基-2-吡咯烷酮、N-异丙基-2-吡咯烷酮、N-异丁基-2-吡咯烷酮、N-正丙基-2-吡咯烷酮、N-正丁基-2-吡咯烷酮、N-环己基-2-吡咯烷酮、N-甲基-3-甲基-2-吡咯烷酮、N-乙基-3-甲基-2-吡咯烷酮、N-甲基-3，4，5-三甲基-2-吡咯烷酮、N-甲基-2-哌啶酮、N-乙基-2-哌啶酮、N-异丙基-2-哌啶酮、N-甲基-6-甲基-2-哌啶酮、N-甲基-3-乙基-2-哌啶酮等。
前述脲化合物可例举四甲基脲、N，N’-二甲基亚乙基脲、N，N’-二甲基亚丙基脲等。
前述有机硫化合物可例举二甲亚砜、二乙亚砜、二苯砜、1-甲基-1-氧环丁砜、1-乙基-1-氧环丁砜、1-苯基-1-氧环丁砜等。
前述环状有机磷化合物可例举1-甲基-1-氧phosfolane、1-正丙基-氧硫环磷(phosfolane)、1-苯基-1-氧硫环磷等。
任何以上例举的非质子有机极性溶剂可单独使用，或通过与至少一种其它溶剂混合使用，或通过与以上未列举的溶剂混合使用，其程度不损害本发明的目的即可。
在以上例举的非质子有机极性溶剂中，优选N-烷基己内酰胺和N-烷基吡咯烷酮，其中特别优选N-甲基-2-吡咯烷酮。
③硫源以碱金属化合物为代表的金属硫化物如硫化钠、硫化锂和硫化钾主要用作硫源。任何以上列举的硫源可单独或与它们中的至少-种其它的硫源或碱土金属硫化物或除以上列举的那些之外的硫源结合使用。
④相分离剂氯化锂、醋酸钠和碱金属如锂的盐、水和类似物优选用作相分离剂，其中特别优选使用氯化锂。
⑤其它在本发明中，共聚单体、支化剂、端基终止剂(end terminator)和类似物可与二卤代芳族化合物结合使用，其程度不损害本发明的操作效果即可。共聚单体的实例包括2，3-二氯苯酚、2，3-二溴苯酚、2，4-二氯苯酚、2，4-二溴苯酚、2，5-二氯苯酚、2，5-二溴苯酚、2，4-二氯苯胺、2，4-二溴苯胺、2，5-二氯苯胺、2，5-二溴苯胺、3，3’-二氯-4，4’-二氨基联苯、3，3’-二溴-4，4’-二氨基联苯、3，3’-二氯-4，4’-二羟基联苯、3，3’-二溴-4，4’-二羟基联苯、二(3-氯-4-氨基)苯基甲烷、4，4’-二氯二苯醚和4，4’-二氯二苯砜(solfone)。支化剂的实例包括2，5-二氯硝基苯、2，4-二硝基氯苯、1，2，4-三氯苯、1，3，5-三氯苯、1，2，3-三氯苯。
端基终止剂的实例包括卤代苯酚如对溴苯酚、间溴苯酚、邻溴苯酚、对氯苯酚、间氯苯酚、邻氯苯酚、对氟苯酚、间氟苯酚、邻氟苯酚、对碘苯酚、间碘苯酚和邻碘苯酚。在这些当中，优选对溴苯酚和对氯苯酚。
(2)PAS的生产①待使用的起始原料物质的用量根据本发明，通过使硫源与作为主要的起始原料物质组分的二卤代芳族化合物反应，生产PAS的情况下，该方法的特征在于在聚合反应时，分多次，优选2次或3次添加二卤代芳族化合物。通过采用前述等分方法，可能有效地获得分子量高且热稳定性优良的PAS。
在将二卤代芳族化合物例如等分成2次的情况下，在聚合反应时通过第一次添加的二卤代芳族化合物的使用量范围基于硫源优选0.90-1.04摩尔比，更优选0.93-1.02摩尔比。第二次使用的二卤代芳族化合物的用量基于硫源优选至少0.01摩尔比，另外，在第一次和第二次添加的二卤代芳族化合物的总量基于硫源为至少0.98，优选1.00摩尔比。以摩尔比为单位，第一次和第二次的添加量若脱离上述范围，则有时不能确保分子量高和热稳定性优良的PAS。
