RU2798656C1 - Method for obtaining oligomers of acrylonitrile and its co-oligomers in the presence of n-methylmorpholine-n-oxide - Google Patents
Method for obtaining oligomers of acrylonitrile and its co-oligomers in the presence of n-methylmorpholine-n-oxide Download PDFInfo
- Publication number
- RU2798656C1 RU2798656C1 RU2022130065A RU2022130065A RU2798656C1 RU 2798656 C1 RU2798656 C1 RU 2798656C1 RU 2022130065 A RU2022130065 A RU 2022130065A RU 2022130065 A RU2022130065 A RU 2022130065A RU 2798656 C1 RU2798656 C1 RU 2798656C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mmo
- molecular weight
- polymerization
- acrylonitrile
- methylmorpholine
- Prior art date
Links
- LFTLOKWAGJYHHR-UHFFFAOYSA-N N-methylmorpholine N-oxide Chemical compound CN1(=O)CCOCC1 LFTLOKWAGJYHHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 76
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 27
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims abstract description 23
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract 2
- 239000007870 radical polymerization initiator Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 23
- BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N Methyl acrylate Chemical compound COC(=O)C=C BAPJBEWLBFYGME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 2-Propenoic acid Natural products OC(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 claims description 7
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 7
- SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 2-(2-methoxy-5-methylphenyl)ethanamine Chemical compound COC1=CC=C(C)C=C1CCN SMZOUWXMTYCWNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- SOGAXMICEFXMKE-UHFFFAOYSA-N Butylmethacrylate Chemical compound CCCCOC(=O)C(C)=C SOGAXMICEFXMKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 125000002573 ethenylidene group Chemical group [*]=C=C([H])[H] 0.000 claims description 6
- OSSNTDFYBPYIEC-UHFFFAOYSA-N 1-ethenylimidazole Chemical compound C=CN1C=CN=C1 OSSNTDFYBPYIEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N Acrylamide Chemical compound NC(=O)C=C HRPVXLWXLXDGHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GOXQRTZXKQZDDN-UHFFFAOYSA-N 2-Ethylhexyl acrylate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C=C GOXQRTZXKQZDDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acrylate Chemical compound CCOC(=O)C=C JIGUQPWFLRLWPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N Methacrylic acid Chemical compound CC(=C)C(O)=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 125000005250 alkyl acrylate group Chemical group 0.000 claims description 3
- -1 alkyl methacrylates Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- CQEYYJKEWSMYFG-UHFFFAOYSA-N butyl acrylate Chemical compound CCCCOC(=O)C=C CQEYYJKEWSMYFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- SUPCQIBBMFXVTL-UHFFFAOYSA-N ethyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CCOC(=O)C(C)=C SUPCQIBBMFXVTL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KCAMXZBMXVIIQN-UHFFFAOYSA-N octan-3-yl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CCCCCC(CC)OC(=O)C(C)=C KCAMXZBMXVIIQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N pent‐4‐en‐2‐one Natural products CC(=O)CC=C PNJWIWWMYCMZRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000010526 radical polymerization reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract 1
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical class S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 3
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 3
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 3
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 125000002560 nitrile group Chemical group 0.000 description 3
- 238000007363 ring formation reaction Methods 0.000 description 3
- VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M sodium thiocyanate Chemical compound [Na+].[S-]C#N VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 3
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 238000001938 differential scanning calorimetry curve Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000005227 gel permeation chromatography Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M lithium bromide Chemical compound [Li+].[Br-] AMXOYNBUYSYVKV-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 2
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 238000000425 proton nuclear magnetic resonance spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 2
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 2
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- WAZPLXZGZWWXDQ-UHFFFAOYSA-N 4-methyl-4-oxidomorpholin-4-ium;hydrate Chemical compound O.C[N+]1([O-])CCOCC1 WAZPLXZGZWWXDQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229920000875 Dissolving pulp Polymers 0.000 description 1
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000010 aprotic solvent Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001210 attenuated total reflectance infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000001362 electron spin resonance spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003165 hydrotropic effect Effects 0.000 description 1
- 125000000879 imine group Chemical group 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000003402 intramolecular cyclocondensation reaction Methods 0.000 description 1
- LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N itaconic acid Chemical class OC(=O)CC(=C)C(O)=O LVHBHZANLOWSRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002074 melt spinning Methods 0.000 description 1
- 125000005395 methacrylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000000269 nucleophilic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 239000003505 polymerization initiator Substances 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 1
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Предлагаемое изобретение относится к химической технологии, в частности к способу получения (со)олигомеров акрилонитрила радикальной полимеризацией в присутствии N-метилморфолин-N-оксида. Предложенный способ позволяет получать низкомолекулярные (со)полимеры на основе акрилонитрила с молекулярной массой (ММ) порядка 1 кДа и узким молекулярно-массовым распределением.The present invention relates to chemical technology, in particular to a method for obtaining acrylonitrile (co)oligomers by radical polymerization in the presence of N-methylmorpholine-N-oxide. The proposed method makes it possible to obtain low molecular weight (co)polymers based on acrylonitrile with a molecular weight (MW) of the order of 1 kDa and a narrow molecular weight distribution.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Сополимеры на основе акрилонитрила (ПАН-сополимеры) широко используют в качестве прекурсоров для получения углеродных волокон, которые находят применение, прежде всего, как конструкционный материал в машиностроении и спортивной индустрии. В качестве сомономеров акрилонитрила используют, например, метилакрилат, акриловую, метакриловую и итаконовую кислоты и их производные. Необходимость введения сомономеров обусловлена их пластифицирующими свойствами, а также сглаживанием экзотермического теплового эффекта при стабилизации волокна в процессе окисления кислородом воздуха.Acrylonitrile-based copolymers (PAN copolymers) are widely used as precursors for the production of carbon fibers, which are used primarily as a structural material in mechanical engineering and the sports industry. Suitable comonomers for acrylonitrile are, for example, methyl acrylate, acrylic, methacrylic and itaconic acids and their derivatives. The need to introduce comonomers is due to their plasticizing properties, as well as smoothing the exothermic thermal effect during fiber stabilization in the process of oxidation with atmospheric oxygen.
