Синтез бутадиен-стирольных статистических сополимеров на магнийсодержащем инициаторе

Автор: Фирсова А.В., Карманова О.В., Глуховской В.С., Ситникова В.В.

Журнал: Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий @vestnik-vsuet

Рубрика: Фундаментальная и прикладная химия, химическая технология

Статья в выпуске: 1 (63), 2015 года.

Бесплатный доступ

В статье рассматривается применение магнийорганических инициаторов в синтезе бутадиен-стирольных статистических сополимеров (ДССК), полученных растворной полимеризацией и их влияние на свойства каучука. Выбранный магнийорганический инициатор представляет собой диалкилмагний в сочетании с модификатором, который представляет собой смешанный алкоголят щелочного и щелочноземельного металлов, позволяющий контролировать микроструктуру диеновой части полимера и его молекулярно-массовые характеристики. Спиртовыми производными выбраны высококипящие спирты тетра(оксипропил)этилендиамин (лапромол-294) и тетрагидрофурфуриловый спирт (ТГФС). Выбор высококипящих спиртов обусловлен тем, что при разрушении алкоголятов при водной дегазации полимеров они не попадают в возвратный растворитель и практически не попадают в сточные воды. Металлической компонентой алкоголятов служат литий, натрий, калий, магний и кальций. Полученные растворы модификаторов устойчивы при хранении в течение года даже при температуре минус 40 ºС. Разработан способ получения новой каталитической системы на основе магнийорганики и алкоголятов щелочных и щелочноземельных металлов, позволяющий получать функционализированные ДССК как со статистическим, так и с блочным распределением бутадиена и стирола. Проведена сополимеризация бутадиена со стиролом на магнийорганических инициаторах как с использованием литийорганического соединения (н-бутиллития), так и без него. Установлено, что дополнительное введение н-бутиллития в реакционную массу приводит к резкому повышению скорости реакции. Представлены результаты исследования влияния состава инициирующей системы на структуру диеновых полимеров. Выявлено, что смешанная инициирующая система дает высокую конверсию мономеров (до 98 % за 1 час), содержание 1,2-звеньев увеличивается до 60 %. Процесс полимеризации в присутствии только смеси магнийорганических инициаторов и алкоголятов щелочных и щелочноземельных металлов протекает менее активно, конверсия мономеров достигает 90 % за 4 часа, микроструктура полибутадиеновой части соответствует низковинильным полимерам (28 % 1,2-звеньев). Определены наиболее эффективные инициирующие системы для получения статистических ДССК. Результаты исследования показали, что магнийалкилы могут использоваться в сочетании с алкоголятами щелочных металлов в качестве возбудителей сополимеризации диенов и винилароматических соединений.

Еще

Бутадиен-стирольные каучук, растворная полимеризация, синтез, инициатор, магнийорганические соединения

Короткий адрес: https://sciup.org/14040363

IDR: 14040363

Текст научной статьи Синтез бутадиен-стирольных статистических сополимеров на магнийсодержащем инициаторе

Бутадиен-стирольные каучуки, получаемые полимеризацией в растворе (ДССК), прочно завоевали свое место среди каучуков общего назначения. В настоящее время по литературным данным [1], в мире производится более 100 марок растворных ДССК с различной вязкостью по Муни (от 33 до 90), количеством связанного стирола (от 10 до 70 %), содержанием винильных звеньев (от 11 до 60%), наполненных различными маслами, с окрашивающимися и неокрашивающимися антиоксидантами.

В ряду металлоорганических соединений, используемых в качестве инициаторов анионной полимеризации, все чаще применяют магний органические производные типа R 2 Mg.

С развитием работ по анионной полимеризации магнийорганические инициаторы стали привлекать большое внимание, так как они вполне сопоставимы по своей активности со многими органическими производными щелочных металлов [2].

Синтез растворимых в углеводородных растворителях магнийорганических соединений (R 2 Mg) осуществляется следующим образом: в трехгорловую колбу, снабженную термометром, мешалкой и устройством для дозировки галоидалкилов сначала в токе азота в колбу загружается 7 г порошка магния и 1 мл хлористого бутила. Содержимое колбы нагревают до 130 ºС, при этом происходит активация магния в течении 20 мин. Затем после охлаждения магния в колбу загружается 125 мл толуола, включают перемешивание и дозируется 25 мл хлористого н-бутила в течение 2 часов при температуре 80-95 ºС. К полученной суспензии C 4 H 9 MgCl добавляют 12 г натрия и нагревают реакционную массу до 100 ºС. При работающей мешалке получается дисперсия натрия в толуольной суспензии C 4 H 9 MgCl. Содержимое колбы охлаждается до 40 ºС, дозируется 2-этилхлоргексил. При этом протекает реакция:

C H MgCl + CH CH CH CH CH CH Cl -

^{4 9 + 3 2 2 2} C 2 H 5 ²

-—C₄ H ₉ Mg CH CH CH CH CH CH + NaCl

C 2 H 5

Образующийся шлам отделяется от растворимой в толуоле магнийорганики методом осаждения. Концентрация активного магния -0,81 моль/л.