在本发明的方法中，优选在第二次，和其后在第一次添加的二卤代芳族化合物已反应至少50％，优选至少60％的时刻添加二卤代芳族化合物。若在前述时间点之前添加该化合物，则不会充分显示出将其等分添加的操作效果。
在通过将二卤代芳族化合物分3次或更多次添加的情况下，每次其添加量使得在第一次其添加量仅满足基于硫源的上述摩尔比范围，和在第二次与之后的添加总量仅需要基于硫源的至少0.98，优选至少1.00摩尔比。
在使用水的情况下，其使用量范围基于金属硫化物优选0.05-4.0摩尔比，基于金属硫化物更优选在0.1-3.0范围内。若小于0.05的摩尔比引起反应不充分的担心，而若大于4.0的摩尔比则引起担心不能确保具有高分子量的PAS。
为了促进本发明的聚合反应，除了加入以上所述的起始原料物质之外，可将金属氢氧化物如碱金属化合物和/或N-甲氨基丁酸的金属盐如N-甲氨基丁酸的碱金属盐加入到反应体系中。添加剂的使用量范围基于金属硫化物，优选0.01-1.0摩尔比，基于金属硫化物更优选在0.05-0.8摩尔比范围内。
②反应条件可通过连续或间歇体系进行本发明生产方法的聚合反应，但考虑到生产成本，优选连续体系。
可在230-290℃，优选240-280℃，更优选250-270℃的温度范围内进行本发明生产方法中的上述聚合反应。在缩聚之前，可在180-230℃，优选190-220℃，更优选195-215℃的温度范围内实施预聚。缩聚反应时间在0.5-10小时范围内，优选1.0-10小时，更优选1.5-10小时。若反应时间小于0.5小时，则引起反应不充分的担心，从而导致PAS分子量的增加不足，而若反应时间大于10小时，则特别地PAS的分子量不如预期的有效。
对在本发明方法中使用的聚合容器和搅拌叶轮没有具体限制，但聚合容器优选非常适于完全混合的那一类，和搅拌叶轮优选尺寸大的叶轮如全区域叶轮。
可通过将水加入到在基本上聚合之后获得的聚合溶液中，进行洗涤操作，其程度以PAS不固化为限。取决于聚合溶液的总量和温度，水的用量可变化，其用量使得PAS不因过度冷却而固化或沉淀。优选通常搅拌清洁罐中的内容物，以便聚合溶液和水彼此充分混合。
对洗涤溶液没有具体限制，条件是粘附于聚合物上的杂质或副产物没有因溶解在洗涤溶液内而产生负面影响。洗涤溶液的实例包括甲醇、丙酮、苯、甲苯、水和NMP，其中优选水。
将聚合溶液完成之后的聚合溶液送入到分离容器中，在此对溶液进行分离步骤，将它分成聚合物相和溶剂相。
为了确保洗涤和分离的更有效的效果，优选任选地多次重复洗涤和分离步骤。
在本发明中，已完成洗涤与分离步骤的聚合物相仍含有溶剂，优选除去溶剂。对溶剂除去方法没有具体限制，但可根据在PAS的生产中公知的溶剂除去方法，例如在日本专利申请特开No.33878/1995(平7)中披露的闪蒸方法。
以熔融态或使用适当的冷却方法固化之后的颗粒形式，取出已完成除去溶剂步骤的PAS。冷却方法可例举空气冷却、水冷却、油冷却和类似方法。
2.聚亚芳基硫(PAS)通过本发明方法获得的PAS具有足够高的分子量，它包括至少0.10，优选至少0.14的特性粘度[η]，0-1000g/10min的熔体指数[MI]。如上所述的这种树脂的热稳定性优良，可用于苛刻条件下的各种目的。
采用乌氏粘度计，在206℃下，在α-氯萘中，测量通过前述方法获得的聚亚芳基硫的0.4克/分升溶液的以上所述的特性粘度。
另外，作为本发明中热稳定性的评价方法，合适地可用的方法包括使用PAS与NMP的混合物，并在高温(265℃)下保持8小时，观察PAS的特性粘度[η]的变化。在该情况下，PAS对NMP的混合比是任选的，但为了提高再现性，可通过以相同的用量，例如各2.5g共混它们中的每一种，以进行评价。此外，考虑到这类树脂的溶解性，方便地以206℃时的数值表达特性粘度[η]。