Основным способом получения сополимеров акрилонитрила является радикальная полимеризация, которую проводят в среде органического растворителя (WO 2004060928 A1; KR 20190038322 А), в водных растворах роданистого натрия или хлорида цинка (GB 950878 А, ЕР 0824111 А1; JP 2004211047 А), эмульсионным (RU 2412966 С2; WO 2015040043 A1; US 7098280 B2; RU 2467021 C2) или суспензионным способами (JPH 0310651B2), а также осадительным способом в воде (RU 2017865 C1; RU 2088598 C1).The main method for obtaining acrylonitrile copolymers is radical polymerization, which is carried out in an organic solvent (WO 2004060928 A1; KR 20190038322 A), in aqueous solutions of sodium thiocyanate or zinc chloride (GB 950878 A, EP 0824111 A1; JP 2004211047 A), emulsion (RU 2412966 C2; WO 2015040043 A1; US 7098280 B2; RU 2467021 C2) or by suspension methods (JPH 0310651B2), as well as by precipitation in water (RU 2017865 C1; RU 2088598 C1).
В технологии получения сополимеров акрилонитрила наибольшее распространение получили апротонные растворители: диметилформамид (ДМФА), диметилацетамид (ДМАА), диметилсульфоксид (ДМСО) и гидротропный растворитель - 51,5%-ный водный раствор NaSCN. Наиболее популярными растворяющими системами ПАН являются ДМФА и ДМСО. Однако, несмотря на то, что эти растворители более доступны, они достаточно токсичны. Более того, предельные концентрации прядильных растворов ПАН в ДМФА и ДМСО из-за их высокой вязкости и фазовой нестабильности не превышают 23-24%. В свою очередь, 51,5%-ный водный раствор NaSCN создает щелочную среду при полимеризации, что негативно влияет как на качество продукта, так и на износ технологического оборудования.In the technology for obtaining acrylonitrile copolymers, aprotic solvents are most widely used: dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAA), dimethyl sulfoxide (DMSO) and a hydrotropic solvent - 51.5% NaSCN aqueous solution. The most popular PAN solvent systems are DMF and DMSO. However, despite the fact that these solvents are more accessible, they are quite toxic. Moreover, the limiting concentrations of PAN spinning solutions in DMF and DMSO do not exceed 23–24% due to their high viscosity and phase instability. In turn, a 51.5% aqueous solution of NaSCN creates an alkaline environment during polymerization, which negatively affects both the quality of the product and the wear of process equipment.
В этой связи большой интерес представляет высокополярный донорный растворитель - N-метилморфолин-N-оксид (ММО). Этот растворитель наиболее эффективен для протонодонорных полимеров, в частности для целлюлозы, и позволяет переводить в раствор до 45% целлюлозы (Голова Л.К. Химические волокна. №1, 1996. с.13-23). Патенты US 4142913, US 4144080, US 4196282 и US 4246221 раскрывают способ изготовления волокна, в котором целлюлоза набухает в водном растворе ММО, который содержит менее 50% масс.воды, а затем полученный водный раствор ММО перегоняют при пониженном давлении, чтобы получить неочищенный раствор для прядения, с последующей экструзией в волокно.In this regard, a highly polar donor solvent, N-methylmorpholine-N-oxide (MMO), is of great interest. This solvent is most effective for proton-donor polymers, in particular for cellulose, and allows you to transfer up to 45% of cellulose into solution (Head L.K. Chemical fibers. No. 1, 1996. p. 13-23). US Pat. for spinning, followed by extrusion into fiber.
Использование ММО в органическом синтезе и для растворения целлюлозы с последующим получением волокон обусловлено высокой полярностью связи N+-O-, для которой характерна повышенная электронная плотность на атоме кислорода, являющимся нуклеофильным центром, и гидрофильностью данного соединения. В результате ММО легко растворим в воде и способен образовывать водородные связи. Кроме того, связь N-O лабильная и легко разрывается под действием ряда подходящих реагентов (Rosenau T., et al. // Prog. Polym. Sci. 2001, V. 26. P. 1763.).The use of MMO in organic synthesis and for dissolving cellulose with subsequent production of fibers is due to the high polarity of the N + -O- bond, which is characterized by an increased electron density on the oxygen atom, which is the nucleophilic center, and the hydrophilicity of this compound. As a result, MMO is readily soluble in water and capable of forming hydrogen bonds. In addition, the NO bond is labile and is easily broken by a number of suitable reagents (Rosenau T., et al. // Prog. Polym. Sci. 2001, V. 26. P. 1763.).
ММО может существовать в свободной и гидратированной форме. В первом случае ММО является термически нестабильным, имеет высокую температуру плавления (182 °С) и высокую растворяющую способностью. ММО образует следующие типы гидратов - моногидрат с массовым содержанием воды 13.3%, 2.5 гидрат с 28 мас.% воды и серию сесквигидратов с более низкими температурами плавления, которые часто используют на практике (Linton E.P. // J. Am. Chem. Soc. 1940, V. 62. P.1945.).MMO can exist in free and hydrated form. In the first case, MMO is thermally unstable, has a high melting point (182°C) and a high dissolving power. MMO forms the following types of hydrates - monohydrate with 13.3 wt.% water, 2.5 hydrate with 28 wt.% water and a series of sesquihydrates with lower melting points, which are often used in practice (Linton E.P. // J. Am. Chem. Soc. 1940 , V. 62. P. 1945.).