В качестве инициаторов полимеризации ДССК используют литийорганические соединения, в частности, бутиллитий в сочетании с магнийорганическими алкоголятами [3].

По патентным данным [4] для получения полимеров типа ДССК могут использоваться магнийорганические соединения в сочетании с алкоголятами щелочных металлов в присутствии электронодоноров без добавок маг-нийорганических соединений.

Нами разработана новая каталитическая система на основе магнийорганики и алкоголятов щелочных металлов, позволяющая получать ДССК как со статистическим, так и с блочным распределением бутадиена и стирола. В качестве магнийорганической компоненты инициирующей системы использовали диалкилмагний структурной формулы C 4 H 9 MgC 8 H 17 (R 2 Mg), в сочетании с модификатором, представляющим собой алкого-лят N,N,N',N'-тетра(оксипропил)этилендиамина (RONa), структурной формулы (I):

CH 3 CH 3

NaO CH CH CH CH ONa

NCH CH N 22

NaO CH CH CH CH ONa

CH CH

(I)

Такая каталитическая система позволяет получать сополимеры не только на основе стирола, но и α-метилстирола. Содержание винильных звеньев регулируется соотношением исходных компонентов каталитической системы, выбором алкоголята щелочного металла и температуры полимеризации. В присутствии новой каталитической системы можно получать сополимеры бутадиена со стиролом, предназначенные для гидрирования с последующим их использованием как загущающих присадок к моторным маслам.

Для проверки эффективности инициирующей системы R 2 Mg проводили синтез опытных образцов ДССК в реакторе объемом 13 л по методике, принятой для анионной полимеризации (растворитель – нефрас, масса загрузки мономеров 700 г).

Данные по условиям синтеза и свойствам полученных образцов ДССК приведены в таблице 1. Как показывают экспериментальные результаты, соединение R 2 Mg имеет низкую каталитическую активность. Конверсия мономеров в присутствии R 2 Mg и RONa (I) достигала 44 % через 5 часов полимеризации, при этом температура поддерживалась на уровне 70-80 ºС (таблица 1, оп. 1, 2). Увеличение дозировки модификатора (I) не приводило к повышению скорости реакции. Полученный полимер имел высокую молекулярную массу и очень широкое

ММР, полидисперсность M w /M n =4,2. Микроструктура полибутадиеновой части цепи соответствовала низковинильным полимерам (примерно 27,7 % 1,2-звеньев).

Изучено влияние добавок н-бутиллития на скорость полимеризации. С целью повышения скорости реакции и конверсии мономеров в реакционной массе заменили часть R 2 Mg от 30 до 70 % на н-бутиллитий.

Введение н-бутиллития приводило к резкому повышению скорости реакции. Конверсия мономеров за 1 час достигала 95 %, существенно снижалась полидисперсность и вязкость по Муни полимеров, содержание 1,2-звеньев увеличивалось примерно до 60 % (таблица 1, оп. 3,5). Полимеризация мономеров протекает на смешанных магний-литий активных центрах.

Т а б л и ц а 1

Условия синтеза и свойства образцов ДССК, полученных c Модификатором (I)

Наименование показателей	Значение показателей
Номер опыта	1	2	3	4	5
Модификатор (I), ммоль	6,0	12,0	12,0	10,0	10,0
н-бутиллитий	-	-	3,0	3,5	1,5
R 2 Mg, ммоль	6,0	6,0	3,0	1,5	3,5
Условия полимеризации
[Li]+[Mg], ммоль/1кг мономеров	8,5	8,5	8,5	7,1	7,1
Модификатор (I)/[Li]+[Mg], ммоль	1,0	2,0	2,0	2,0	2,0
Конверсия по с.о., %	44,1	20,4	95,2	95,2	74,0
Молекулярно-массовые характеристики
Mn, 10^-3	99	-	84	113	83
Mw, 10^-3	420	-	120	170	195
Mz, 10^-3	903	-	153	216	439
Mw/ Mn	4,25	-	1,41	1,50	2,34
Mz/ Mw	2,15	-	1,27	1,27	2,24
Микроструктура
Мас. доля St-св., %	27,9	-	28,4	27,3	30,6
Мас. доля 1,2-зв., %	27,2	-	57,6	60,6	52,1
Свойства каучука
Вязкость по Муни, ML 1+4 (100 ºC)	103,9	95,4	18,7	37,5	45,3
ML 1+5	-	-	0,1	0,4	2,8
Релаксация, А	2709	6796	73	111	424

Для повышения активности R 2 Mg (без добавления н-бутиллития) было проведено предварительное смешение толуольных растворов R 2 Mg и модификатора, структурной формулы (II):

ON a

O Mg O CH

H C CH CH

CH CH CH

H C CH CH

CH CH CH

+ ^C C 3

ON a

O Mg O CH

CH ONa

(II)

Через сутки после смешения раствор представлял собой тонкую гетерогенную взвесь – инициатор К-7. Концентрация активного магния составляла 0,15- 0,30 моль/л.