通过本发明的生产方法获得的PAS是含有至少70mol％例如由组成分子式Ar-S-表示的重复单元(其中Ar是亚芳基)的聚合物。在这些当中，典型的PAS是含有至少70mol％由组成分子式(I)表示的重复单元的PPS和含有至少70mol％由组成分子式(II)表示的重复单元的PPS 其中R1是选自具有1-6个碳原子的烷基、烷氧基、苯基、羧酸金属盐、氨基、硝基或卤素原子如氟、氯或溴中的取代基；m是0-4的整数；和n是10-200范围内的聚合度； 其中n如前所定义。
本发明的生产方法对于PAS的任何类已知分子结构都是有效的，其结构包括没有支化或交联结构的基本上直链的分子结构和具有支链或交联结构的分子结构，所述结构取决于其生产方法。PAS可例举含有至少70mol％，优选至少80mol％对苯硫醚单元作为重复单元的均聚物或共聚物。共聚用组成单元的实例包括间苯硫醚单元、邻苯硫醚单元、p，p’-二亚苯基酮硫醚单元、p，p’-二亚苯基砜硫醚单元、p，p’-联苯硫醚单元、p，p’-二亚苯基醚硫醚单元、p，p’-二亚苯基亚甲基硫醚单元、p，p’-二亚苯基枯烯基硫醚单元和萘硫醚单元。此外，作为本发明的聚亚芳基硫树脂的目的，除了包括具有基本上直链结构的聚亚芳基硫之外，还包括支化或交联的聚亚芳基硫(在其中小量具有至少3个官能团的单体作为部分单体被聚合)和共混的聚合物(在其中刚刚列举的聚亚芳基硫与以上列举的基本上直链的聚合物共混)。
本发明的PAS树脂组合物包括20-90重量％，优选20-70重量％，更优选40-70重量％上述方法获得的PAS，和80-10重量％，优选80-30重量％，更优选60-30重量％的无机填料。无机填料的实例包括玻璃纤维、碳纤维芳族聚酰胺纤维、碳酸钾晶须、碳化硅晶须、云母陶瓷纤维、硅灰石、云母、滑石、氧化硅、氧化铝、高岭土、粘土、氧化硅-氧化铝、碳黑、碳酸钙、二氧化钛、碳酸锂、二硫化钼、石墨、氧化铁、玻璃球、磷酸钙、硫酸钙、碳酸镁、磷酸镁、氮化硅和水滑石。以上列举的任何填料可单独或与至少一种其它填料结合使用。在以上列举的填料中，特别优选玻璃纤维。
对玻璃纤维没有具体限制，但可从碱玻璃、低碱玻璃和非-碱玻璃中选择使用。纤维长度优选0.1-8mm，更优选0.3-6mm，和纤维直径优选0.1-30微米(μm)，更优选0.5-25μm。若纤维长度小于0.1mm，则导致降低的增强效果，而若长度大于8mm，则引起组合物流动性的降低。若纤维直径小于0.1μm，则引起树脂流动性的降低，而若直径大于30μm，则导致组合物降低的强度。对玻璃纤维的结构没有具体限制，但可从各种形式如粗纱、碎纤维和短切纤维中选择使用。可单独或与至少一种其它的玻璃纤维结合使用玻璃纤维。
为了提高对树脂的亲和性，可用氨基硅烷基、环氧硅烷基、乙烯基硅烷基或甲基丙烯酸硅烷基中的硅烷基偶联剂、原钛酸四甲酯或原钛酸四乙酯中的钛酸酯基偶联剂、铬络合物化合物和硼化合物中的任何一种对玻璃纤维进行表面处理。
根据本发明，对制备PAS树脂组合物的方法没有具体限制。可通过共混PAS、无机填料和视需要使用的添加剂如硅烷基偶联剂、抗氧剂、热稳定剂、润滑剂、增塑剂、导电赋予剂、着色剂和颜料；借助转鼓式掺混机、Henschel混合机或类似物，将各组分彼此混合；和通过使用单螺杆挤出机或多螺杆挤出机，或通过使用粘合剂、Banbury混合机或类似物，对所得混合物进行熔融捏合粒化，从而制备组合物。