ММО способен растворять некоторые полиэфиры и полиамиды, образуя с ними концентрированные растворы (Golova L., et al.// Polymer Science A. 2010. V. 52. №11. P. 1209.; Golova L., et al. // Cellulose -Fundamental Aspects and Current Trends /Ed by Godbout L., de Ven T. InTechOpen, London, 2013. P. 303.), пригодные для формования волокон. Однако гомополимер акрилонитрила (АН) обладает низкой растворимостью в ММО (US 3447939 A). В отличие от него сополимеры АН с малым содержанием сомономеров с карбоксильными группами (1-2% мольн.) легко образуют высококонцентрированные растворы с ММО (Kulichikhin V., et al.// Eur. Polym. J. 2017. V. 92. P. 326.). Причиной этого различия является образование комплекса между карбоксильной группой сополимера и группой NO растворителя в процессе твердофазной активации смеси полимера и ММО. Продолжительное нагревание (1-3 ч) концентрированного раствора сополимера АН и акриловой кислоты в ММО при 125 °С приводит к трансформации химической структуры сополимера, связанной с формированием системы сопряженных связей -C=N-C=N-. Стоит заметить, что в сополимерах АН и акриловой кислоты процессы внутримолекулярной циклизации в отсутствие ММО становятся заметными при существенно более высоких температурах (Toms R.V., et al.// Polymer Science B. 2020. V. 62. №6. P. 660.; Toms R.V., et al.// Polymer Science B. 2020. V. 62. №2. P. 102.). Следовательно, ММО активирует низкотемпературную циклизацию нитрильных групп.MMO is able to dissolve some polyesters and polyamides, forming concentrated solutions with them (Golova L., et al.// Polymer Science A. 2010. V. 52. No. 11. P. 1209 .; Golova L., et al. // Cellulose - Fundamental Aspects and Current Trends / Ed by Godbout L., de Ven T. InTechOpen, London, 2013. P. 303.), suitable for fiber spinning. However, acrylonitrile (AN) homopolymer has a low solubility in MMO (US 3447939 A). In contrast, AN copolymers with a low content of comonomers with carboxyl groups (1-2% mol.) easily form highly concentrated solutions with MMO (Kulichikhin V., et al.// Eur. Polym. J. 2017. V. 92. P 326.). The reason for this difference is the formation of a complex between the carboxyl group of the copolymer and the NO group of the solvent during the solid-phase activation of the mixture of polymer and MMO. Prolonged heating (1-3 h) of a concentrated solution of the copolymer AN and acrylic acid in MMO at 125°C leads to the transformation of the chemical structure of the copolymer associated with the formation of a system of conjugated bonds -C=N-C=N-. It is worth noting that in the copolymers of AN and acrylic acid, the processes of intramolecular cyclization in the absence of MMO become noticeable at significantly higher temperatures (Toms R.V., et al.// Polymer Science B. 2020. V. 62. No. 6. P. 660 .; Toms R.V., et al.// Polymer Science B. 2020. V. 62. No. 2. P. 102.). Therefore, MMO activates the low-temperature cyclization of nitrile groups.
Способ получения раствора сополимера на основе акрилонитрила в ММО, раскрытый в патенте RU 2541473 С2, основан на твердофазном смешении сополимера АН, содержащего кислотные группы, с гидратом N-метилморфолин-N-оксида. Изобретение позволяет получить высоко концентрированный раствор ПАН при приготовлении его высокоэкологичным способом.The method for obtaining a solution of an acrylonitrile-based copolymer in MMO, disclosed in patent RU 2541473 C2, is based on solid-phase mixing of an AN copolymer containing acid groups with N-methylmorpholine-N-oxide hydrate. EFFECT: invention makes it possible to obtain a highly concentrated PAN solution when it is prepared in a highly environmentally friendly way.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и базовым объектам является радикальная (со)полимеризация акрилонитрила с виниловыми сомономерами в присутствии агентов передачи цепи на основе меркаптанов, которые позволяют регулировать молекулярную массу сополимеров и, в том числе, получать (со)олигомеры (RU 2625314 C2, SU 378389 A1). Однако меркаптаны являются токсичными веществами, и, по нормативам Департамента Госсанэпиднадзора Минздрава России от 2003 г., их ПДК (максимальная разовая величина) для разных меркаптанов составляет менее 0.1 мг/м3. Кроме того, такую полимеризацию проводят в присутствии растворителя, который обуславливает его последующую очистку и регенерацию.The closest to the described invention in technical essence and basic objects is the radical (co)polymerization of acrylonitrile with vinyl comonomers in the presence of chain transfer agents based on mercaptans, which allow you to control the molecular weight of the copolymers and, in particular, obtain (co)oligomers (RU 2625314 C2, SU 378389 A1). However, mercaptans are toxic substances, and, according to the standards of the Department of State Sanitary and Epidemiological Supervision of the Ministry of Health of Russia of 2003, their MPC (maximum single value) for various mercaptans is less than 0.1 mg/m3. In addition, such polymerization is carried out in the presence of a solvent, which causes its subsequent purification and regeneration.
Основным недостатком способа, согласно прототипу, является использование токсических веществ и необходимость очистки и регенерации растворителя.The main disadvantage of the method, according to the prototype, is the use of toxic substances and the need for cleaning and regeneration of the solvent.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕSHORT DESCRIPTION
Способ, согласно данному изобретению, позволяет получить олигомеры или соолигомеры на основе акрилонитрила с молекулярной массой порядка 1 кДа и узким молекулярно-массовым распределением. Способ основан на использовании радикальной полимеризации, но отличается от известных способов наличием дополнительного регулирования молекулярной массы получаемого (со)олигомера путем введения в полимеризационную систему N-метилморфолин-N-оксида.The method according to the invention makes it possible to obtain oligomers or co-oligomers based on acrylonitrile with a molecular weight of about 1 kDa and a narrow molecular weight distribution. The method is based on the use of radical polymerization, but differs from the known methods by the presence of additional regulation of the molecular weight of the resulting (co)oligomer by introducing N-methylmorpholine-N-oxide into the polymerization system.
Практическая значимость сополимеров АН низкой ММ заключается в том, что они могут быть использованы для получения ПАН-прекурсоров формованием из расплава или сами по себе, или как добавка-пластификатор к сополимеру с более высокой молекулярной массой.The practical significance of low MW AN copolymers is that they can be used to produce PAN precursors by melt spinning, either by themselves or as a plasticizer additive to a higher molecular weight copolymer.
Предложенный способ позволяет получить продукт, не требующий выделения полимера и его очистки.The proposed method makes it possible to obtain a product that does not require isolation of the polymer and its purification.
В предлагаемом изобретении полимеризацию проводитят при содержании сомономера от 15 до 20% мольн. с участием N-метилморфолин-N-оксида с содержанием последнего от 10 до 50% масс.в течение 24 часов без проявления гель-эффекта.In the present invention, the polymerization is carried out at a comonomer content of 15 to 20 mole %. with the participation of N-methylmorpholine-N-oxide with the content of the latter from 10 to 50% wt. within 24 hours without the manifestation of the gel effect.
В задачу изобретения положена разработка нового экологически чистого способа получения (со)олигомеров акрилонитрила заданного состава, молекулярной массы и химической природы, применимого для любых функциональных мономеров, полимеризующихся по радикальному механизму.The objective of the invention is to develop a new environmentally friendly method for obtaining (co)oligomers of acrylonitrile of a given composition, molecular weight and chemical nature, applicable to any functional monomers that polymerize by a radical mechanism.