Синтез ДССК осуществлялся аналогичным образом. Результаты приведены в таблице 2. Процесс полимеризации протекал до приемлемых значений конверсии мономеров (таблица 2). Увеличение дозировки инициатора несколько повышало конверсию мономеров и наблюдалось снижение молекулярной массы полимера. Содержание винильных звеньев соответствовало заданному уровню (>60%), но при этом содержание связанного стирола составляло 27-33 %. Необходимо отметить широкое молекулярномассовое распределение полимеров в значении коэффициента полидисперсности 2,0-2,3, что является следствием гетерогенности инициатора.

Изучены свойства вулканизатов ДССК, полученных на инициирующей системе R 2 Mg + модификатор (II) (таблица 3). Как следует из таблицы 3, вулканизаты имеют высокие физико-механические свойства, не уступающие вулканизатам ДССК, полученным с использованием литийорганических соединений.

Т а б л и ц а 2

Условия синтеза и свойства образцов ДССК, полученных c Модификатором (II)

Наименование показателей	Значение показателей
Номер опыта	1	2	3
Катализатор, ммоль по Mg	7,0	5,0	6,0
н-бутиллитий, ммоль	-	-	-
Дифенилдихлорсилан, ммоль	7,0	-	-
Условия полимеризации
[Cl]/[Li], моль	1,0	-	-
Конверсия по с.о., %	78	68	89,5
Молекулярно-массовые характеристики
Mn, 10^-3	42/44,5	99	59
Mw, 10^-3	81/99	227	119
Mz, 10^-3	155/256	427	268
Mw/ Mn	1,93/2,2	2,29	2,01
Mz/ Mw	1,9/2,58	1,88	2,25
Микроструктура
Мас. доля St-св., %	29,9	33,4	27,0
Мас. доля 1,2-зв., %	60,2	62,5	64,6
Свойства каучука
Вязкость по Муни, ML 1+4 (100 ºC)	низкомолекулярный	63,1	21,8
ML 1+5	-	6,8	1,4
Релаксация, А	-	962	209

Т а б л и ц а 3

Сравнительные свойства растворных ДССК, полученных на разных типах катализаторов

Наименование показателя	ДССК-1845 (Mg)		ДССК-1845 (Li)	ДССК-1845M (Mg)		ДССК-1845M (Li)
	-	-		ПН-6
	-	-		27,5%	37,5%	15%
Вязкость по Муни, ML 1+4 (100 ºC)	42 77,5	58,5 78	42,5 84,5	49 86,5	59,5 74	46 78
Пластичность по Карреру резиновой смеси, усл. ед.	0,32	0,4	0,52	0,24	0,31	0,44
Восстанавливаемость, мм	1,29	1,0	1,25	1,34	1,08	0,6
Оптимум вулканизации, мин.	145º30'	143º30'	145º30'	143º30'	145º30'	145º30'
Условное напряжение при 300% удлинении, МПа	15,0	15,0	14,0	13,0	12,5	11,5
Условная прочность при растяжении, МПа	21,3	21,2	20,0	21,2	18,0	19,0
Относительное удлинении при разрыве, %	430	430	410	460	460	450
Относительная остаточная деформация, %	16	14	12	12	12	16
Эластичность по отскоку, % при 20 ºС при 100 ºС	42 52	33 51	28 53	35 61	31 61	18 55
Твердость по Шору А, усл. ед.	64	63	67	56	55	61
Истирание по Шопперу-Шлобаху, см³/м·10^-3	1,21	1,1	1,5	2,52	2,7	2,2
Сопротивление раздиру, кН/м	63	72	47	60	60	52

Таким образом, проведенные исследования по синтезу бутадиен-стирольных сополимеров на магнийорганических катализаторах указывают на возможность использования вместо литийорга-нических соединений магнийорганических.

Наличие отечественного сырья для синтеза инициатора полимеризации на основе маг- 162

нийорганических соединений и возможность использования оборудования, применяемого для синтеза литийорганических инициаторов, позволяет утверждать, что в настоящее время можно организовать промышленное производство инициаторов на основе магния для выпуска различных типов каучуков.

Список литературы Синтез бутадиен-стирольных статистических сополимеров на магнийсодержащем инициаторе

Ткачев А.В., Седых В.А. Современные технологии анионной полимеризации мономеров//Вестник ВГУИТ, 2013. №3. С. 143 -156.
Фирсова А.В., Карманова О.В., Глуховской В.С., Земский Д.Н. Изучение влияния смешанных алкоголятов оксипропилированных ароматических вторичных аминов на структуру диеновых полимеров//Вестник ВГУИТ. 2014. №4. С. 147 -150.
Глуховской В.М., Литвин Ю.А., Ситникова В.В. и др. Модификаторы н-бутиллития в синтезе полибутадиена и бутадиен-стирольных каучуков//Каучук и резина. 2013. № 4. С. 10.
Pat. № 5629256 A, US. Catalyst system for the synthesis of rubbery polymers/Halasa A.F., Austin L.E., Weakland S.A. № US 08/688,126; Appl. 29.07.1996; Publ. 13.05.1997.

Статья научная