可借助注塑方法、挤出模塑方法或类似方法，由上述PAS树脂组合物生产本发明的模塑制品。
可通过本发明生产聚亚芳基硫的方法，通过分多次添加二卤代芳族化合物，获得分子量高、同时热稳定性优良的聚亚芳基硫。
通过本发明的生产方法获得的PAS优选用作各种模塑制品用材料，如薄膜、纤维用材料、机械部件、电器部件、电子部件和类似物。
接下来，参考工作实施例，更详细地描述本发明。通过下述方法评价PDCB浓度、PAS的特性粘度及其热稳定性。
{PDCB浓度的测量}通过使用气相色谱，用内标方法确定PDCB浓度，其中使用氯仿作为稀释溶剂，和1，2，4-三氯苯作为内标。
{特性粘度的测量}在235℃下，将用量为0.04±0.001g的PAS样品溶解在10mlα-氯萘中和在206℃的恒温箱中测量所得溶液的粘度，和测量不含PAS聚合物的α-氯萘的粘度，确定相对粘度。使用由此获得的相对粘度，根据下式计算特性粘度[η]。
(分升/克)＝ln(相对粘度)/聚合物浓度{热稳定性的评价方法}向内体积为10毫升(ml)且由不锈钢型SUS316制造的小型密闭容器中引入2.5gPAS和2.5gN-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，并密封封接。在油浴中加热该容器，将其温度升高到265℃，维持该温度8小时。然后，从油浴中取出该容器并冷却，然后从容器中取出PAS，用水洗涤和干燥。于是通过前述步骤测量干燥PAS的特性粘度[η]，并将特性粘度[η]的变化表达为热稳定性Δ[η]。
实施例1初步聚合向配有搅拌器的1m3钛-制起始物质合成容器中引入633kgN-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和100kg(2.38kmol)氢氧化锂(LiOH·H2O)，和将所得混合物加热到并保持在140℃下。通过间歇蒸馏除去在作为起始物质的氢氧化锂内包含的水。其后，在保持130℃的温度下，将65N-千升气体硫化氢吹入混合物中，合成硫氢化锂。
随后，停止硫化氢的吹入，和将合成容器再次加热，将温度升高到205℃。随着温度升高，通过间歇蒸馏除去因吹入硫化氢而副生成的水，同时由硫氢化锂生产硫化锂。
在反应完成之后，反应产物包含1.08千摩尔硫化锂和0.214千摩尔N-甲基-4-氨基丁酸锂。向该反应产物中加入154.0kg(1.048千摩尔)对二氯苯(PDCB)和进一步加入5.3kg的纯水，以便在210℃反应3小时。然后将反应液体冷却到60℃或更低，和从反应器中取出所得反应混合物放入20升容器内。PDCB的转化率为90％。
此外，将11.1kg(0.076千摩尔)额外的PDCB引入反应器中，对其充分搅拌，之后从反应器中取出所得反应混合物放入20升容器内。
连续聚合向配有Full区域叶轮的10升高压釜中引入855g作为相分离剂的氯化锂和5145gNMP，并加热，将温度提高到260℃。在60℃下维持以上制备的预聚物，并通过使用齿轮泵，以33.3g/min的流速连续供应到反应器内。
另一方面，约每5分钟通过抽取(withdraw)喷嘴从反应器中取出约150-200g聚合混合物，以便保持恒定的液体水平。持续该步骤24小时，此时通过滗析过滤，将取出的样品分离成聚合物和聚合液体。然后在由此分离的聚合液体中测量PDCB的浓度。用热水和进一步用不同洗涤所得聚合物2次，然后在120℃下真空干燥12小时，评价特性粘度[η]和热稳定性Δ[η]。结果见表1。