Технический результат изобретения заключается в получении низкомолекулярных (со)полимеров на основе акрилонитрила с молекулярной массой порядка 1 кДа, узким молекулярно-массовым распределением и содержанием сомономеров от 15 до 20% мольн. Полученные таким способом низкомолекулярные (со)полимеры имеют низкую температуру перехода в состояние вязкого течения в диапазоне от 70 до 80 °С.The technical result of the invention is to obtain low molecular weight (co)polymers based on acrylonitrile with a molecular weight of about 1 kDa, a narrow molecular weight distribution and a comonomer content of 15 to 20 mol%. The low molecular weight (co)polymers obtained in this way have a low transition temperature to the viscous flow state in the range from 70 to 80°C.
Данный результат достигается следующим способом.This result is achieved in the following way.
Реактор продувают аргоном, загружают мономеры, необязательно, радикальный инициатор, N-метилморфолин-N-оксид, необязательно, в присутствии органического растворителя, например, ДМСО, в начальный момент времени или на высоких конверсиях, и заполняют аргоном. Инертная атмосфера необходима для предотвращения ингибирования полимеризации и для контроля молекулярных масс полимеров. Реакционную смесь нагревают до 50-90 °С и ведут полимеризацию в течение 24 часов без проявления гель-эффекта. Температура ниже 50 °С не обеспечивает приемлемую скорость полимеризации; температура выше 90 °С приводит к уменьшению предельного выхода полимера. При температурах 80 - 90 °С проходит инициирование и полимеризация АН без участия вещественного инициатора с достижением конверсии мономера в олигомер около 50% за 24 часа.The reactor is purged with argon, loaded with monomers, optionally a radical initiator, N-methylmorpholine-N-oxide, optionally in the presence of an organic solvent, for example, DMSO, at the initial time or at high conversions, and filled with argon. An inert atmosphere is necessary to prevent inhibition of polymerization and to control the molecular weights of polymers. The reaction mixture is heated to 50-90 °C and polymerization is carried out for 24 hours without the appearance of a gel effect. Temperatures below 50 °C do not provide an acceptable polymerization rate; temperatures above 90 °C leads to a decrease in the limiting yield of the polymer. At temperatures of 80 - 90 °C, the initiation and polymerization of AN takes place without the participation of a material initiator with the achievement of a monomer-to-oligomer conversion of about 50% in 24 hours.
Распределение сомономеров в сополимере регулируют скоростью подачи мономеров в реакцию. The distribution of comonomers in the copolymer is controlled by the rate at which monomers are fed into the reaction.
При полимеризации АН в присутствии ММО, который вводят в реакционную систему в начальный момент времени или на высоких конверсиях, проявляются закономерности: молекулярная масса полимера в присутствии ММО ниже, чем в его отсутствие, а сами полимеры приобретают окраску за счет частичной циклизации. Следовательно, ММО является активным участником реакции полимеризации. При облучении или при нагревании ММО (120 °С) регистрируется спектр ЭПР, отвечающий нитроксильному радикалу, образующемуся при разрыве кольца по следующей схеме:During the polymerization of AN in the presence of MMO, which is introduced into the reaction system at the initial moment of time or at high conversions, regularities appear: the molecular weight of the polymer in the presence of MMO is lower than in its absence, and the polymers themselves acquire color due to partial cyclization. Therefore, MMO is an active participant in the polymerization reaction. Upon irradiation or heating of MMO (120 °C), an EPR spectrum is recorded corresponding to the nitroxy radical formed upon ring rupture according to the following scheme:
Общую схему механизма полимеризации АН с участием ММО можно представить в следующем виде. При полимеризации АН, инициированной динитрил азоизомасляной кислотой (ДАК) в присутствии ММО может произойти цепочка последовательных реакций (2) и (3), приводящих к образованию макронитроксильного аддукта. Чем выше концентрация ММО и температура, тем больше будет концентрация бирадикала и тем быстрее происходит обрыв цепи по реакциямThe general scheme of the mechanism of AN polymerization with the participation of MMO can be represented as follows. During the polymerization of AN initiated by dinitrile azoisobutyric acid (DAA) in the presence of MMO, a chain of successive reactions (2) and (3) can occur, leading to the formation of a macronitroxide adduct. The higher the concentration of MMO and the temperature, the greater the concentration of the biradical and the faster the chain termination occurs according to the reactions
Увеличение конверсии мономера с ростом доли ММО в смеси позволяет предположить, что бирадикал способен инициировать полимеризацию АН (реакция (4)), образуя макронитроксил, взаимодействующий с другим радикалом роста по реакциям (2) и (3):An increase in the monomer conversion with an increase in the proportion of MMO in the mixture suggests that the diradical is capable of initiating the polymerization of AN (reaction (4)), forming macronitroxide, which interacts with another growth radical according to reactions (2) and (3):
Инициирование реакции циклизации возможно по реакции (5а), а деструкция - по реакции (5б):The initiation of the cyclization reaction is possible according to the reaction (5a), and the destruction - according to the reaction (5b):
Предположения о механизме полимеризации АН с участием ММО не противоречат экспериментальным данным.The assumptions about the mechanism of AN polymerization with the participation of MMO do not contradict the experimental data.
Полученные низкомолекулярные полимеры акрилонитрила и его сополимеры с виниловыми и/или винилиденовыми мономерами, выбранными из группы, включающей акриловую кислоту; алкилакрилаты, например, метилакрилат, этилакрилат, бутилакрилат, этилгексилакрилат; метакриловую кислоту, алкилметакрилаты, например, метилметакрилат, этилметакрилат, бутилметакрилат, этилгексилметакрилат; стирол; винилацетат; акриламид, 1-винилимидазол, имеют молекулярную массу порядка 1кДа, узкое молекулярно-массовое распределение, содержанием сомономеров составляет от 15 до 20% мольн.The resulting low molecular weight polymers of acrylonitrile and its copolymers with vinyl and/or vinylidene monomers selected from the group consisting of acrylic acid; alkyl acrylates, for example methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, ethylhexyl acrylate; methacrylic acid, alkyl methacrylates, for example methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, ethylhexyl methacrylate; styrene; vinyl acetate; acrylamide, 1-vinylimidazole, have a molecular weight of about 1 kDa, a narrow molecular weight distribution, the comonomer content is from 15 to 20 mol%.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Рис.1. Зависимость конверсии АН от массовой доли ММО в исходной смеси через 24 ч полимеризации АН, инициированной 10-2 моль/л ДАК (1, 2), и в отсутствие инициатора (3). Т=60 (1) и 80 °С (2, 3). Fig.1. Dependence of AN conversion on the mass fraction of MMO in the initial mixture after 24 h of AN polymerization initiated by 10 -2 mol/l DAA (1, 2) and in the absence of an initiator (3). Т=60 (1) and 80 °С (2, 3).
Рис.2. Зависимость конверсии (а) и логарифма отношения текущей концентрации мономера к исходной концентрации (б) от времени полимеризации АН, инициированной 10-3 (1) и 10-2 моль/л ДАК (2) при 80 °С в присутствии 50 мас.% ММО. Fig.2. Dependence of the conversion (a) and the logarithm of the ratio of the current monomer concentration to the initial concentration (b) on the polymerization time of AN initiated by 10 -3 (1) and 10 -2 mol/l DAA (2) at 80 °C in the presence of 50 wt.% MMO.
Рис.3. Кривые ММР: а - ПАН, образующийся при 80 °С через 24 ч полимеризации АН в присутствии 10-2 моль/л ДАК (1-7) и в отсутствие ДАК (8) при массовом содержании ММО 0 (1), 5 (2), 10 (3), 20 (4), 30 (5, 8), 40 (6) и 50% (7, 8); 6 - ПАН, образующийся при 60 °С через 24 ч полимеризации АН в присутствии 10-3 моль/л ДАК при массовом содержании ММО 2.5 (1), 5 (2), 7.5 (3), 10 (4) и 20% (5); в - сополимеры АН с акриловой кислотой (1), стиролом (2), винилацетатом (3), акриламидом (4), метилакрилатом (5) и 1- винилимидазолом (6), образующиеся в присутствии 10-2 моль/л ДАК и 40 мас.% ММО. Fig.3. MWD curves: a - PAN formed at 80°C after 24 h of AN polymerization in the presence of 10 -2 mol/l DAA (1-7) and in the absence of DAA (8) at a mass content of MMO 0 (1), 5 (2 ), 10 (3), 20 (4), 30 (5, 8), 40 (6), and 50% (7, 8); 6 - PAN formed at 60 °C after 24 h of AN polymerization in the presence of 10 -3 mol/l DAA at a mass content of MMO 2.5 (1), 5 (2), 7.5 (3), 10 (4) and 20% ( 5); c - copolymers of AN with acrylic acid (1), styrene (2), vinyl acetate (3), acrylamide (4), methyl acrylate (5) and 1-vinylimidazole (6), formed in the presence of 10 -2 mol/l DAA and 40 wt.% MMO.
Рис.4. Зависимость 1/Mn от массового содержания ММО для ПАН, полученного при разном содержании ММО при 60 (1) и 80 °С (2). Fig.4. Dependence of 1/M n on the mass content of MMO for PAN obtained at different contents of MMO at 60 (1) and 80 °C (2).
Рис.5. Спектры ЯМР 1Н в ДМСО-d6 для ПАН, синтезированного в присутствии 50 мас.% ММО (1) и в его отсутствие (2). Fig.5. 1H NMR spectra in DMSO-d 6 for PAN synthesized in the presence of 50 wt.% MMO (1) and in its absence (2).
Рис.6. Спектры ИК-НПВО: а - ММО (1) и пленки ПАН, синтезированные при 80 оС в отсутствие ММО (2) и в его присутствии (3-7) при массовом содержании ММО 5 (3), 10 (4), 20 (5), 30 (6, 6) и 40% (7) в присутствии ДАК (2-7) и в его отсутствие (6); 6 - пленки ПАН, синтезированные при 60 °С в присутствии ММО при его массовом содержании 5 (1), 10 (2) и 20% (3). Fig.6. ATR IR spectra: a - MMO (1) and PAN films synthesized at 80 ° C in the absence of MMO (2) and in its presence (3-7) at a mass content of MMO 5 (3), 10 (4), 20 (5), 30 (6, 6) and 40% (7) in the presence of DAA (2-7) and in its absence (6); 6 - PAN films synthesized at 60°C in the presence of MMO at its mass content of 5 (1), 10 (2), and 20% (3).
Рис.7. Кривые ДСК продуктов полимеризации АН, инициированной ДАК при 80 °С, в отсутствие (1) и присутствии ММО (2-5). Массовое содержание ММО в исходной смеси 5 (2), 7.5 (3), 10 (4) и 40% (5). Fig.7. DSC curves of AN polymerization products initiated by DAA at 80°C in the absence (1) and presence of MMO (2-5). The mass content of MMO in the initial mixture is 5 (2), 7.5 (3), 10 (4), and 40% (5).
Рис.8. Зависимость конверсии мономера от времени полимеризации АН (20 мас.%) в ДМСО при 80 °С под действием 5×10-3 моль/л ДАК (а), а также ММР продуктов полимеризации АН через 90 мин после начала реакции (1) и после добавления ММО (20 мас.% по отношению к АН) через 60 (2) и 120 мин (3) после введения ММО (б). Fig.8. Dependence of the monomer conversion on the polymerization time of AN (20 wt.%) in DMSO at 80°C under the action of 5 × 10 -3 mol/l DAA (a), as well as the MWD of the polymerization products of AN 90 min after the start of reaction (1) and after the addition of MMO (20 wt.% in relation to AN) after 60 (2) and 120 min (3) after the introduction of MMO (b).
Рис.9. Спектры ИК-НПВО пленок продуктов полимеризации АН через 60 мин после начала реакции (1) и после добавления ММО (20 мас.% по отношению к АН) через 30 (2) и 90 мин (3) после введения ММО при 80 °С. Fig.9. ATR IR spectra of films of AN
Рис.10. ДСК-термограммы ММО (1), ПАН (2) и пленок ПАН-ММО (3-7), зарегистрированные в динамическом режиме в инертной атмосфере со скоростью сканирования 10 град/мин. Массовое содержание ММО 5 (3), 10 (4), 20 (5), 30 (6) и 40% (7). Fig.10. DSC thermograms of (1) MMO, (2) PAN, and (3–7) PAN-MMO films recorded in the dynamic mode in an inert atmosphere at a scanning rate of 10 deg/min. Mass content of MMO 5 (3), 10 (4), 20 (5), 30 (6) and 40% (7).