实施例2重复实施例1的步骤，获得PAS聚合混合物，所不同的是将额外使用的PDCB用量由11.1kg(0.076千摩尔)变化为7.9kg(0.054千摩尔)。以与实施例1相同的方式获得的评价结果见表1。
实施例3重复实施例1的步骤，获得PAS聚合混合物，所不同的是将预聚物的合成时间由3小时变化为2小时，和在进一步添加时的PDCB转化率设定为60％。以与实施例1相同的方式获得的评价结果见表1。
实施例4重复实施例1的步骤，获得PAS聚合混合物，所不同的是在预聚物合成时刻使用的PDCB用量由154.0kg(1.048千摩尔)变化为147.7kg(1.004千摩尔)，和进一步添加的PDCB用量由11.1kg(0.076千摩尔)变化为17.5kg(0.119千摩尔)。以与实施例1相同的方式获得的评价结果见表1。
对比例1重复实施例1的步骤，获得PAS聚合混合物，所不同的是在预聚物合成时刻使用的PDCB用量由154.0kg(1.048千摩尔)变化为165.1kg(1.123千摩尔)，和没有进一步添加PDCB。以与实施例1相同的方式获得的评价结果见表1。
对比例2重复实施例1的步骤，获得PAS聚合混合物，所不同的是在预聚物合成时刻使用的PDCB用量由154.0kg(1.048千摩尔)变化为161.9kg(1.102千摩尔)，和没有进一步添加PDCB。以与实施例1相同的方式获得的评价结果见表1。
表1

工业实用性聚亚芳基硫，特别地聚苯硫以工程塑料著称，它的机械强度和耐热性等优良，且具有良好的电特性和高刚度。因此它被广泛用作各种材料如电子部件、电器部件和机械部件。尤其由聚苯硫和无机填料组成的树脂组合物的模塑制品用于各种应用目的。
权利要求
1.一种生产聚亚芳基硫的方法，它包括使硫源与二卤代芳族化合物在非质子有机溶剂中反应，其特征在于在聚合反应时，分多次添加二卤代芳族化合物。
2.权利要求1的生产方法，其中在当50％或更多所添加的二卤代芳族化合物物已反应的时刻将二卤代芳族化合物进一步添加到反应体系中。
3.权利要求1的生产方法，其中在当60％或更多所添加的二卤代芳族化合物物已反应的时刻将二卤代芳族化合物进一步添加到反应体系中。
4.权利要求1的生产方法，其中在聚合反应时分2次添加二卤代芳族化合物。
5.权利要求4的生产方法，其中在第一次以0.90-1.04的二卤代芳族化合物/硫源的摩尔比范围使用二卤代芳族化合物，和在第二次以至少0.01的摩尔比使用二卤代芳族化合物。
6.权利要求1的生产方法，其中连续实施聚合反应。
7.权利要求1的生产方法，其中在相分离剂存在下实施聚合反应。
8.权利要求1的生产方法，其中聚亚芳基硫的特性粘度[η]为至少0.1。
9.一种聚亚芳基硫树脂组合物，它包括20-90重量％权利要求1-8任何一项的生产方法生产的聚亚芳基硫，和80-10重量％的无机填料。
10.一种由模塑权利要求9的聚亚芳基硫树脂组合物而生产的模塑制品。
全文摘要
本发明公开了一种生产聚亚芳基硫的方法，它包括使硫源与二卤代芳族化合物在非质子有机溶剂中反应，其特征在于在聚合反应时，分多次添加二卤代芳族化合物。通过本发明使得可能提供一种方法，有效地生产分子量高且热稳定性优良的聚亚芳基硫。
文档编号C08J5/00GK1500112SQ02807689
公开日2004年5月26日 申请日期2002年3月13日 优先权日2001年3月30日
发明者菅浩一 申请人:财团法人石油产业活性化中心, 出光石油化学株式会社