Рис.11. Кривые ММР чистого ПАН и ПАН, подвергнутого термообработке с ММО в ДМСО при 135 °С в течение 4 ч. Массовое содержание ММО 0 (1), 5 (2), 10 (3), 20 (4) и 40% (5). Fig.11. MWD curves of pure PAN and PAN subjected to heat treatment with MMO in DMSO at 135°C for 4 h. Mass content of MMO 0 (1), 5 (2), 10 (3), 20 (4) and 40% (5) .
Рис.12. ИК-спектры пленок ПАН с ММО, прогретых при 135 о С в течение 4 ч. Массовое содержание ММО 5 (1), 10 (2), 20 (3) и 40% (4). Fig.12. IR spectra of PAN films with MMO heated at 135°C for 4 h. Mass content of MMO 5 (1), 10 (2), 20 (3), and 40% (4).
Рис.13. ИК-спектры пленок ПАН-ММО с содержанием ММО 20 мас.%, зарегистрированные после изотермической обработки в течение 0 (1), 5 (2), 15 (3), 70 (4) и 240 мин (5) в атмосфере аргона при 175 °С. Fig.13. IR spectra of PAN-MMO films with an MMO content of 20 wt.%, recorded after isothermal treatment for 0 (1), 5 (2), 15 (3), 70 (4) and 240 min (5) in an argon atmosphere at 175 °C.
Рис.14. Зависимость конверсии нитрильных групп от времени при изотермической обработке в атмосфере аргона при 175 °С пленок ПАН-ММО. Массовое содержание ММО 5 (1), 10 (2), 20 (3), 30 (4) и 40% (5). Fig.14. Time dependence of the conversion of nitrile groups during isothermal treatment in an argon atmosphere at 175°C of PAN-MMO films. Mass content of MMO 5 (1), 10 (2), 20 (3), 30 (4) and 40% (5).
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Ниже приведены примеры конкретного осуществления предлагаемого изобретения. Эти примеры не предназначены для ограничения объема защиты настоящего изобретения и приведены для иллюстрации изобретения.Below are examples of specific implementation of the invention. These examples are not intended to limit the scope of the present invention and are provided to illustrate the invention.
Пример 1.Example 1
В круглодонную колбу на 50 мл загружают свежеперегнанный АН 20 г (376 ммоль), динитрил азоизомасляной кислоты (ДАК) до концентрации 10-2 моль/л, ММО 4 г (20 мас %; 34 ммоль) и продувают сухим аргоном (99,99%) в течение 10 минут. Далее реакционную массу нагревают до 60 °С и выдерживают в течение 24 ч. По истечению времени реакционную массу выливают в избыток холодной воды, полученный осадок полимера отделяют фильтрацией, промывают на фильтре двукратным объемом дистиллированной воды, сушат на воздухе при комнатной температуре, затем в сушильном вакуумном шкафу при 70°С.Freshly distilled AN 20 g (376 mmol), azoisobutyric acid dinitrile (AAB) to a concentration of 10 -2 mol / l, MMO 4 g (20 wt%; 34 mmol) are loaded into a 50 ml round-bottom flask and purged with dry argon (99.99 %) within 10 minutes. Next, the reaction mass is heated to 60 °C and kept for 24 hours. After the time has elapsed, the reaction mass is poured into an excess of cold water, the resulting polymer precipitate is separated by filtration, washed on the filter with a double volume of distilled water, dried in air at room temperature, then in a drying oven. vacuum oven at 70°C.
Структура полученного полимера была определена методами ЯМР и ИК-спектроскопии. По данным анализа, проведенного методом гель-проникающей хроматографии, полученный олигомер имел молекулярную массу порядка 1 кДа и узкое молекулярно-массовое распределение.The structure of the resulting polymer was determined by NMR and IR spectroscopy. According to the analysis carried out by gel permeation chromatography, the resulting oligomer had a molecular weight of about 1 kDa and a narrow molecular weight distribution.
Процесс полимеризации проводили по данной методике в различных массовых соотношениях АН/ММО. Выход полученных полимеров в зависимости от соотношения АН/ММО составлял от 10% при соотношении АН/ММО 90/10% масс. до 55% при АН/ММО 50/50% масс.The polymerization process was carried out according to this method in various mass ratios of AN/MMO. The yield of the obtained polymers, depending on the ratio of AN/MMO, ranged from 10% at a ratio of AN/MMO of 90/10% wt. up to 55% at AN/MMO 50/50% wt.
Пример 2.Example 2
Полимеризацию АН (20% масс.) проводят при 80 °С в растворе ДМСО при концентрации ДАК 5⋅10-3 моль/л. Через 1,5 ч после начала полимеризации в реакционную смесь вводят ММО в количестве 20% масс. в расчете на исходный мономер и продолжают синтез. В ходе полимеризации до и после добавления ММО отбирают пробы для выделения и исследования продукта. Выход полимера составляет 65%.Polymerization of AN (20% wt.) is carried out at 80 °C in a DMSO solution at a DAA concentration of 5⋅10 -3 mol/l. After 1.5 h after the start of polymerization, MMO is introduced into the reaction mixture in an amount of 20 wt%. based on the starting monomer and continue the synthesis. During polymerization, before and after the addition of MMO, samples are taken for product isolation and analysis. The polymer yield is 65%.
Пример 3. Example 3
В круглодонную колбу на 50 мл загружают свежеперегнанный АН 10 г (188 ммоль), ММО 6 г (40 мас %; 3 ммоль) и продувают сухим аргоном (99,99%) в течение 10 минут. В качестве инициатора полимеризации используют ММО. Реакционную массу нагревают до 90 °С и выдерживают в течение 24 ч. По истечению времени реакционную массу выливают в избыток холодной воды, полученный осадок полимера отделяют фильтрацией, промывают на фильтре двукратным объемом дистиллированной воды, сушат на воздухе при комнатной температуре, затем в сушильном вакуумном шкафу при 70°С, получая полимер с выходом 60%. В ходе полимеризации отбирают пробы для выделения и исследования продукта.A 50 ml round bottom flask was charged with freshly distilled AN 10 g (188 mmol), MMO 6 g (40 wt%; 3 mmol) and purged with dry argon (99.99%) for 10 minutes. MMO is used as the polymerization initiator. The reaction mass is heated to 90 °C and kept for 24 hours. After the time has elapsed, the reaction mass is poured into an excess of cold water, the resulting polymer precipitate is separated by filtration, washed on the filter with a double volume of distilled water, dried in air at room temperature, then in a drying vacuum cabinet at 70°C, obtaining a polymer with a yield of 60%. During polymerization, samples are taken to isolate and test the product.
Пример 4.Example 4
Получение сополимеров АН с виниловыми или винилиденовыми мономерами, выбранными из группы, включающей акриловую кислоту; алкилакрилаты, например, метилакрилат, этилакрилат, бутилакрилат, этилгексилакрилат; метакриловую кислоту, алкилметакрилаты, например, метилметакрилат, этилметакрилат, бутилметакрилат, этилгексилметакрилат; стирол, винилацетат, акриламид, 1-винилимидазол, проводили по аналогичным методикам, представленным в примерах 1-3, за исключением стадии объединения мономеров АН с виниловыми или винилиденовыми мономерами. Виниловые или винилиденовые мономеры загружают в количествах от 15 до 20% мольн.Preparation of AN copolymers with vinyl or vinylidene monomers selected from the group consisting of acrylic acid; alkyl acrylates, for example methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, ethylhexyl acrylate; methacrylic acid, alkyl methacrylates, for example methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, ethylhexyl methacrylate; styrene, vinyl acetate, acrylamide, 1-vinylimidazole, was carried out according to similar methods presented in examples 1-3, except for the step of combining AN monomers with vinyl or vinylidene monomers. Vinyl or vinylidene monomers are loaded in amounts of 15 to 20 mole %.
Выход полученных полимеров в зависимости от соотношения АН+сомономер/ММО составляет от 15% при соотношении АН+сомономер/ММО 90/10% масс. до 62% при АН/ММО 50/50% масс.The output of the obtained polymers, depending on the ratio of AN+comonomer/MMO, is from 15% at a ratio of AN+comonomer/MMO of 90/10 wt%. up to 62% at AN/MMO 50/50% wt.
Пример 5.Example 5
Для изучения влияния ММО на термическое поведение ПАН формуют пленки, растворяя ПАН, синтезированный в отсутствие ММО, в ДМСО (15%-ный раствор). В раствор помещают рассчитанное количество ММО (от 5 до 40% масс. на смесь ПАН-ММО), наносят готовый раствор на стекло и сушат в сушильном шкафу под вакуумом при температуре 80 °С до полного испарения ДМСО. По окончании процесса получают пленки размером 50×50 мм и толщиной от 100 до 200 мкм, которые отделяют от стекла и исследуют методами ИК-НПВО спектроскопии и ДСК.To study the effect of MMO on the thermal behavior of PAN, films are formed by dissolving PAN synthesized in the absence of MMO in DMSO (15% solution). The calculated amount of MMO is placed in the solution (from 5 to 40 wt. % for the PAN-MMO mixture), the finished solution is applied to the glass and dried in an oven under vacuum at a temperature of 80 °C until the DMSO is completely evaporated. At the end of the process, films with a size of 50×50 mm and a thickness of 100 to 200 μm are obtained, which are separated from the glass and examined by ATR IR spectroscopy and DSC.
Молекулярно-массовые характеристики ПАН изучали методом ГПХ на хроматографе GPC-120 фирмы «Polymer Labs». Анализ проводили при 50 °С в ДМФА, содержащем 0.1 мас.% LiBr, со скоростью потока 1 мл/мин. Для разделения использовали две колонки PLgel 5 μm MIXED С (М=(5 (102)-(1 (107). Средние ММ и ММР рассчитывали по стандартам ПММА и пересчитывали для ПАН, используя коэффициенты уравнения Марка-Куна- Хаувинка (KПАН=39.4 (10-4, (=0.75, KПMMA=17.7 ×10 -4, (=0.62 (Polymer Handbook/ Ed. by J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke. New York: Wiley, 1999.)).The molecular weight characteristics of PAN were studied by GPC on a GPC-120 chromatograph (Polymer Labs). The analysis was carried out at 50°С in DMF containing 0.1 wt % LiBr with a flow rate of 1 ml/min. Two
Тепловые эффекты, наблюдаемые при динамическом нагревании полимеров, исследовали на дифференциальном сканирующем калориметре «Netzsch DSC 204» фирмы «Netzsch» (Германия) в атмосфере осушенного аргона при скорости потока 50 мл/мин в интервале от 30 до 500 °С со скоростью нагревания 10 град/мин. Для проведения измерений брали образцы массой от 4 до 8 мг и помещали в стандартный алюминиевый тигель. Результаты обрабатывали с помощью программы Netzsch Proteus.Thermal effects observed during dynamic heating of polymers were studied on a Netzsch DSC 204 differential scanning calorimeter (Netzsch, Germany) in an atmosphere of dried argon at a flow rate of 50 ml/min in the range from 30 to 500°C with a heating rate of 10 deg. /min For measurements, samples weighing from 4 to 8 mg were taken and placed in a standard aluminum crucible. The results were processed using Netzsch Proteus software.
Химическую структуру полимеров изучали методом ИК-спектроскопии с помощью ИК-фурье-спектрометра «Spectrum Two FT-IR Spectrometer» фирмы «Perkin Elmer» в области 4000-600 см-1 с разрешением 0.5 см-1 при комнатной температуре в режиме НПВО (кристалл алмаз).The chemical structure of the polymers was studied by IR spectroscopy using a Spectrum Two FT-IR Spectrometer IR Fourier spectrometer (Perkin Elmer) in the region of 4000–600 cm– 1 with a resolution of 0.5 cm– 1 at room temperature in the ATR mode (crystal diamond).
Для изучения изменений, происходящих в структуре макромолекул при изотермической выдержке, вначале образец помещали в ячейку ДСК «Netzsch DSC 204» фирмы «Netzsch» в инертной атмосфере и выдерживали при фиксированной температуре в течение заданного времени, затем регистрировали ИК-спектры при комнатной температуре.To study the changes that occur in the structure of macromolecules during isothermal exposure, the sample was first placed in a Netzsch DSC 204 DSC cell (Netzsch) in an inert atmosphere and kept at a fixed temperature for a specified time, then IR spectra were recorded at room temperature.
Долю непрореагировавших нитрильных групп CN определяли по уравнению (Collins G.L., et al. // Carbon. 1988. V. 26. I. 5. P. 671.)The proportion of unreacted nitrile groups CN was determined by the equation (Collins G.L., et al. // Carbon. 1988. V. 26. I. 5. P. 671.)
где А 2240 смA -1 - интенсивность поглощения нитрильных групп -CN,where A 2240 cmA - 1 - absorption intensity of nitrile groups -CN,
А 1590 смA-1 - интенсивность поглощения иминных групп -C=N-, A 1590 cmA-1 - absorption intensity of imine groups -C=N-,
- отношение коэффициентов молярного поглощения, равное 0.29.- the ratio of the coefficients of molar absorption, equal to 0.29.
Спектры ЯМР 1Н регистрировали на импульсном фурье-спектрометре “BrukerDPX-500” в ДМСО-d6. 1H NMR spectra were recorded on a BrukerDPX-500 FT-IR spectrometer in DMSO-d 6 .
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2798656C1 true RU2798656C1 (en) | 2023-06-23 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020100725A1 (en) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Lee Wha Seop | Method for preparing thin fiber-structured polymer web |
| RU2541473C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of obtaining solution of copolymer based on acrylnitrile in n-methylmorpholine-n-oxide |
| RU2625314C2 (en) * | 2013-02-15 | 2017-07-13 | Аркема Франс | Application of mercaptomethyl complex esters as chain transmission agents |
| RU2707600C1 (en) * | 2019-03-27 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of producing spinning mixed solutions of cellulose and copolymer pan in n-methylmorpholine-n-oxide (versions) |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020100725A1 (en) * | 2001-01-26 | 2002-08-01 | Lee Wha Seop | Method for preparing thin fiber-structured polymer web |
| RU2625314C2 (en) * | 2013-02-15 | 2017-07-13 | Аркема Франс | Application of mercaptomethyl complex esters as chain transmission agents |
| RU2541473C2 (en) * | 2013-06-13 | 2015-02-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of obtaining solution of copolymer based on acrylnitrile in n-methylmorpholine-n-oxide |
| RU2707600C1 (en) * | 2019-03-27 | 2019-11-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) | Method of producing spinning mixed solutions of cellulose and copolymer pan in n-methylmorpholine-n-oxide (versions) |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Е.Э. Пальчикова, И.С. Макаров, М.И. Виноградов, Л.К. Голова, Г.К. Шамбилова, В.Г. Куличихин "Кинетика растворения полиакрилонитрила в N-метилморфолин-N-оксиде в отсутствие и присутствии целлюлозы" ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2021, том 63, номер 6, стр.469-478. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bhanu et al. | Synthesis and characterization of acrylonitrile methyl acrylate statistical copolymers as melt processable carbon fiber precursors | |
| Wan et al. | Xanthate-mediated radical polymerization of N-vinylpyrrolidone in fluoroalcohols for simultaneous control of molecular weight and tacticity | |
| Suwa et al. | Synthesis and functionalities of poly (N‐vinylalkylamide). IV. Synthesis and free radical polymerization of N‐vinylisobutyramide and thermosensitive properties of the polymer | |
| KR102182889B1 (en) | Sugar containing, amphiphilic copolymers | |
| TW201529612A (en) | Polyacrylonitrile (PAN) polymers with low polydispersity index (PDI) and carbon fibers made therefrom | |
| Guerrero-Sanchez et al. | Quasi-block copolymer libraries on demand via sequential RAFT polymerization in an automated parallel synthesizer | |
| JP2573944B2 (en) | Thermoplastically processable polymethacrylate molding material and process for producing the same | |
| Shlyahtin et al. | Synthesis of polyacrylonitrile copolymers as potential carbon fibre precursors in CO 2 | |
| Ott et al. | Cellulose-graft-polystyrene bottle-brush copolymers by homogeneous RAFT polymerization of soluble cellulose macro-CTAs and “CTA-shuttled” R-group approach | |
| Maksimov et al. | Novel Potential Precursor of Carbon Fiber Based on Copolymers of Acrylonitrile, Acrylamide, and Alkyl Acrylates | |
| RU2798656C1 (en) | Method for obtaining oligomers of acrylonitrile and its co-oligomers in the presence of n-methylmorpholine-n-oxide | |
| JPS5850604B2 (en) | Production method of low molecular weight poly-N-vinylpyrrolidone-2 | |
| CN103936947B (en) | A kind of preparation method of dual photosynthesis-carbon dioxide response block copolymer | |
| Toms et al. | Influence of synthesis method on the properties of carbon fiber precursors based on acrylonitrile and acrylic acid copolymers | |
| Ishitake et al. | From-syndiotactic-to-isotactic stereogradient methacrylic polymers by RAFT copolymerization of methacrylic acid and its bulky esters | |
| Chernikova et al. | Controlled synthesis of styrene-n-butyl acrylate copolymers with various chain microstructures mediated by dibenzyl trithiocarbonate | |
| CN114478916B (en) | N-vinyl pyrrolidone-methacrylate random copolymer and preparation method thereof | |
| CN107857846A (en) | A kind of preparation method of polyethylene glycol grafting polybutyl methacrylate amphipathic graft copolymer | |
| US3590102A (en) | Graft polymers of acrylonitrile onto polyvinylamide | |
| CN106065053A (en) | A kind of synthetic method of hyperbranched poly divinylbenzene multi-arm copolymer | |
| Chernikova et al. | Controlled radical polymerization of acrylonitrile in the presence of trithiocarbonates as reversible addition-fragmentation chain transfer agents | |
| Kobayashi et al. | Superacids and Their Derivatives. VIII. Cationic Ring-Opening Polymerization of Oxepane by Superacids and Their Derivatives | |
| EP0532536A1 (en) | Precipitation polymerization of copolymers of a vinyl lactam and a polymerizable carboxylic acid using sub-surface feeding | |
| Luz et al. | Poly (acrylonitrile-co-methacrylic acid-co-dibutyl maleate)[P (AN-co-MAA-co-DBM)] as a potential precursor of carbon material | |
| Chernikova et al. | Controlled synthesis of polyacrylonitrile via reversible addition-fragmentation chain-transfer pseudoliving radical polymerization and its thermal behavior |